МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 12. ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ЛЮДИНОЮ

Біогеотехнології

Геохімічну діяльність мікроорганізмів використовують у таких біотехнологіях: гідрометалургії (бактеріальне вилуговування металів, сорбція металів з розчинів); вилученні сірки з вугілля; зниженні концентрації метану в шахтах; збільшенні нафтовіддачі пластів.

Властивість мікроорганізмів засвоювати вуглеводневі гази знайшла застосування в пошуку нафтових родовищ за участю мікроорганізмів.

Гідрометалургія. Бактеріальне вилуговування - це вилучення і переведення в розчин певних хімічних елементів із твердих матеріалів: гірських порід, руд та концентратів за участю бактерій і їх метаболітів.

Метали входять до складу сульфідних, силікатних, карбонатних мінералів, деякі утворюють оксиди або перебувають у самородному стані чи у вигляді вкраплень у мінералах. Тому механізми вилуговування і роль мікроорганізмів у вилученні металів різні.

Процеси вилуговування металів із руд використовувались людиною досить давно. Починаючи з XVI ст. вилуговування міді здійснювалось в Угорщині, Німеччині, Іспанії. Проте механізм цього процесу не був відомий. Мікробіологічне вилуговування почало широко розвиватись і впроваджуватись після виділення з кислих рудних вод у 1947 р. бактерії Thiobacillus ferrooxidans.

Нині в гідрометалургії використовують певні види мікроорганізмів (табл. 12.6).

Таблиця 12.6. Сфери застосування мікроорганізмів у гідрометалургії

Найбільш широко в технологіях вилуговування металів використовують аеробну бактерію Thiobacillus ferrooxidans - грамнегативну рухливу паличку, яка має полярний джгутик і не утворює спор (рис. 12.6, а). Це облігатно автотрофний мікроорганізм, тобто джерелом вуглецю є вуглекислий газ. Отримує енергію від окиснення різних сполук сірки, сульфідних руд, ряду елементів з перемінною валентністю: Fe²⁺, Cu+, Zn²⁺, Sb³⁺, Se^2-, U⁴⁺. Оптимальні умови для росту: рН 1,3-4,5, температура 30-35 ⁰С. Інші види тіобацил не здатні до окиснення двовалентного заліза, проте активно окиснюють різні сполуки сірки (рис. 12.6, б).

Рис. 12.6. а - Thiobacillus ferrooxidans (х90000); б - Thiobacillus neapolitanus в (х9000); в - Leptospinllum ferrooxidans (х90000);

г - Desulfovibno sp. (х90000)

Leptospirillum ferrooxidans - облігатно автотрофна бактерія, яка окиснює Fe²⁺. Це невеличка спірила, має полярний джгутик, мешкає у водоймах та сульфідних родовищах при рН 1,5-4,0 (рис. 12.6, в).

Sulfobacillus thermosulfdooxidans, Sulfolobus acidocaldarius - автотрофи, термофіли, археї, оптимальна температура росту 45-75 ⁰С, рН 1-4. Крім заліза, окиснюють сірку та сульфідні мінерали.

Поряд з автотрофними мікроорганізмами в гідрометалургії використовують гетеротрофні мікроорганізми. Сульфатредукуючі бактерії використовують органічну речовину та молекулярний водень як донор електронів. Акцептором електронів при цьому виступають сульфати, які відновлюються до сірководню. Сульфатредукуючі бактерії - анаероби, які мають різну морфологію клітин (рис. 12.6, г). Ці бактерії використовують для осадження металів з розчину шляхом зв'язування останніх з бактеріальним сірководнем.

Деякі мікроорганізми здатні руйнувати мінерали гірських порід за рахунок виділення органічних кислот, полісахаридів та інших метаболітів у широкому діапазоні рН. Наприклад, Bacillus mucilaginosus, Bacillus megaterium здатні руйнувати силікатні мінерали за рахунок розриву Si-O-Si зв'язку.

Сульфідні мінерали є основним джерелом отримання більшості металів. Практично всі відомі сульфідні руди здатні окиснюватись мікроорганізмами.

Бактеріальне окиснення сульфідних мінералів передбачає такі етапи:

- адсорбцію бактерій на поверхні мінералу;

- деструкцію кристалічної ґратки;

- транспорт у клітину елементів, які окиснюються;

> ферментативне окиснення всередині клітини.

Такі процеси проходять за законами електрохімічної корозії і залежать від складу і структури мінералу. Наслідком бактеріального вилуговування є утворення розчинних сульфатів металів, H₂SO₄ та Fe₂(SO₄)₃.

Наприклад, окиснення халькопіриту здійснюється згідно з реакціями

Розрізняють купне, підземне та чанове вилуговування металів. Технологічну схему купного та підземного вилуговування наведено на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Схема купного та підземного вилуговування металів із руд

Водний розчин H₂SO₄, який містить Fe³+ та бактерії, повинен просочити рудну породу. У руді у присутності бактерій та кисню нерозчинні сульфідні мінерали окиснюються, утворюючи розчинні сульфати. Рідкісні елементи присутні в сульфідних мінералах і переходять у розчин унаслідок руйнування кристалічної ґратки.

Розчини металів збирають у спеціально обладнаних відстійниках, звідки метали вилучають різними способами, а розчин знову подається на руду, утворюючи замкнену систему.

Купне вилуговування проводять у відвалах бідних руд, які залишились після основного добутку, або якщо вилучення металів звичайним способом не є рентабельним. Таку руду розташовують шарами на спеціально підготовлених майданчиках, створюючи купи. Розчин подають шляхом розбризкування на поверхню купи (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Схема процесу купного вилуговування:

1 - купа, 2 - поверхня ґрунту, 3 - ставок, для збирання розчинів, 4 - насос, 5 - жолоб для цементації, 6 - ставок для відпрацьованого розчину, 7 - насос, 8 - система зрошення відвалу, 9 - метал

Підземне вилуговування проводять у місцях залягання рудного тіла. Розчин для вилуговування подається через свердловини.

Собівартість металів, отриманих бактеріальним купним або підземним вилуговуванням, у 1,5-2 рази нижча, ніж при звичайних способах добутку.

Чанове вилуговування використовують для переробки складних сульфідних концентратів і руд цінних металів (золота, урану, олова). Процес здійснюють у спеціальних ємностях (пачуках), які послідовно з'єднані між собою. У пачуки вносять пульпу - подрібнену руду, змішану з водою, та мікроорганізми. Здійснюють постійне перемішування, аерацію, забезпечують оптимальну температуру, рН. Використовують адаптовану до певної руди культуру мікроорганізмів у кількості (10¹⁰-10¹¹ кл/мл).

Вилуговування з силікатних мінералів. Деякі метали входять до складу силікатних мінералів. Мікроорганізми, виділяючи метаболіти, здатні руйнувати силікатні та алюмосилікатні мінерали, призводити до вилуговування різних хімічних елементів. Гетеротрофні мікроорганізми сприяють вилученню з гірських порід і руд золота, алюмінію, нікелю, міді та інших металів.

Мікробіологічне вилуговування алюмінію з алюмосилікатів здійснюють за допомогою грибів Aspergillus niger. Розчин для вилуговування отримують з культуральної рідини Aspergillus niger, який культивують на мелясі. Цей мікроорганізм синтезує велику кількість лимонної та щавлевої кислот, концентрація яких у культуральній рідині сягає 200 г/л.

Процес здійснюють чановим способом у спеціальних кислотостійких реакторах при температурі 90-100 ⁰С. За таких умов 90-95 % алюмінію екстрагується протягом 5 год.

Вилуговування м.ангану. У довкіллі манган присутній більш ніж у 100 мінералах. Основні запаси існують у вигляді оксидів (піролюзит _MnO2), карбонатів (родохрозит МпСО₃), силікатів (родоніт (CaMnO₄)[Si₅O₁₅]).

Для вилучення мангану з цих руд необхідно перевести його з чотирьохвалентного стану до двовалентного. Таке відновлення може відбуватись різними шляхами, проте практичне застосування має дія органічних кислот бактеріального синтезу, особливо мурашиної і щавлевої:

Для відновлення Mn⁴⁺ використовують мікроорганізми, віднесені до родів Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter, Acinetobacter. За допомогою бактеріального вилуговування отримують Мn до 90-96 % з оксидних руд, 60 % - з карбонатних і до 85 % - з силікатних.

Вилуговування самородного золота. В основі бактеріального вилуговування самородного золота лежить реакція взаємодії самородного золота з амінокислотами у присутності сильних окисників. Амінокислоти і білки в лужному середовищі (рН 9-10), у присутності Н₂О₂ можуть взаємодіяти із золотом з утворенням Au-N зв'язку. Роль перокси- ду водню полягає в переведенні Au⁰ в іонний стан.

Найбільшу активність у розчиненні самородного золота проявляють бактерії роду Bacillus: B.megaterium, B.cereus, B. subtilis.

Мікробіологічне вилучення металів із розчинів. Завершальна стадія гідрометалургійних процесів - вилучення металів із розчинів. Крім хімічних способів осадження металів із розчинів, існують також мікробіологічні. Ці процеси базуються на здатності мікроорганізмів до сорбції, осадження металів у вигляді сульфідів, відновлення та окиснення металів.

Осадження сульфідів металів. Сульфатредукуючі бактерії утворюють сірководень, який практично повністю осаджує метали з розчину. Культивування цих бактерій проводять в анаеробних умовах при постійному перемішуванні. Джерелом органічної речовини можуть бути гас, олеїнова кислота, терпенол, ксантогенат натрію. Ступінь вилучення металів, наприклад міді, молібдену, вольфраму, сягає 94-98 %.

Окиснення та відновлення металів. Арсен у тривалентному стані (арсеніти) більш розчинний, ніж у п'ятивалентному (арсенати). Для вилучення арсену з розчинів необхідно його окиснити, тобто перевести в п'ятивалентну форму. Культура Pseudomonas putida здатна до окиснення As (ІІІ) в слабколужному та нейтральному середовищі.

Практичне застосування має процес відновлення шестивалентного хрому. Культура Pseudomonas dechromaticans в анаеробних умовах відновлює шестивалентний хром до тривалентного, який осаджується у вигляді Сr(ОH)₃. Процес здійснюють при рН 8-9, використовуючи побутові стічні води як джерело органічної речовини.

Біосорбція металів. В основі біосорбції лежать процеси взаємодії з поверхневими структурами клітин мікроорганізмів, мікробними метаболітами та екзополімерами. Для сорбції використовують бактерії, дріжджі, міцеліальні гриби, водорості.

Екзополісахариди бактерій активно сорбують метали з розчинів в основному за рахунок фосфатних і уронових груп. Міцеліальні гриби сорбують метали за рахунок наявності у клітинній стінці хітину.

Використання знайшли жива і мертва біомаса, екзометаболіти, а також препарати, створені на їх основі. Культура Zoogloea raminera утворює велику кількість екзополісахаридів при рості на середовищі з вуглеводами. ЇЇ використовують для сорбції міді, кадмію, урану.

Вважається перспективним використання мертвої біомаси та виготовлених на її основі сорбентів. Так, для отримання біосорбенту М (розроблений у Чехії) міцелій Penicilliumchisogenum (відходи виробництва антибіотиків) обробляють сечовиноформальдегідним поліконденсатом. У результаті утворюється щільний продукт, який подрібнюють до гранул розміром 0,3-0,8 мм.

За допомогою мікроорганізмів можливо вилучити з розведених розчинів до 100 % свинцю, ртуті, цинку, міді, нікелю, кобальту, мангану, хрому, урану, до 96-98 % золота і срібла, до 84 % платини, 93 % селену.

Вилучення сірки з вугілля. Вугілля містить до 10-12 % сірки. При спалюванні вугілля сірка перетворюється в сірчистий газ, який потрапляє в атмосферу, де окиснюється до сірчаної кислоти, що призводить до утворення кислотних дощів. Для видалення сірки з вугілля використовують Thiobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans, T. organoparus. Мікроорганізми призводять до окиснення сірки та утворення сірчаної кислоти. За 5 діб вилучається майже 100 % сірки з вугілля.

Зниження концентрації метану у вугільних шахтах здійснюється за допомогою мікроорганізмів, які окиснюють метан. Незважаючи на значне поширення метанокиснювальних мікроорганізмів у довкіллі, у вугільних пластах вони практично відсутні. Мікробну біомасу вирощують у ферментерах. Бактеріальну суспензію, разом із розчином солей азоту та фосфору закачують насосами у вугільний пласт. Концентрацію метану знижують у два рази, використовуючи мікробіологічний метод.

Підвищення нафтовидобутку мікробіологічними методами застосовують для важких, смолянистих нафт або при закупорці свердловин важкими фракціями нафти. Суспензію вуглеводеньокиснювальних та метанутворювальних мікроорганізмів разом із розчином солей азоту і фосфору закачують у нафтові свердловини. Мікроорганізми починають активно розвиватись, використовуючи вуглеводні нафти. Внаслідок розвитку вуглеводеньокиснювальних бактерій утворюється вуглекислий газ, водень, низькомолекулярні органічні кислоти. Ці метаболіти потрапляють в анаеробну зону, де перетворюються метаногенами в метан. Руйнування поверхневих шарів нафти з одночасним утворенням газів призводить до розрідження нафти, підвищення газового тиску в нафтовому пласті. Усі ці перетворення дозволяють підвищити добуток нафти.