Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
Хайнасова Татьяна Сергеевна
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ АВТОХТОННЫХ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ МЕДНО- НИКЕЛЕВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ (ЗАПАДНАЯ КАМЧАТКА) В БАКТЕРИАЛЬНО-ХИМИЧЕСКОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ- МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ
Специальность:03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Улан-УдэЦ2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук Трухин Юрий Петрович
Официальные оппоненты: Саловарова Валентина Петровна, доктор биологических наук, профессор, Иркутский государственный университет, заведующая кафедрой физико-химической биологии Хантургаева Галина Иринчеевна, кандидат технических наук, доцент, Байкальский институт природопользования СО РАН, заведующая лабораторией химии и технологии минерального сырья Ведущая организация Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск
Защита диссертации состоится л17 мая 2012 года в 1000на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.02 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления (ФГБОУ ВПО ВСГУТУ) по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул.
Ключевская 40В, ауд. 8-124.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления.
Автореферат разослан л16 апреля 2012 г.
Ученый секретарь Хамнаева диссертационного совета Нина Ивановна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальностьработы. Применение ацидофильных хемолитотрофных железо- и сероокисляющих микроорганизмов в переработке минерального сырья обеспечило успешное развитие биогидрометаллургии. В мировой практике примерами эксплуатации хемолитотрофных ацидофилов являются методы биовыщелачивания и биоокисления меди, железа, цинка, урана и других металлов, десульфуризации угля и нефти, третичного восстановления нефти и биосорбции ионов металлов (Acevedo, 2000; Yahya, Johnson, 2002). Биовыщелачивание и биоокисление используют в России, Казахстане, Китае, США, ЮАР, Бразилии, Австралии, Перу, Чили и выполняют кучным, дамповым и чановым способами при участии специфичных групп микроорганизмов (Acidithiobacillusspp., Leptospirillum spp., Ferroplasma spp.,Sulfobacillus spp., Sulfolobusspp., Acidianus spp. и др.) (Sandetal., 2001). Изучению процессов бактериально-химического выщелачивания посвящено множество работ отечественных (Г.И. Каравайко, Э.В. Адамов, В.В. Панин, Т.В. Башлыкова и др.) и зарубежных (W.Sand, F.K. Crundwell, O.H. Tuovinen, D.E.
Rawlings и др.) ученых. Интенсивное развитие биогидрометаллургии обусловлено, главным образом, переходом на комплексные ресурсосберегающие и экологически чистые технологии.
Камчатская никеленосная провинция включает три рудных района: Шанучский (Шанучское рудное поле), Дукукский (в том числе Квинум-Кувалорогская зона) и Колпаковский (Трухин и др., 2008).Месторождение Шануч (Западная Камчатка), входящее в первый район, обладает богатыми сульфидными медно-никелевыми рудами (в среднем 5% никеля, менее 1% меди и кобальта). Руда данного месторождения служит ценным объектом для переработки. Однако существует сложность в ее переделе, обусловленная тесным взаимопрорастанием никельсодержащих минералов и наличием высокого содержания пирротина. В условиях приближенности месторождения к особоохраняемым территориям чановое биовыщелачивание - наиболее приемлемый и рациональный путь извлечения ценных компонентов.
Подбору микробного компонента для биогеотехнологических задач уделяется большое внимание. Качественный состав и биологическая активность микроорганизмов обуславливают эффективностьбиовыщелачивания руд (Башлыкова и др., 2003; Каравайко и др., 2006). Аборигенные штаммы бактерий в ходе окислительных процессов начинают вытеснять привнесенную микрофлору, поэтому инжиниринг микроорганизмов не имеет приоритета (Battaglia-Brunetetal., 1998; Watling, 2006). В рамках активной политики Камчатского края по развитию минерально-сырьевой базы установление принципиальной возможности применения биовыщелачивания и определение биотехнологического потенциала автохтонных микроорганизмов являются актуальными задачами. Их решение позволит использовать микробиологические методы, как более экологичные в горнорудной промышленности региона.
Цель работы Цоценка биотехнологического потенциала автохтонных хемолитотрофных микроорганизмовиз окисленной рудыв бактериально-химическом выщелачивании сульфидной кобальт-медноникелевой руды в мезофильных условиях.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены основные задачи настоящего исследования:
- изучить минеральный состав окисленной руды медноникелевого месторождения Шануч;
- выделить потенциально важные для биовыщелачивания автохтонные ассоциации мезофильныххемолитотрофных железо- и сероокисляющих микроорганизмов из окисленной руды;
- определить окислительную активность автохтонной ассоциации мезофильныххемолитотрофных микроорганизмов, адаптированной к минеральному субстрату. Оценить перспективность ее использования и роль в бактериально-химических процессах выщелачивания сульфидной руды;
- изучить динамику бактериально-химического выщелачивания никеля, меди и кобальта из сульфидной кобальт-медно-никелевой руды.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Впервые проведено комплексное минерально-микробиологическое исследование окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч и выделены автохтонные ассоциации мезофильных и умеренотермофильных ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов (Acidithiobacillusferrooxidans, A. thiooxidans, Sulfobacillusspp.), перспективные для технологии биовыщелачивания.
Установлена окислительная активность адаптированнойк минеральному субстрату автохтонной ассоциации хемолитотрофных микроорганизмов, выделенной из окисленной руды месторождения Шануч и включающей бактерии A. ferrooxidans и A. thiooxidans, в отношении ионов закисного железа, элементной серы и сульфидной руды.
Выявлена динамика процесса бактериально-химического выщелачивания никеля, меди и кобальта из сульфидной руды месторождения Шануч.
Практическая значимость Проведена оценка перспективности использования и определена роль адаптированной к минеральному субстрату автохтонной ассоциации хемолитотрофных микроорганизмов, включающей бактерии A. ferrooxidans и A. thiooxidans, в окислительных бактериально-химических процессах.
Установленные скорости биологического окисления двухвалентного железа, бактериально-химического выщелачивания никеля, меди и кобальта в мезофильных условиях в периодическом режиме могут быть использованы в разработке и усовершенствовании технологических схем переработки сульфидного полиметаллического сырья.
Показана целесообразность проведения первого цикла бактериально-химического выщелачивания в течение первых 3 суток.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается актом о внедрении ЗАО Научно-производственной компании Геотехнология от 09.04.2012 г.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VI-ой и VII-ой Международной молодежной школе-конференции Актуальные аспекты современной микробиологии (Москва, 2010, 2011), на Международной научно-практической конференции Биотехнология:
экология крупных городов (Москва, 2010), на I-ой Международной научно-практической конференции Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине (СанктПетербург, 2010), на XI Международной научной конференции Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей (Петропавловск-Камчатский, 2010), на Ученых советах НИГТ - ДВО РАН (20072011), семинарах лаборатории геохимии и геотехнологии НИГТ - ДВО РАН (2009-2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15печатных работ, в том числе 6 статейв журналах и изданияхПеречня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России.
Объем и структура диссертации.Объем диссертационной работы занимает 176 страниц машинописного текста и включает введение, пять глав, заключение, список литературы, включающий182 наименования, из которых47 на русском языке, и приложение. Работа содержит 50рисунков и 23таблицы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ В работе использовали окисленную и сульфидную руду, а также автохтонную ассоциацию мезофильных хемолитотрофных микроорганизмов (ОБВ),ранее выделенную и адаптированную в НИГТ - ДВО РАН из окисленной руды месторождения Шануч (Левенец и др., 2008;Хайнасова, Левенец, 2009).
Количественный учет микроорганизмов осуществляли прямым подсчетом с помощью микроскопа ЛОМО МИКМЕД5с фазовоконтрастным устройством. Определение видового состава ассоциаций микроорганизмов проводили с применением метода полимеразной цепной реакции в реальном времени (ПЦР-RealTime) в НИГТ - ДВО РАН и ЗАО НПФ ДНК-Технология (Рогатых и др., 2011).
Активность микроорганизмов оценивали по окислению: 1) ионов двухвалентного железа при различных их концентрациях (~4,5, ~9 и ~г/л), 2) элементной серы (10 г/л) и 3) сульфидной руды месторождения Шануч (Т:Ж1:20). Изучение динамики бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидной руды при Т:Жпульпы 1:10.
Общая схема исследования представлена на рисунке 1.
Анализ отечественных и зарубежных литературных данных, постановка цели и задач исследования Минерально-микробиологическая Минеральная характеристика исследование окисленной руды Cu-Ni месторождения Шануч Микробиологическая характеристика Изучение железоокисляющей активности Исследование окислительной активности автохтонной ас Изучение сероокисляющей социации микроорганизмов, активности адаптированной к минеральному субстрату, из окисленной руды Изучение сульфидокисляющей активности Оценка роли H, Fe3+и микроорганизмов Исследование динамики бактериально-химического Изучение динамики извлечения мевыщелачивания Ni, Cu и таллов Co из сульфидной Co-CuNi руды Предварительные экономические показатели Рисунок 1 - Общая схема исследования Определение рН проводили с помощью рН-метра HannaHI 98103, Eh - Eh-метра HannaHI 98120. Концентрацию SO42- измеряли фотоколориметрически с помощью ФЭК (КФК-2-УХЛ 4.2) и титрованием с BaCl(Лурье, 1984). Концентрацию ионов Fe3+/Fe2+ определяли комплексонометрическим титрованием трилоном Б (Резников и др., 1970). Концентрации целевых металлов (Ni2+, Cu2+, Co2+) определяли атомноабсорбционным методом. Статистическую обработку экспериментальных данных производили с помощью программного обеспечения MicrosoftOfficeExcel 2007, рассчитывая доверительные интервалы средних значений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Минерально-микробиологическое исследование окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч Показано, что исследуемая руда принадлежит преимущественно к брекчиевидному и прожилково-вкрапленному типу.
Для месторождения Шануч характерна доминирующая ассоциация сульфидных минералов, включающая пирротин, пентландит и халькопирит (Трухин, 2009).В окисленной руде обнаружены некоторые из них. В исследованных пробах первичными рудными минералами являются пирротин, халькопирит и редко встречающийся на месторождении арсенопирит. Пентландит практически не выявлен (единичные зерна в некоторых шлихах).Лимонит - главный вторичный минерал. Вторичные сульфидные минералы не определялись, за исключением единичных зерен в шлихах (халькозин, ковеллин, борнит, марказит). Детальное исследование минерального состава проб показывает, что руда характеризуется присутствием следующих породообразующих минералов: кварц, полевые шпаты, слюда и др.
На основании результатов ПЦР в режиме реального времени (табл.1) мониторинг автохтонной железо- и сероокисляющей микрофлоры подтвердил, что бактерии родов Acidithiobacillus(A. ferrooxidansи A. thiooxidans) и Sulfobacillus принимают непосредственное участиев биогеохимических процессах на месторождении Шануч. Представители Ferroplasmaspp., ранее обнаруживаемые и выделенные Г.И. Каравайкои его коллегами в Институте микробиологииим. С.Н. Виноградскогоиз руды исследуемого рудника, в окисленной руде обнаружены не были.
Зависимости видового разнообразия хемолитотрофных ацидофильных бактерий от минерального состава проб (содержание сульфидных минералов), отобранных для микробного выделения, не выявлено.
Предположительно, для показателя качественной микробной характеристики основное значение имеют, главным образом, не минеральные особенности субстрата, а условия залегания руды.
На месторождениии непосредственно в рудном теле, по частоте выделения доминирующее участие обнаруживает бактерия A. ferrooxidans, предпочитающая в качестве источника энергии использовать как соединения железа, так и соединения серы. Биоокислительные процессы в зонах дополнительного активного контакта с агентами выветривания (на поверхности рудника) происходят при участии ассоциаций микроорганизмовA. ferrooxidans, A. thiooxidans и Sulfobacillus spp., предпочитающих использовать в своем метаболизме соединения железа.
1В лабораторных условиях проба руды № 8669, характери1зующаяся наибольшим минеральным разнообразием, явилась эффективнее для получения биомассы железо-окисляющих бактерий (рис.2).
В качестве объекта для выделения биотехнологически пер8666 8667 8669 8671 86спективнойавтохтонной микро№ пробы флоры, в частности, монокультуFe-окисляющая ассоциация ры бактерийA. ferrooxidans, реS-окисляющая ассоциация комендуется использовать руду, Рисунок2 - Численность бактериальных клеток отобраннуюнепосредственно в (СN), выделившихся из накопительных культур рудном теле разрабатывающегоиз окисленной руды месторождения Шануч ся месторождения.
Таблица 1 - Минеральная и микробиологическая характеристикипроб руды из месторождения Шануч Суммар- Состав выделенных автохтонных Содер-е № ное содер- микробных ассоциаций Сульфидные сульпро- е суль минералы фид.минер бы фид.мине Fe-окисляющая S-окисляющая алов, % ралов, % 1 2 3 4 5 арсенопирит 5,8666 5,6 A. ferrooxidans A. ferrooxidans халькопирит 0,A. ferrooxidans, 8667 халькопирит ед. зн ед. зн. A. thiooxidans, - Sulfobacillus spp.
N С 10, кл/мл Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 пирротин халькопирит зн.
A. ferrooxidans, 8669 63,2 A. thiooxidans, - халькопирит Sulfobacillusspp.
+малахит 16,+азурит арсенопирит A. ferrooxidans, 8671 отсутствуют 0 0 A. thiooxidans, - Sulfobacillusspp.
пирротин 97,A. ferrooxidans, 8673 97,75 - A. thiooxidans халькопирит 0,Исследование окислительной активности адаптированной к минеральному субстрату автохтонной ассоциации микроорганизмов из окисленной руды По данным анализа ПЦР в реальном времени в составе ассоциации обнаружены бактерииA. ferrooxidans и A. thiooxidans.
Изучение железоокисляющей активности в процессе биологического окисления ионов закисного железа Ионы закисного железа являются источником энергии для микроорганизмов, однако их следует также рассматривать как снижающие метаболическую активность агенты. После пересева микробной ассоциации ОБВ в среду 9Кв окислении принимает участие только бактерия A. ferrooxidans, обладающая высокой железоокисляющей активностью.
Время полного окисления при начальной концентрации Fe2+ в среде ~4,5 г/л фиксируется спустя 30 часов, при ~9 г/л - 39 часов,при ~18 г/л - 57-58 часов (рис.3).
Максимальные скорости окисления субстрата составляют:
0,2260,006 г/лч для концентрации железа ~4,5 г/л, 0,3160,023 г/лч - для ~9 г/л, 0,4460,035 г/лч - для ~18 г/л.Выяснено, что с повышением концентрации железа в 2 раза скорость возможного окисления Fe2+линейно увеличивается (рис.4).
18 0,0,12 0,0,6 0,0,0 -0 12 24 36 48 57-58 4,5 9 t, ч СFe, г/л ~4,5 г/л ~9 г/л ~18 г/л Vмакс. Vсред.
Рисунок4 - Зависимость скорости окисления Рисунок 3 - Изменение концентрации двух- двухвалентного железа (VокисленияFe2+) валентного железа (CFe2+) во времени (t) в процессе биологического окисления от начальной его концентрации (CFe2+) ионов закисного железа в растворе Концентрация ионов закисного железа 9 г/л является оптимальной концентрацией для бактерий, при которой наблюдается наибольшая скорость прироста бактериальных клеток. При концентрации ионов Fe2+ больше 9 г/л прирост биомассы ингибируется.
Изучение сероокисляющей активности в процессе бактериально-химического окисления элементной серы В составе сульфидной руды медно-никелевого месторождения Шануч основным сульфидным минералом является пирротин. При разрушении пирротиновой составляющей на поверхности руды формируется элементная сера, снижающая скорость процесса растворения металлов из-за образования пассивирующего слоя на минеральных частицах. В связи с этим исследовали процесс окисления серы. После пересева ассоциации микроорганизмов ОБВс рудного субстрата в экспериментальную среду с S в дальнейшем бактерии A. thiooxidansв ней не обнаруживается.Таким образом, в окислительном процессе участвует только A. ferrooxidans. Микробную окислительную активность оценивали по интенсивности изменения рН среды и скорости образования сульфат-иона.
Показано, что, в сравнении с абиотическим контролем,A. ferrooxidans проявляет слабо выраженную сероокисляющую активность. Концентрация образовавшегося сульфат-иона в ходе бактериальнохимического окисления в целом остается низкой, при этом возраст культуры имеет существенное значение в ускорении окислительного 2+ 2+ Fe С, г/л V окисления Fe, г/лч процесса (рис.5). В случае с 6-суточной культурой окисление происходит интенсивнее в связи с сокращением периода лаг-фазы в развитии микроорганизмов.
800 Массовые доли образо700 вавшихся сульфат-ионовв 6растворе для 3-суточнойи 6500 суточной культур соответст4венно составляют 4,51 % и 36,5 %.
2В абиотическом процессе 1на долю сульфат-иона приходится 0,26 %.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Средняя скорость образоt, сут вания SO42- при использоваконтроль 3-сут. культура нии 3-суточной культуры - 6-сут. культура 1,140,15 мг/лч, для 6Рисунок 5 - Изменение концентрации сульфатиона (СSO42-) в растворе во времени (t) суточной культуры - в процессе бактериально-химического 2,130,10 мг/лч.
окисления элементной серы Изучение сульфидокисляющей активности в процессе бактериально-химического окисления сульфидной кобальт-медноникелевой руды Окисление проводили с использованием сульфидной руды медно-никелевого месторождения Шануч при соотношении твердой фазы к жидкой 1:20. Используемая ассоциация микроорганизмов при пересеве на аналогичный рудный субстрат сохраняет видовой состав (A. ferrooxidans и A. thiooxidans). A. ferrooxidans играет доминирующую роль в окислительных процессах, как в отношении элементной серы, так и, возможно, в отношении сульфидной серы. Ввиду того, что A. thiooxidans сохраняется при культивировании на руде, она служит окислителем сульфидной серы и промежуточных серосодержащих соединений.
Исследуемая культура обнаруживает высокую окислительную активность в отношении руды. Об этом свидетельствует изменение основных параметров процесса. Наблюдается существенное подкисление раствора (до рН 1,98). Выщелачивание железа происходит интенсивно, но из-за отсутствия подкисления его концентрация в жидкой фазе пульпы не превышает 1 г/л, осаждаясь на руде в виде гидратных форм вторичных соединений.
Биологическое окисление происходит при низких значениях окислительно-восстановительного потенциала (до 514 мВ) по причине 2SOС, мг/л невысоких концентраций железа в растворе и особенностей окисляемого субстрата.
Продолжительность лаг-фазы в развитии микроорганизмов на руде составляет порядка 1-х суток. В ходе окисления фиксируется высокая концентрация микроорганизмов (1,4109кл/мл). При этом показано, что развитие микробной биомассы происходит в две выраженные стадии.
За 15 суток бактериально-химического окисления степень извлечения никеля насчитывает 1887 мг/л, меди - 21,21 мг/л и кобальта - 42,05 мг/л, что соответствует 56,15 % Ni, 4,80 % Cu и 54,13 % Co.Средняя скорость извлечения металлов составляет: для Ni - 1132,мг/лсут, для Cu - 1,190,05 мг/лсут, для Co - 2,540,04 мг/лсут.
Исследование динамики бактериально-химического выщелачивания Ni, Cu и Co из сульфидной Co-Cu-Ni руды Исследование динамики выщелачивания металлов из руды осуществляли следующим образом. В одностадийном периодическом режиме в агитационных мезофильных условиях (Т 30 С) проводили бактериально-химическое (БХВ) и химическое (ХВ) (контрольное, с подавлением развития автохтонной микрофлоры) выщелачивания в присутствии сульфата железа (II) (~ 9 г/л соли FeSO47H2O) и в его отсутствии. Условно процессы были обозначены как лбиотический - в присутствии микробной ассоциацииОБВ и лабиотический - без внесения инокулята бактерий. Ионы закисного железа рассматривались как легкодоступный источник энергии для микроорганизмов, а так же, как агент, дифференцирующий механизм разрушения сульфиднойруды, и источник для дополнительной регенерации окислителя (Fe3+) в выщелачивающей пульпе.
Бактериально-химическое разложение сульфидной руды в сравнении с химическим повышает степень извлечения никеля, меди и кобальта. При этом подтверждено, что и абиотическое, и биотическое выщелачивания - селективные процессы извлечения металлов. Избирательность растворения прослеживается в отношении Ni и Со, то есть окислительному воздействию подвергаются преимущественно никель- и кобальтсодержащие пирротин и пентландит.
Биологический компонент является ключевым фактором для разрушения халькопирита, поскольку выщелачивание Cu в абиотическом процессе не происходит. На основании степени извлечения металлов (табл.2) в выщелачивающих процессах механизмы разложения руды могут быть сведены к условным схемам: пирротин-пентландитхалькопирит (для биотического процесса) и пирротин-пентландит (для абиотического процесса).
Таблица 2 - Степень извлечения металлов в одностадийных периодических процессах бактериально-химического (БХВ) и химического (ХВ) выщелачиваний сульфидной руды медно-никелевого месторождения Шануч за 15 суток при Т:Ж=1:10 и Т=30 С Содержание и степень извлечения металлов Процесс Ni Cu Со выщелачивания г/л % г/л % г/л % БХВ без Fe2+ 3,151 42,73 0,054 5,57 0,079 47,БХВ с Fe2+ 3,253 44,08 0,071 7,28 0,080 47,ХВ без Fe2+ 0,900 12,78 0 0 0,018 10,ХВ с Fe2+ 0,492 6,99 0 0 0,008 5,Полнота извлечения металлов составляет в среднем до 3,20 г/л Ni (43,41 %), 0,06 г/л Cu (6,43 %), 0,08 г/л Co (47,06 %). В сравнении с данными по биологической активности показано, что уменьшение плотности пульпы до Т:Ж 1:20 может повысить степень растворения Ni до 56,15 %, Co до 54,13 % и снизить процент выходаCu до 4,80%.
Установлено, что присутствие сернокислого железа (II) в пульпе не оказывает существенного влияния на выщелачивание Ni за исследованный период, повышая степень извлечения металла всего на 3,06 %, и не влияет на процентный выход Co. Ионы железа способствуют большему выщелачиванию Cu, увеличивая концентрацию металла в растворе на 23,49 %. Однако на начальных этапах процесса поддержание большей концентрации Ni и Co в пульпе обеспечивается в бактериально-химическом выщелачивании без сернокислого железа (II).
Динамика целевых металлов обнаруживает стадийность процесса их растворения (рис.6). Условно выделено два цикла инициации интенсивного разрушения рудных минералов. I циклу, при котором наблюдается максимальные скорости извлечения металлов, соответствуетпериод времени с0-ых по 3-и сутки.II цикл осуществляется спустя 9 суток (с 9-х по 12-ые сутки).
При сравнении биотическихпроцессов выщелачивания в присутствиии отсутствии солиFeSO47H2Oпоказано, что I цикл для Ni и Co интенсивнее происходит в варианте без сульфата железа, II цикл - в его присутствии (табл. 3). Для Cu оба цикла интенсивнее осуществляются в варианте с железом. В абиотическом выщелачивании интенсивность извлечения металлов (Ni и Co) выше в варианте без добавления железа в I и II циклах.
1200 40 1086420 3 6 9 12 -20 3 6 9 12 0 3 6 9 12 --400 -t, сут t, сут t, сут БХВ без Fe2+ БХВ с Fe2+ БХВ без Fe2+ БХВ с Fe2+ БХВ без Fe2+ БХВ с Fe2+ ХВ без Fe2+ ХВ с Fe2+ ХВ без Fe2+ ХВ с Fe2+ ХВ без Fe2+ ХВ c Fe2+ а b с Рисунок 6 - Прирост металлов в раствор в процессе выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды:
a- никель (СNi),b - медь (СCu), c - кобальт (ССо) Таблица 3 - Скорость извлечения металлов, мг/лсут Скорость извлечения металлов, мг/лсут Процесс I цикл(0-3 сут) II цикл(9-12 сут) выщелачивания Ni Cu Co Ni Cu Co БХВ без Fe2+ 32516 8,870,35 7,610,40 14716 1,120,21 4,080,БХВ с Fe2+ 27210 10,750,75 6,210,31 19312 3,120,18 60,ХВ без Fe2+ 1118 00 20,13 375 00 0,780,ХВ с Fe2+ 938 00 1,790,15 57 00 0,240,2+ 2+ 2+ Co Cu, Ni C, мг/л C мг/л С, мг/л Медьсодержащий минерал в бактериально-химическом выщелачивании вторичному этапу растворения подвергается в меньшей степени. Снижение интенсивности извлечения Cu во II цикле происходит изза значительного проявления на данном этапе халькопиритом катодных свойств. Этот эффект существеннее проявляется в отсутствии ионов железа в растворе.
Предварительные экономические показатели бактериальнохимического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды На основании проведенных экспериментов, моделирующих одностадийный периодический режим бактериально-химического выщелачивания в агитационных условиях (чановым способом)приТ30С,предварительный анализ возможных экономических показателей обнаруживает целесообразность извлечения никеля с использованием раствора без добавления соли FeSO47H2O.
Однократная бактериально-химическая обработка руды позволяет получать продуктивный раствор с концентрацией Ni1,19 г/л на 3-е сутки (72 часа). В связи с тем, что спустя этотпериод прирост металла в жидкую фазу пульпы сокращается, в качестве рекомендации для многостадийного технологического процесса переработки руды первый цикл выщелачивания предлагается проводить в течение трех суток.
С экономической точки зрения использование жидкой фазы трех суток для дальнейшей экстракции металла представляется наиболее рациональным, увеличивая прибыль от переработки руды на 22,43 % (табл.5).
Таблица 5 - Показатели прибыли от извлечения никеля при бактериально-химическом выщелачивании сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в агитационных условиях (одностадийный периодический режим, 1 чан с рабочим V-ом 100 м3, Т:Ж 1:10, Т 30 С) 3-суточный 15-суточный Показатели процесс процесс Расход солевого раствора, т/год 82 670 16 5Затраты на реактивы, $/год 119 286 23 8Концентрация никеля в продуктивном 1,19 3,растворе, г/л Степень извлечения никеля, % 16,12 42,Прибыль от извлеченного в 255 348 134 9продуктивный раствор никеля, $/год Прибыль с учетом затрат на реактивы, 136 062 111 1$/год ВЫВОДЫ 1. Показано, что в окисленной руде месторождения Шануч присутствуют первичные минералы - пирротин, халькопирит и арсенопирит, а также вторичный минерал - лимонит.
2. Впервые из окисленной рудыместорождения Шануч выделены перспективные для технологии биовыщелачиванияассоциации мезофильных и умерено термофильных хемолитотрофных микроорганизмов родов Acidithiobacillus (A. ferrooxidans, A. thiooxidans) и Sulfobacillus.
Содержание и качественный состав сульфидных минералов в руде не влияют на видовое разнообразие выделенных микробных ассоциаций, однако в количественном отношении проба руды с наиболее разнообразным минеральным составом является оптимальной для выделения биомассы железоокисляющих бактерий.
3. Исследованиями установлено, что в окислительных процессах в адаптированной к минеральному субстрату ассоциации железо- и сероокисляющих бактерий A. ferrooxidans и A. thiooxidansдоминирует A.
ferrooxidans, предпочтительно использующая в качестве источника энергии железо и сульфидную серу.
4. Показано, что бактериально-химическое выщелачивание кобальт-медно-никелевой руды в периодическом одностадийном режиме чановым способом при температуре 30 Спозволяет селективно извлекать Ni и Co, обеспечивая за 15 суток достижение высокой концентрации никеля (до 3 г/л).
5. Экспериментально определены два цикла начала интенсивного растворения никеля, меди и кобальта, при этом в присутствии бактерий процесс ускоряется.
6. Установлено, что в процессе бактериально-химического выщелачивания Ni и Со рационально использовать раствор без сульфата железа (II). При извлечении Ni продуктивный раствор получается за трое суток, что повышает экономические показатели процесса на 22,43 %.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Кузякина Т.И.Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд / Т.И. Кузякина, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец// Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. - Петропавловск-Камчатский, 2008. - В. 12. - № 2. - С. 76Ц86.
2. Хайнасова Т.С. Состояние и перспективы развития технологии бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд на Камчатке / Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, А.А. Балыков// Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Горная книга, 2009. - № 4. - С. 306Ц310.
3. Трухин Ю.П.Эколого-экономические аспекты применения технологии биовыщелачивания ценных компонентов из сульфидных кобальт-медно-никелевых руд (Камчатка) / Ю.П. Трухин, Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О.Левенец, А.А. Балыков, С.В.
Рогатых // Проблемы региональной экологии. Экологические технологии и инновации. - М., 2010. - № 6. - С. 117Ц122.
4. РогатыхС.В. Использование технологии ПЦР в реальном времени для оценки эффективности методов выделения ДНК из культур ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов / С.В. Рогатых, А.А.
Докшукина, Т.С. Хайнасова, С.В. Мурадов, И.А. Кофиади// Прикладная биохимия и микробиология. - М., 2011. - Т. 47. - № 2. - С. 226Ц230.
5. Трухин Ю.П.Исследование кинетики и механизма биовыщелачивания сульфидной Сo-Сu-Ni руды в периодическом режиме / Ю.П.
Трухин, Т.С. Хайнасова// Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Горная книга,2011. - № 10. - С. 111Ц117.
6. Трухин Ю.П.Разработка технологии бактериальнохимического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды / Ю.П. Трухин, Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец// Вестник ДВО РАН. - Владивосток: Дальнаука, 2011. - № 4. - С. 101Ц104.
Материалы международных и всероссийскихконгрессов и конференций 1. Хайнасова Т.С. Перспективы использования Ferroplasma в биовыщелачивании сульфидных руд Камчатки // Материалы VIII-ой международной научной конференции Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей. - Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2007. - С. 121Ц124.
2. ЛевенецО.О. Изучение биологической активности мезофильных аборигенных сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в ходе окисления сульфидной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч /О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, М.А. Суханова// Актуальные аспекты современной микробиологии: IV-ая Молодежная школаконференция с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс,2008. - С. 96Ц97.
3. Кузякина Т.И.Развитие технологии биовыщелачивания в Камчатском крае / Т.И. Кузякина, С.В. Мурадов, Т.С. Хайнасова, О.О.
евенец, А.А. Балыков, С.В. Рогатых// Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы V-го Московского международного конгресса. - М.,2009. - С. 339Ц340.
4. Хайнасова Т.С.Влияние последовательной адаптации сообществ хемолитотрофных микроорганизмов к плотности пульпы на их окислительную активность /Т.С. Хайнасова, О.О. Левенец// Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы V-ой молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского. - М.: МАКС Пресс,2009. - С. 139Ц140.
5. Хайнасова Т.С.Изучение железоокисляющей активности автохтонной ассоциации хемолитотрофных микроорганизмов // Актуальные аспекты современной микробиологии: материалы VI-ой Молодежной школы-конференции с международным участием / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского. - М.: МАКС Пресс,2010. - С. 121 - 122.
6. ЛевенецО.О.Повышение окислительной активности мезофильных ассоциаций хемолитотрофных микроорганизмов / О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, А.А. Балыков, С.В. Рогатых// Московская международная научно-практическая конференция Биотехнология: экология крупных городов - М.: ЗАО "Экспо-биохим-технологии", РХТУ им.
Д.И. Менделеева, 2010. - С. 138Ц139.
7. Хайнасова Т.С. Эколого-экономические аспекты применения технологии микробного выщелачивания ценных компонентов из месторождений сульфидных медно-никелевых руд (Камчатка) / Т.С.
Хайнасова, О.О. Левенец, Т.И. Кузякина// Материалы XI-ой международной научной конференции Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей, посвященной 100-летию со дня рождения выдающихся российских ихтиологов А.П. Андрияшева и А.Я. Таранца.Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2010. - С. 198Ц201.
8. Кузякина Т.И.Выделение автохтонных микроорганизмов из окисленной руды кобальт-медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатка) / Т.И. Кузякина, Т.С. Хайнасова, А.Р. Гирфанова// Сборник трудов I-ой международной научно-практической конференции Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине. - СПб.: Политехнический ун-т, 2010. - Т. 1. - С.
163Ц164.
9. Хайнасова Т.С. Биогеохимические процессы формирования зоны окисления на месторождении Шануч (Западная Камчатка) // Актуальные аспекты современной микробиологии: тезисы VII-ой Молодежной школы-конференции / Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 153Ц156.