Шайхутдинов В.М., Жаппар Н.К., Жакупов Е.Ж., Тен О.А., Балпанов Д.С.

Адаптация ацидофильных микроорганизмов к высоким концентрациям ионов меди и мышьяка

Филиал РГП на ПХВ «Национальный центр биотехнологии Республики Казахстан», КН МОН РК в г. Степногорск, e-mail: ipbncbrk@mail.ru

Введение

Процессы бактериального выщелачивания широко применяются для извлечения меди, золота, серебра, урана и других металлов из низкосортных сульфидных руд. Считается, что бактерии рода Acidithiobacillus являются наиболее важными микроорганизмами применяемыми в процессах биовыщелачивания сульфидных руд, функционирующих при температуре ниже 40 °С [1, 2]. Вклад Acidithiobacillus при извлечения металлов заключается в способности переводить нерастворимые сульфиды металлов, таких как медь, свинец, цинк или никель в их растворимые сульфаты [3].

Бактерии рода Acidithiobacillus являются облигатными хемолитоавтотрофами, которые в качестве источника энергии используют двухвалентное железо, элементарную серу и ее восстановленные соединения; в качестве источника углерода – двуокись углерода [4-6]. Эти микроорганизмы существуют в условиях, в которых они подвергаются таким неблагоприятным воздействиям среды как перепады температуры и рН, высокое содержание токсичных тяжелых металлов.

Одной из важных характеристик ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов является их устойчивость к высоким концентрациям тяжелых металлов. Хорошая приспособляемость этих микроорганизмов позволяет проводить селекцию к повышенному содержанию токсичных соединений, что имеет большое значение при их применении в биогидрометаллургии.

Материалы и методы

Объектами исследования являются железоокисляющие штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans cx-1, Acidithiobacillus ferrooxidans cx-2, сероокисляющие штаммы Acidithiobacillus thiooxidans rz-1 и Acidithiobacillus thiooxidans rz-2.

Культивирование железоокисляющих бактерий проводили на среде Сильвермана и Люндгрена 9К; сероокисляющих бактерий на среде Ваксмана [7].

Количественный учет микроорганизмов проводили методом серийных разведений и методом прямого подсчета с помощью микроскопа Zeiss Standart 25 с фазово-контрастным устройством [8].

Величину рН и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) определяли с помощью анализатора Mettler Toledo Seven Multi S47-K.

Определение концентрации металлов проводили методом атомной абсорбции [9] с атомизацией в графитовой печи с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «Квант-2АТ».

Концентрацию ионов Fe³⁺ и Fe²⁺ в жидкой фазе определяли спектрофотометрическим методом на колориметре КФК-2 [10].

Результаты и обсуждение

Немаловажным аспектом при разработке технологии бактериального выщелачивания низкосортных руд является устойчивость производственных штаммов к повышенному содержанию токсических веществ, накапливаемых в результате многократной циркуляции технологических растворов. Нами проведено изучение природной устойчивости железоокисляющих микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidans cx-1, Acidithiobacillus ferrooxidans cx-2 и сероокисляющих микроорганизмов Acidithiobacillus thiooxidans rz-1 и Acidithiobacillus thiooxidans rz-2 к ионам меди и мышьяка. Для этого штаммы засевали на среды с различными концентрациями токсических веществ: мышьяк – 0,5 г/л, 1,0 г/л, 1,5 г/л, 2,0 г/л; медь – 1,0 г/л, 2,0 г/л, 3,0 г/л, 4,0 г/л.

Анализ активности железоокисляющих штаммов определяли по динамики окисления двухвалентного железа, активности сероокисляющих – по изменению кислотности среды. Данные представлены на рисунках 1-4.

а б

а – штамм At. ferrooxidans cx-1, б – штамм At. ferrooxidans cx-2

Рисунок 1 – Изучение устойчивости железоокисляющих штаммов к ионам мышьяка

а б

а – штамм At. ferrooxidans cx-1, б – штамм At. ferrooxidans cx-2

Рисунок 2 – Изучение устойчивости железоокисляющих штаммов к ионам меди

При отсутствии токсических веществ оба штамма железоокисляющих микроорганизмов полностью окисляли двухвалентное железо за 30 часов роста. Внесение в среду ионов мышьяка в концентрации 0,5 г/л и ионов меди – 1,0 г/л значительно снижало окислительную активность обоих штаммов. Полное окисление двухвалентного железа при данных концентрациях произошло лишь на 42 час роста.

а б

а – штамм At. thiooxidans rz-1; б – штамм At. thiooxidans rz-2

Рисунок 3 – Изучение устойчивости сероокисляющих штаммов к ионам мышьяка

а б

а – штамм At. thiooxidans rz-1; б – штамм At. thiooxidans rz-2

Рисунок 4 – Изучение устойчивости сероокисляющих штаммов к ионам меди

В случае сероокисляющих микроорганизмов при отсутствии токсических веществ увеличение кислотности среды до уровня рН около 1 было достигнуто за 72 часа. Внесение в среду ионов мышьяка в концентрации 0,5 г/л и ионов меди – 1,0 г/л значительно снижало кислотообразование – за 72 часа рН был снижен до 1,5-2,0.

В дальнейшем была проведена направленная селекция на увеличение устойчивости штаммов к высокому содержанию мышьяка и меди. Направленную селекцию осуществляли путем последовательных пересевов на среды 9К для железоокисляющих и среды Ваксмана для сероокисляющих микроорганизмов в которых постепенно увеличивали содержание токсических веществ.

Динамика окислительной активности штаммов микроорганизмов адаптированных к мышьяку представлена на рисунках 5-6.

а б

а – штамм At. ferrooxidans cx-1, б – штамм At. ferrooxidans cx-2

Рисунок 5 – Динамика окисления железа штаммами, адаптированными к мышьяку

а б

а – штамм At. thiooxidans rz-1, б – штамм At. thiooxidans rz-2

Рисунок 6 – Динамика изменения кислотности штаммами, адаптированными к мышьяку

В результате проведенной адаптации устойчивость Acidithiobacillus ferrooxidans cx-1 к мышьяку была увеличена с 0,5 г/л до 8,5 г/л; Acidithiobacillus ferrooxidans cx-2 – с 1,0 г/л до 9,5 г/л; Acidithiobacillus thiooxidans rz-1 – с 1,0 г/л до 9,0 г/л и устойчивость Acidithiobacillus thiooxidans rz-2 с 1,0 г/л до 9,5 г/л.

Далее устойчивые к высокому содержанию мышьяка штаммы адаптировали к высоким содержаниям меди. Адаптацию проводили описанным выше способом. Динамика окислительной активности адаптированных микроорганизмов представлена на рисунках 7-8.

а б

а – штамм At. ferrooxidans cx-1, б – штамм At. ferrooxidans cx-2

Рисунок 7 – Динамика окисления железа штаммами, адаптированными к меди

а б

а – штамм At. thiooxidans rz-1, б – штамм At. thiooxidans rz-2

Рисунок 8 – Динамика изменения кислотности штаммами, адаптированными к меди

В результате проведенной адаптации устойчивость Acidithiobacillus ferrooxidans cx-1 к меди была увеличена с 1,0 г/л до 8,0 г/л; Acidithiobacillus ferrooxidans cx-2 – с 2,0 г/л до 10,5 г/л; Acidithiobacillus thiooxidans rz-1 – с 1,0 г/л до 7,5 г/л и устойчивость Acidithiobacillus thiooxidans rz-2 с 1,0 г/л до 10,0 г/л.

Заключение

В результате проведённых исследований устойчивость используемых штаммов к ионам мышьяка повышена до 9 раз, к ионам меди – до 5 раз. Полученные данные свидетельствуют о высокой приспособляемости микроорганизмов рода Acidithiobacillus к изменяющимся условиям среды, что открывает широкие возможности их применения при выщелачивании низкосортных руд цветных металлов.

Литература

1. Kelly D., Wood P. Reclassification of some species of Thiobacillus to the newly designated genera Acidithiobacillus gen., nov., Halothiobacillus gen., nov., and Thermithiobacillus gen. nov. // Envol. Microbial. – 2000. – V 50. – P. 511-516.

2. Louw L.A. Analysis of 18 kb accessory region of plasmid pTcM1 from Acidithiobacillus caldus MNG. Thesis for degree of Master of Science in Stellenbosch. 2009.

3. Leng F, Li K, Zhang X, Zhu Y Lu J, Li H. Comparative study of inorganic arsenic resistance of Acidithiobacillus thiooxidans and Acidithiobacillus ferrooxidans // Hydrometallurgy. – 2009. – V 98. – P. 235-240.

4. Cheng H, Hu Y. Bioleaching of anilite using pure and mixed culture of Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus caldus // Minerals Engineering. – 2007. – V 20. – Р. 1187-1190.

5. Ostrowski M., Sklodowska A. Bacterial and chemical leaching pattern on copper ores of sandstone and limestone type // World J. Microbiol. Biotechnol. – 1993. - № 9. – Р. 328-333.

6. Watling H. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides, A review // Hydrometallurgy. – 2006. – V 84. – Р. 81-108.

7. Биогеотехнология металлов / Г.И. Каравайко [и др.] – М.: Внешторгиздат, 1989. – С. 51–54.

8. Герхардт, Ф. Методы общей бактериологии / Ф. Герхардт. – М.: Мир, 1984. – С. 450–454.

9. Гарифзянов, А.Р. Эмиссионная фотометрия пламени и атомно-абсорбционная спектроскопия / А.Р. Гарифзянов. – Казань, 2009. – 94 с.

10. Vogel, A.I. Vodel’s textbook of quantitative chemical / A.I. Vogel. – London, 1989. – 690 p.