Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аккумуляция и кристаллизация золота микроорганизмами, выделенными из рудных и россыпных месторождений

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Куимова, Наталья Григорьевна, Благовещенск

.У

-.у

\./

Амурский комплексный научно-исследовательский институт Амурского Научного Центра ДВО РАН

На правах рукописи

КУИМОВА НАТАЛЬЯ ГРИГОРЬЕВНА

АККУМУЛЯЦИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЗОЛОТА МИКРООРГАНИЗМАМИ, ВЫДЕЛЕННЫМИ ИЗ РУДНЫХ И РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

Специальность 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

доктор биологических наук профессор Васьковский В.Е. доктор биологических наук Михайлов В.В.

Благовещенск -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ-__5

ГЛАВА 1. СПОСОБНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ КОНЦЕНТРИРОВАТЬ ЗОЛОТО И МЕХАНИЗМЫ ЕГО АККУМУЛЯЦИИ. (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 .Форма нахождения и миграции золота в природе._11

1.2.Коллоидное золото, структура и методы его получения._18

1.3.Аккумуляция золота микроорганизмами._21

1.3.1.Иммобилизация ионного золота и места локализации его в клетках.__22

1.3.2.Взаимодействие микроорганизмов с коллоидным золотом._25

1.4.Механизмы аккумуляции металлов микроорганизмами._28

1.4.1.Биосорбция металлов структурными компонентами

клеточной стенки._]_30

1.4.2 .Метаболизм-зависимый транспорт, локализация металла в клетке. '_41

1.4.3.Внеклеточное комплексообразование и осаждение продуктами метаболизма._48

1.4.4.Трансформация металлов с помощью ферментных систем._51

1.5.Возможное участие микроорганизмов в геохимическом цикле концентрирования золота._52

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 .Характеристика исследуемых месторождений золота. 2.2.Выделение и идентификация микроорганизмов.__

56 59

2.3.Методы получения коллоидного золота._62

2.4.Методика скрининга взаимодействия микроорганизмов с коллоидным золотом.__ 64

2.5.Методы исследования механизмов аккумуляции и кристаллизации золота:_65

- метод ИК-спектроскопии;

- электронномикроскопические исследования;

- рентгеноструктурный анализ;

ГЛАВА 3. ГЕТЕРОТРОФНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ РУДНЫХ И РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ИХ СПОСОБНОСТЬ КОНЦЕНТРИРОВАТЬ ЗОЛОТО.

3.1. Изучение комплекса микроорганизмов Кировского рудного месторождения, рудопроявления «Снежинка» и Апрельской россыпи._ 68

3.2. Исследование способности природных штаммов бактерий и микроскопических грибов взаимодействовать с коллоидным золотом, поиск активных биосорбентов золота.__ 73

3.2.1.Выбор устойчивой коллоидной системы в качестве теста.

3.2.2.Проведение скрининга взаимодействия микроорганизмов с коллоидным золотом.__77

3.2.3.Создание коллекции микроорганизмов, активных биосорбентов золота.__82

3.2.4. Аккумуляция золота микроорганизмами рудных и

россыпных месторождений._84

3.2.5. Аккумуляция золота музейными и природными

штаммами микроорганизмов._90

ГЛАВА 4. БИОСОРБЦИЯ ЗОЛОТА БАКТЕРИЯМИ И МИКРОСКОПИЧЕСКИМИ ГРИБАМИ.

4.1 .Влияние температуры.__ 93

4.2.Влияние pH - среды на сорбцию коллоидного золота._95

4.3.Динамика сорбции тонкодисперсного золота._96

4.4.Изотермы биосорбции золота._98

4.5.Возможности извлечения золота из растворов биомассой грибов и водорослей._100

ГЛАВА. 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ АККУМУЛЯЦИИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЗОЛОТА МИКРОСКОПИЧЕСКИМИ ГРИБАМИ.

5.1.Исследование механизмов биосорбции ионного и коллоидного золота клеточной стенкой методом ИК-

спектроскопии._103

5.2.Электронномикроскопические исследования процессов аккумуляции и кристаллизации коллоидного золота грибами

при длительном времени взаимодействия._109

5.3. Определение структуры биогенного золота методом структурной рентгенографии.___ 118

ВЫВОДЫ_;_124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы, включая бактерии, микроскопические грибы и водоросли, обладают способностью извлекать тяжелые металлы и радионуклиды из среды обитания (Илялетдинов, 1984; Gadd, 1989, 1990; Beveridge, 1989). Повышенный интерес ученых из разных областей знаний к процессам аккумуляции металлов объясняется потенциальной возможностью извлечения драгоценных и редких металлов из индустриальных отходов, а также бедных руд, "хвостов" и отвалов. Эта уникальная способность микроорганизмов открывает также определенные возможности для решения экологических проблем по очистке стоков промышленных и горнодобывающих предприятий от загрязнений тяжелыми металлами и токсичными химическими реагентами - цианидами, мышьяком, органическими флотореагентами.

Специфичность связывания ионов многих металлов (в том числе золота) структурными компонентами клеточных стенок бактерий впервые рассматривается в работах Beveridge (1976, 1980). Наиболее изученным к настоящему времени являются процессы взаимодействия бактерий с ионным золотом (Brierley, 1986; Greene, Hosea, 1986). Большим сродством к ионному золоту обладают водоросли, особенно Chlorella vulgaris (Darnall, Hosea 1986, 1989; Green, 1986), аккумуляция золота которой достигает 10% от сухого веса водоросли. Работами канадских ученых показано, что биомасса морской водоросли Sargassum natans проявляет супервысокую активность в извлечении ионного золота из растворов - 420 мг/г сухой биомассы (Kuyucak, Volesky, 1988). Возможности же микроскопических грибов в отношении аккумуляции золота практически не изучены.

Золото, в отличие от большинства других металлов, встречается в природе преимущественно в дисперсном состоянии (Петровская, 1973). Одной из основных форм нахождения и миграции золота в растворах

считается тонко дисперсная, коллоидная форма золота (Крейтер, 1958; Летников, Вилор, 1981; Некрасов, 1996), потеря которого происходит при разработке месторождений (Амосов и др., 1997; Моисеенко, 1997). В связи с этим для исследования была выбрана модельная система взаимодействия "микроорганизм - коллоидное золото".

Исследованиями отечественных авторов установлена роль бактерий в процессах растворения и миграции золота (Ляликова, 1969, 1976; Минеев, 1974, 1976; Коробушкина, 1976, 1977, 1982). Впервые исследования взаимодействия бактерий с металлами в дисперсном состоянии начаты киевскими учеными (Овчаренко и др. 1984, 1986; Ульберг и др., 1986). Была установлена способность ряда коллекционных штаммов бактерий сорбировать частицы коллоидного золота (Саввичев и др. 1985). Нужно отметить, что выполненные ранее исследования по аккумуляции тонкодисперсного золота, проводили главным образом с музейными штаммами бактерий. Работами С.А. Маракушева (1986, 1989) положено начало изучению взаимодействия коллоидного золота с бактериями, выделенными из месторождений. Данные о возможностях природных штаммов микроскопических грибов концентрировать тонкодисперсное золото и механизмах его аккумуляции практически отсутствуют. Этим объясняется выбор нами объектов для исследования и поиск активных биосорбентов золота на месторождениях. В данной работе под определением "природные" штаммы, в отличие от музейных, будут фигурировать штаммы, выделенные из золоторудных месторождений.

Экспериментальное доказательство способности бактерий и грибов-микромицетов, выделенных из месторождений, к аккумуляции и кристаллизации золота имеет важное значение для понимания роли микроорганизмов в концентрации тонкодисперсного золота и его трансформации в зоне гипергенеза, а также позволяет выяснить масштабы

участия микроорганизмов в формировании современных зон окисления золоторудных месторождений и россыпей.

Рассматриваемая в данной работе проблема аккумуляции и кристаллизации золота является актуальной как в теоретическом, так и прикладном значении.

Выполненные исследования можно условно разделить на два, в некотором смысле самостоятельных, направления. Основной целью первого являлось исследование способности природных штаммов бактерий и микроскопических грибов, выделенных из рудных и россыпных месторождений, взаимодействовать с тонкодисперсным золотом, установление масштабов возможного участия микроорганизмов в концентрировании золота на биогеохимических барьерах. Цель второго направления исследований - изучение механизмов аккумуляции и кристаллизации золота микроскопическими грибами;

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать комплекс гетеротрофных микроорганизмов рудных и россыпных месторождений золота Амурской области.

2. Установить способность природных штаммов микроорганизмов взаимодействовать с коллоидным золотом. Провести поиск активных биосорбентов золота.

3. Сравнить возможности и выявить масштабы аккумулятивной деятельности микроорганизмов в рудных месторождениях и россыпях.

4. Изучить динамику сорбции, определить оптимальные условия извлечения коллоидного золота из растворов активными штаммами бактерий и микроскопических грибов.

5. Исследовать механизм биосорбции ионного и коллоидного золота микроскопическими грибами на первой стадии взаимодействия методом ИК-спектроскопии.

6. Изучить процесс аккумуляции и кристаллизации золота микроскопическими грибами при продолжительном времени взаимодействия.

7. Установить структуру полученных агрегатов биогенного золота.

Научная новизна.

В настоящей работё, выполненной на стыке микробиологии, геологии и коллоидной химии, впервые показаны масштабы аккумулятивной деятельности микроорганизмов в рудных месторождениях и россыпях. Показано, что аккумулятивная функция микроорганизмов по отношению к тонко дисперсному золоту наиболее выражена в россыпях.

Выявлена корреляция между общим количеством выделенных микроорганизмов, числом микроорганизмов, активно сорбирующих золото и содержанием золота в породе. Это указывает на возможное участие микроорганизмов в концентрировании золота на биогеохимических барьерах.

Впервые в экспериментальных условиях произведена кристаллизация золота микроскопическими грибами. Были получены губчатые и сетчатые структуры золота, а также золотоорганические агрегаты. Кристаллическая структура вновь образованного золота установлена методом структурной рентгенографии. Таким образом, показана возможность биогенного минералообразования золота в условиях низкотемпературного гипергенеза.

Практическая значимость.

Создана коллекция природных штаммов бактерий и микроскопических грибов, активно взаимодействующих с коллоидным

золотом. Выделенные штаммы характеризуются высокой емкостью извлечения золота и скоростью адсорбции и могут быть рекомендованы для дальнейшего их использования в качестве биосорбентов золота из техногенных растворов в металлургии и горной промышленности.

Показаны динамика сорбции, оптимальные режимы температуры и рН-среды для извлечения золота из растворов биомассой бактерий и микроскопических грибов.

Установленные закономерности взаимодействия микроорганизмов с дисперсными частицами минеральной фазы могут быть использованы при решении различных прикладных задач при создании новых технологий обогащения и извлечения металлов из растворов, а также для решения ряда экологических проблем.

Наличие в структуре микробиоценоза большого количества микроорганизмов-биосорбентов золота может служить индикационным признаком присутствия золота в породе. Это может быть использовано в качестве одного из нетрадиционных методов поиска месторождений золота.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Бактерии и микроскопические грибы, выделенные из рудных и россыпных месторождений, обладают выраженной способностью аккумулировать тонкодисперсное золото, но различаются между собой активностью взаимодействия с золотом. Основными биосорбентами золота среди бактерий являются грамположительные бактерии родов Bacillus, Micrococcus, а среди грибов-микромицетов - представители рода Pénicillium.

2. Масштабы аккумулятивной деятельности гетеротрофных микроорганизмов в россыпях значительно выше, чем в рудных месторождениях. В россыпи от 30% до 80% выделенных бактерий и грибов

аккумулируют золото за время от 15 мин. до 6 час, тогда как в рудных -только 10-20% кулыурабельных микроорганизмов способны взаимодействовать с золотом с характерным временем сорбции - 24 час и более.

3. Обогащенностъ золотом пород коррелирует в россыпях и зонах окисления с содержанием в них "золотофильных" микроорганизмов. Такие микроорганизмы взаимодействуют как с ионным, так и с коллоидным золотом, и могут служить барьером для осаждения и концентрации золота. Учитывая достаточно высокое содержание микроорганизмов в россыпях, и их высокие аккумулятивные способности, можно утверждать о барьерной, концентрационной функции живого вещества в зоне окисления и россыпях.

4. Экспериментально показана возможность биогенного минералообразования золота микроскопическими грибами в условиях низкотемпературного гипергенеза. Аккумуляция золота активными группами клеточной стенки микромицетов ведет к конденсации металла на образованных центрах кристаллизации и в дальнейшем - к образованию губчатых структур и золотоорганических агрегатов "вторичного" золота, обнаруживаемого в россыпях и зонах окисления.

Автор выражает глубокую признательность Председателю Амурского Научного Центра ДВО РАН, академику В.Г. Моисеенко за всестороннюю поддержку исследований. Особую признательность автор выражает научным руководителям д.б.н. В.В. Михайлову и д.б.н. В.Е. Васьковскому, а также благодарит своих коллег С.М. Радомского, к.х.н. В.И. Радомскую, к.м.н. В.М. Католу, к.ф.-м.н. Е.С. Астапову, к.ф.-м.н. Е.А. Ванину, Т.Б Макееву, Е.Б. Пивченко за оказанную консультативную помощь при выполнении работы.

ГЛАВА 1. СПОСОБНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ КОНЦЕНТРИРОВАТЬ ЗОЛОТО И МЕХАНИЗМЫ ЕГО АККУМУЛЯЦИИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Форма нахождения и миграции золота в природе.

В природе золото присутствует практически во всех типах горных пород и минералов, в небольших количествах оно рассеяно всюду - в почвах, в воде рек и океанов, а также в флоре и фауне. Золото входит в группу элементов, свободное состояние которых является обычной формой нахождения в природе. По своему составу оно не представляет химически чистого золота, так как обычно содержит в виде изоморфной примеси следующие металлы - серебро (Ад), медь (Си), железо (Бе), а иногда также палладий (Рс1), висмут (В1), иридий (1г), платину (Р^ и др. Наибольшее значение имеет отношение Аи-Ад - здесь известны переходы от почти чистого золота до золота с содержанием серебра 43% (электрум). Почти всегда присутствует в самородном золоте небольшое количество меди. Самородное золото, богатое медью (от 9 до 20,4% Си) известно как медистое золото, встречается в природе палладистое золото (до 8% и более Р<1), иридистое и родистое золото .

Издавна существовало мнение о высокой химической устойчивости золота и существование в природе его кислородных соединений считали маловероятным из-за высокого потенциала ионизации. Однако в рудах Аргинского месторождения на Камчатке были найдены гидрооксиды Аи типа (Аи, Ад, Си)(ОН)2, оксигидрат Аи [АиО х Аи(ОН)2], а также оксителлурит с Ад, РЬ, в котором золото являлось резко преобладающим компонентом (Некрасов, 1991). М.И. Новгородова с соавт. (1995) диагносцировала гидроорксид золота АиО(ОНО), найденный в коре выветривания золоторудного месторождения на Южном Урале. Оксид золота образует на поверхности золотин островковую пленку, средняя

толщина которой составляет ОД 5 нм (Щегольков, 1998). Во всех случаях прямого определения золота не проводилось и только благодаря развитию таких методов анализа, как электронная оже-спектроскопия (ЭОС), рентгенофотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), дифракция медленных электронов (ДМЭ), обладающих высокой локальностью на величину слоя -1-10 нм, было установлено, что ультратонкие слои на поверхности металлического золота отличаются по химическому состоянию атомов от нижележащих. Таким образом, в настоящее время, в связи с применением современных методов исследования в геохимии, а также достижениями в области химии органических соединений золота, взгляды на золото, как на вещество неизменяемое, являющееся по выражению В.М. Карножицкого (1898) "настоящим символом вечности и бессмертия" (Цит. по кн. Петровской, 1973) утратили свое значение.

Морфология и размеры выделений золота в рудах весьма различны. Золото кристаллизуется обычно в кубической сингонии. Однако хорошо оформленные кристаллы в виде кубов, октаэдров, ромбододекаэдров встречаются реже, чем пластинчатые и листоватые кристаллы, слагающие губчатые, дендритовидные агрегаты размером от долей миллиметра до нескольких сантиметров - это так называемое "видимое" золото. Во многих месторождениях, кроме "видимого" золота, присутствует тонкодисперное и коллоидное с размером частиц менее 1 мкм. Существует следующая классификация самородного золота по размеру частиц (Петровская, 1973, 1993):

Тонкодисперсное (мк) Видимое (мм)

тонкодисперсное -1-10 ультратонкодисперсное -1-0,1 коллоиднодисперсное - < 0,1 очень крупное - > 4 крупное - 4-2 среднекрупное - 2-1 мелкое - 0,9-0,1 очень мелкое - 0,1-0,05 пылевидное - 0,05-0,01

Установлено, что частицы тонкодисперсного золота более распространены в п