Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микроорганизмы и их роль в трансформации минералов бокситов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Микроорганизмы и их роль в трансформации минералов бокситов"

На правах рукописи

ОГУРЦОВЛ Любовь Владимировна

МИКРООРГАНИЗМЫ И ИХ РОЛЬ В ТРАНСФОРМАЦИИ МИНЕРАЛОВ КОКСИТОВ

Специальность 03.00.07. - Микробиология

Л в т о р с ф с р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте микробиологии Российской Академии Наук

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор Г.И.Каравайко

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук

Н.Н.Медведева

доктор биологических наук

С.В.Летунова

Ведущая организация: Факультет почвоведении МГУ им. Ломоносова

Защита диссертации состоится "14 "_мая 1997 г. в'^_ часов.

на заседании диссертационного совета в Институте микробиологии РАН но адресу: 117811, г Москва, проспект 60-летия Октября, д.7, корпус 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института микробиологии РАН

Автореферат разослан "__"____'__ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.б.н. < — Л.Б.Ники чин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Проблема взаимодействия микроорганизмом с минералами и породами важна как в связи с изучением биогеохимических процессов выветривания и миграции элементов, так и в связи с разработкой биотехнологических методов переработки и обогащения минерального сырья.

Известна и достаточно детально изучена роль аптотрофпых бактерий в окислении сульфидных руд. Менее исследованы процессы растворения и деструктпрования микроорганизмами силикатных пород и минералов.

Бокситы являются основным сырьем при производстве алюминия. Они содержат как собственно минералы алюминия, железа и кремния, так п их ассоциации. Роль микроорганизмов в их трансформации практически не изучена. В связи с исчерпанием запасов высокосортного минерального сырья на алюминий предпринимаются попытки разработать микробиологические способы обогащения и вовлечения в переработку некондиционных типов бокситов.

Целью работы было изучение роли гетеротрофных и автотрофных микроорганизмов в деструкции минералов бокситов, выяснение некоторых механизмов этих процессов и возможности их использования в обогащении бокситов.

Основные задачи исследования.

1. Изучить распространение микроорганизмов в бокситах и провести скрининг высокоактивных в растворении и деструкции алюмоспликатных и железосодержащих минералов штаммов.

2. Изучить роль микроорганизмов в растворении, деструкции и фракционировании минералов в различного типа бокситах.

3. Изучить влияние бокситов на рост и развитие микроорганизмов.

4. Изучить возможности использования микроорганизмов в процессах обогащения и переработки бокситов.

Научная новизна. Изучение действия микроорганизмов (грибов, дрожжей, бактерий), выделенных из бокситов и музейных культур, показало большое их разнообразие в кинетике растворения и деструкции минералов бокситов, выражающееся на уровне ролов, видов и даже штаммов. Это позволило провести скрининг наиболее активных штаммов и оценить их

влияние на деструкцию минсралои бокситов. Выявлены такие механизмы микробного воздействия на минералы бокситов, как растворение, деструкция и фракционирование. Доминирование того или иного процесса зависит как от минерального состава бокситов, так и от свойств используемых микроорганизмов. Наиболее активными в растворении минералов были микрогрибы Aspergillus niger, образующие до 75% лимонной кислоты от общей суммы кислот. В селективной деструкции алюмогетита активны A.niger 4, Penicillium chrysogemun 16, Aureobasidium pulliilans BKM F-1116 и Bacillus mitcilaginosiis BKM В-1480Д, образующие как органические кислоты, так и слизи, а в селективном фракционировании тонких фракций отдельных минералов - широкий спектр микроорганизмов, образующих экзополисахари-ды.

С помощью метода меченых атомов (ыСО_>) доказана гетеротрофная природа B.mucilaginosiis и несостоятельность существующих теорий о возможности получения анергии при деструкции силикатных минералов.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволили получить штаммы микроорганизмов, перспективные для выщелачивания алюминия из низкосортных бокситов, для деструкции алюмогетита и сокращения потерь глинозема с красными шламами, а также для обогащения некоторых типов бокситов путем их селективного обескремнивания.

Материалы диссертации могут быть использованы для чтения лекций в соответствующих вузах.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме "Биогндрометаллурпш-89" (США, 1989), Третьей национальной научно-технической конференции по биогидримсталлургии (Болгария, 1989), на съезде Всесоюзного минералогического общества "Звенигород, 1990", Всесоюзной конференции но кислотным методам комплексной переработки алюмосиликатного сырья. (Апатиты, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и получено 3 авторских свидетельства.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на /33 страницах машинописною текста и состоит из разделов "Введение", "Обюр литературы", "Экспериментальная часть" ( включающая главы "Объекты

и методы исследования", "Результаты" и "Обсуждение результатов"), "Выводы" и "Список литературы" (включающий наименований работ отечественных и зарубежных авторов). Диссертация проиллюстрирована 0 рисунками н содержит,ЗЙ таблицу/.

Место проведения работы. Работа выполнена в Институте микробиологии РАН в лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов (заведующий лабораторией - член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Каравайко Г.И.). Часть экспериментальной работы проведена совместно с кандидатом технических наук О.Ф.Сафоновой в Институте механической обработки полезных ископаемых (Механобр, г.Санкт-Петербург) и доктором геолого-минералогических наук А.Д.Слукиным в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ), г.Москва.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Объекты исследования.

В работе использованы 59 штаммов микроорганизмов, относящихся к различным систематическим группам. Из них 3S выделены нами из различных типов горных пород (пегматиты Забайкальского сподуменового месторождения, свежеобработанные образцы бокситов месторождения Де-белс (Гвинея) и бокситы Чадобецкого месторождения (Россия)) и почв, 21 штамм получен в Российской коллекции культур микроорганизмов.

Условия культивирования.

Микроорганизмы культивировали на следующих средах: мицелиаль-ные грибы - на среде Чапека (Романенко, Кузнецов, 1974); дрожжи и бактерии рода Pseudomonas - на синтетической глюкозоаммонийной среде (Бабьева, Голубев, 1978); Bacillus mucilaginosiis ВКМ В-1480 Д - на среде Эшби (Романенко, Кузнецов, 1974) с глюкозой (5г/л); в отдельных экспериментах в среду вносили (NH4)2S04 в концентрациях 0,1-1 г/л; Bacillus circulons ВКМ В-962 - на среде Эшби с глюкозой (5 г/л) с добавлением 0,5 г/л (NH4)2S04 и 0,5 г/л пептона; Bacillus polymyxa ВКМ В-27 - на среде Эшби с глюкозой (5 г/л) с добавлением 0,5 г/л (NH^SO,) и 0,25 г/л дрож-

жевого экстракта; Thiobacilliis thiooxidans ВКМ В-460 - на среде Ваксмапа (Романенко, Кузнецов, 1974); Thiobacilliis thioparus - на среде Бейеринка с тиосульфатом натрия (Романенко, Кузнецов, 1974); нитрифицирующие бактерии - на среде SW (Soriano, Valter, 1968) с (NH4)2S04

В качестве посевного материала в опытах с мицелиальными грибами использовали суспензию спор в стерильной водопроводной воде (10s КОЕ/мл), а в случае остальных микроорганизмов - вегетативные клетки в логарифмической фазе роста. Посевной материал вносили в концентрации 5% от объема среды.

Культивирование микроорганизмов проводили на качалке при 280 об/мин при температуре 28-30иС. Продолжительность эксперимента варьировала в зависимости от целей эксперимента.

Боксит стерилизовали вместе с культуральными средами при 1 атм в течение 30 мин. Соотношение твердого образца (боксита) и культуральной среды (Т:Ж) для микромнцетов и бактерий рода Bacillus составляло 1:10, а для дрожжевых культур и бактерий рода Pseudomonas, Thiobacilliis и нитрифицирующих бактерий I и II фазы - 1:20.

Содержание биомассы в культуральной жидкости определяли весовым методом и по белку. Белок определяли, используя модифицированный метод Петерсона (Пивоварова, 1989). Количественный учет бактерий и дрожжей проводили методом предельных десятикратных разведений.

О концентрации полисахаридов (ЭПО судили по относительной вязкости, которую определяли как соотношение времени (сек) протекания через вискозиметр определенного объема опытного раствора ко времени протекания такого же объема исходной среды (Авакян, 1985) и по сухому весу (Williams, 1977).

Фиксацию 14СОт_гетеротрофами определяли по Романенко и Кузнецову (1974). Радиоактивность бактерий измеряли на жидкостном сцинтил-ляционном счетчике LKB-1216 "Rakbeta" ( Швеция).

Потребление глюкозы определяли с помощью глюкозооксидазы и ферроцианида калия (Щербухин и др., 1970).

Определение pH проводили на потенциометре - иономере марки ОР

211/1.

Общую титруемую кислотность определяли титрованием 0,05 N NaOH с фенолфталеином после пропускания культуральной жидкости через ионообменную смолу КУ-2 и удаления углекислоты кипячением (Егоров, 1976).

Содержание лимонной кислоты в среде определяли методом, основанным на измерении экстинкции пеитаброманетата при 300 им на спектрофотометре марки СФ-26 (Жаболовская, 196S), а щавелевую кислоту -оксилимитрическим титрованием перманганатом калия. (Помодек-Фабини, 1981).

В работе использовали 19 типов бокситов ряда месторождении России, Казахстана, Венгрии, Гвинеи, отличающихся по минеральному и химическому составу. Образцы бокситов были предоставлены нам Институтом Механобр (Санкт-Петербург), Всесоюзным институтом минерального сырья (ВИМС, Москва), Институтом Ллутерв-ФКИ (Венгрия), Институтом геологин рудных месторождении, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ РАН, Москва). Образцы кварца, каолинита получены из минералогического музея РАН.

Подготовка боксита к эксперименту.

Боксит измельчали на шаровой мельнице до различных классов крупности в зависимости от целей эксперимента. В основном в экспериментах использовали технологическую крупность 70-90% класса крупности менее 0,074 мм. Для постановки эксперимента отбирали среднюю пробу боксита после многократного перемешивания методом квартования.

Подготовка образцов боксита к диализу. Боксит после воздействия микроорганизмов отделяли от культуральной жидкости фильтрованием через бумажный фильтр, промывали дистиллированной водой. Биомассу выжигали и разрушали образовавшиеся комплексы пергидролем на песочной бане, промывали многократно дистиллированной водой и высушивали в сушильном шкафу при температуре 105° С.

Определение химического состава бокситов.

Химический состав бокситов до и после экспериментов определяли методом сплавления (Долежал, 1968). Определение кремния, алюминия и железа вели в растворе фотометрически на спектрофотометре "8ресо1-21" (Воробьев, 1978).

Кремний в растворе определяли колориметрически по кремнемолиб-деновой сини (Марченко, 1971). Железо определяли сульфосалициловым методом (Шарло, 1965). Алюминий определяли алюминатным методом (Марченко, 1971).

Определение концентрации элементов в среде.

Содержание кремния, алюминия и железа, перешедших в раствор после воздействия микроорганизмов на бокситы, определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотомегрии на приборе АА8-1 (Симонова, 1986). Культуральную жидкость отделяли от клеток и минералов боксит центрифугированием при 30000 § в течение 20 мин.. При наличии полисахаридов в среде перед центрифугированием проводили кислотный гидролиз.

Методы гранулометрическою анализа.

Фракции бокситов крупности менее 0,063 мм определяли на лазерном анализаторе крупности "РгЦ$с||", фракции более 0,063 мм - на ультразвуковом анализаторе "Ротап", фракции крупности более 0,044 мм - методом ситового анализа.

Автоклавное выщелачивание бокситов вели по методике ВАМИ (Санкт-Петербург).

Рентгеноструктурный анализ минералов проводили в рентгенострук-турной лаборатории Института механической обработки полезных ископаемых (Механобр).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Характеристика бокситов:

Бокситы - горные породы сложного химического и минерального состава. В настоящей работе использовались бокситы из различных месторождений. Их классификация основана на соотношении главных породообразующих минералов (табл.1).

Качество боксита характеризуется кремниевым модулем Мз^А^Оз / 8Ю2. Чем выше ,тем качественнее бокситовая руда. Все использовавшиеся в работе бокситы можно отнести к низкосортным. Таблица 1. Основные минералы бокситов.

Минералы алюминия Минералы железа Силикатные минералы.

Бемит у-АЮОН Гиббсит у-А1(ОН)з Диаспор а-АЮОН Алюмогетит (/ Алюмогематит ематит ra-FcjOj етит. a-FeOOH Сидерит FeCOj U,Fe)OOH (Al, Fe)203 Каолинит Al2Si205(0H)4 Кварц Si02 Шамозит - (Fe2+, Fe3+)3 |(ОН)2 AlSi3Ol0| {(Fe,Mg)3 (О.ОНЫ

2. Микроорганизмы бокситов. Были изучены микроорганизмы лате-рптиых бокситов современной коры выветривания (Гвинея и Грузия), карстовых бокситов древней коры выветривания и латеритных бокситов ( Сибирская платформа, Чадобецкое поднятие). Как видно из данных таблицы 2, для бокситов характерно присутствие автотрофных и гетеротрофных бактерий, дрожжей и микрогрибов.

Таблица 2.

Характеристика микрофлоры различных типов бокситов

Месторождения бокситов

Доминирующие формы микроорганизмов

Современные коры выветривания

Латеритные бокситы (Гвинея)

Латеритные бокситы (Грузия)

Древ

Осадочные бокситы (Чадобецкое поднятие, Россия)

Автотрофные бактерии: ThiohacHhis thioparus. Нитрификаторы (I и II фазы) Гетеротрофные бактерии: р.р. Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Arthrobactcr Автотрофные бактерии: Thiobacillus thioparus. Нитрификаторы (In II фазы) Гетеротрофные бактерии: p.p. Clostridium, Pseudomonas, Arthrobactcr Дрожжи: Lipomyces, Candida. nie копы выветривания

Bacillus,

Микрогрибы: Pénicillium, Aspergillus. Дрожжи.

Автотрофные бактерии: Thiobacillus thioparus. Гетеротрофные бактерии: p.p. Bacillus,. Clostridium, Pseudomonas, Arthrobacter_

Наблюдаются также некоторые различии в распространении доминирующих форм в зависимости от типа бокситов и географической зоны их расположения. Так для гвинейских бокситов доминирующими являются бактерии, для грузинских бокситов бактерии и дрожжи, а в бокситах Ча-добецкого поднятия (Сибирь) помимо бактерий и дрожжей широко представлены микрогрибы. Для изучения роли микроорганизмов в деструкции минералов бокситов были отобраны выделенные из бокситов штаммы, принадлежащие к различным таксонам. Для сравнения были также использованы музейные штаммы микроорганизмов.

Микробная деструкции минералов в бокситах. Об активности различных микроорганизмов в деструкции минералов бокситов судили но извлечению в раствор 81, А1, и Ге (рис. 1-3).

vnoK 1. Извлечение в раствор SiOj , AI^Oj , FtjOj из каолишп-ui... . ! ..аого боксита под действием мицелиальных грибов.

I - Aspergillus niger 4, Il - A. niger Ь', 111 - A. niger 23, IV - Pénicillium chtysogenum 16, V - P. chrysogenum 18. Время опыта 7 суток. Исходный рН -6,5; конечный - 3,00; 2,85, 3,55; 3,45; 5,15 соответственно.

Под воздействием микрогрибов (рис.1) более активно выщелачивается кремний, затем железо и в относительно небольших количествах алюминий. Исключением был штамм A.niger 23, под воздействием которого

МГ^П

более активно выщелачивалось железо. Пол воздействием наиболее активных мнкрогрнбоп извлечение Л1 и Ре по сравнению с контролем возрастало в 96-164, 327-472 и 26-48 раз соответственно.

Зависимость растворении минералов бокситов от штаммовых, видовых и родовых особенностей микрогрибов видна из данных таблицы 3.

Таблица.3

Извлечение в раствор 5!, А1 и Ре из каолинит- Семи голого боксита под действием микрогрибов (продолжительность эксперимента - 7 суток)

Микроорганизмы pH" Содержание в растворе,мг/л

SiO, ЛЬО, IV,О,

Aspergillus awnmori 6,00 150 5 2

Aspergillus iiiger 4 3,00 820 130 656

Aspergillus niger 8 2,85 470 240 944

Aspergillus niger В KM F-l 119 3.10 190 55 78

Aspergillus niger 23 3,55 800 115 440

Aspergillus ochraceus 16 4,00 100 15 62

Aspergillus terreus BKM F-1S62 4,25 100 30 76

Aspergillus versicolor BKM F-S37 4,40 80 К) 24

Chulosporiiiin resinae BKM P-170I 4.00 100 25 30

Fusarium bulbigenum 4.10 100 45 60

Mueor hiemalis 27 4,15 100 30 44

Pénicillium brevi-compactum 4,05 85 15 40

Pénicillium cfiiysogemiin 15 5,15 70 20 7

Pénicillium chrysogcnum 16 3,40 280 60 108

Pénicillium chrysogcnum IS 3,50 220 55 60

Pénicillium chrysogenum 19 4,45 65 35 26

Pénicillium chrysogcnum 28 3,65 SO 30 60

Pénicillium chrysogcnum 29 4,35 100 20 38

Rhizopus japonicum BKM F-1403. 3.70 100 70 104

Контроль 6,6 5 5

' pli среды определен в конце опыта, исходный рН среды но всех вариантах - 6,5. Навеска боксита - 10 г на 100 мл среды

Наиболее активными в выщелачивании 51, Л1 и Ре были представители рола АхрегкШш, особенно штаммы А. т^ег 4, А. т&'г 8 и А. п'^ег 23. Остальные штаммы даже при близких значениях рН среды были мало эффективны в растЕюрепии минералов боксита и выщелачивании элементов. Как и в предыдущих опытах, иод воздействием микрогрибов более активно выщелачивались 51, затем Ре. Однако алюминий также выщелачивался, что не позволяет в целом говорить о строгой селективности растворения минералов в боксите. Дрожжи извлекали элементы в значительно меньших ко-

личествах, чем микрогрибы ( рис.2). Кремний и алюминий выщелачивались примерно в одинаковой степени различными видами дрожжей. Исключение составил S.cerevis'шe, под воздействием которого более активно выщелачивалось железо.

140 120 100 80 60 40 20 0

Рисунок 2. Извлечение в раствор SiÜj , AI2O3 , lejOj из каилишгг-бемитового боксита иод действием дрожжевых культур.

I - Rhodotorula rubra, II -Saccharomyces cerevisiae, III - Candida ellianolicu, IV -Yarrowia lipolityca, V - Candida utiiis. Время опыта 7 суток. Исходный pH -6,8; конечный - 3,65, 3,95; 6,35; 3,15; 4,30 соответственно.

)

Из бактерий были выбраны представители р. Pseudomonas, как более активные из изученных прокариот в растворении минералов бокситов (рис.3). Видно, что ли бактерии менее аффективны в выщелачивании Si, AI и Fe, чем микрогрибы и дрожжи. В основном выщелачивались Si 11 1-е, что свидетельствует о более выраженной у бактерий селективности процесса по отношению к алюминию, чем у дрожжей и некоторых микрогрибои.

МГ/Л

/

18

1

Щ — Я и Ъш

□ АЬОз HFe203 nSi02

мг/л

II III IV V □ А120з aFe203 □ SiC>2

Рисунок 3. Извлечение в раствор SiOj , A^Oj , Fc203 из каолшшт-бемитового боксита под действием бактерий рода Pseudomonas.

] - P.aureofaciens 35, II - ¡'.aeruginosa 78, III - P.ßnorescens BKM B-S94, IV -P.ßuorescens biovar IV - 110, V - P.saccharophila BKM B-44S. Время опыта 7 суток. Исходный pH - 6,9; конечный - 3,60; 3,65; 3,70; 4,20; 3,70 соответственно.

Как известно, бокситы представлены различными типами, отличающимися по минеральному составу. Для оценки роли биологического фактора в деструкции минералов различных типов использован наиболее активный штамм А. nigerA.

Деструкция алюмосиликатнмх минералов бокситов различного типа пол иичдейеттicm A.niyr 4.

В опытах были использованы четыре типа бокситов. Результаты опытов представлены в табл. 4.

Видно, -что активность выщелачивания Si, AI и Fe различна как из разных типов бокситов, так и в пределах одного и того же типа, но разных месторождений.

Таблица 4.

Выщелачивание 51, А1 и Ре из различных типов бокситов под воздей ствием А.>щег А ( продолжительность опыта 35 суток).

Тин боксита Количест- Извлечение элементов, мг/л М8,

во типов 5Ю2 А1203 Ре20_,

Шамозит-диаспоровый 2 3250 - 3390 850 - 1070 1119 - 1152 (2.61 - 4.6) (2,53 - 4,5)

Каолинит* бсмитовый 6 150 - 1850 95 - 1862 37 - 2122 (2.87 - 6.56) . (2,74 - 5,66)

Каолпнит-гиббеитовый Бемит- каолипитовьш 2 1 360-475 655 345 - 810 728 388 - 8587 599 (2,63 - 2.95) (2,49 - 3,23) 1,55/1,59

в числителе - опыт; М$, в знаменателе - контроль.

Так, из шамозит - диаспорового боксита Среднего Тимана сравнительно активно выщелачивались все изучаемые элементы. Это можно объяснить относительно высокой растворимостью шамозита и частичным растворением гематита. Каолинит-бемптовые бокситы различных месторождений и регионов (Средний Тиман, Венгрия, Онежское и др.) отличаются большим разнообразием по степени выщелачивания 81, А1 и Ре. Так, из каолннит-бемитового боксита Среднего Тимана достаточно активно выщелачивались кремний и железо. Это связано с деструкцией шамозита и отчасти гематита. Из другого каолинит-бемнтового боксита того же региона активно выносилось железо, вероятно, из гетита и гемотита и достаточно активно - алюминий, вероятно, из бемита. И, наконец, железо наиболее активно выносилось из каолииит-гиббеитового боксита Красиооктябрьско-го месторождения (Казахстан), содержащего сидерит. И К - спектры показали резкое снижение его пика после воздействия А.п'ц>ег 4 (рис.4). Степень деструкции минералов, в том числе определяющих тип боксита, под воздействием микроорганизмов зависит также от степени их изменения в природных условиях. Поскольку кремниевый модуль большинства бокситов после обработки микроорганизмами практически не изменялся, то можно предположить, что основные минералы, содержащие алюминий или кремний, растворялись в одинаковой степени. В некоторых случаях, как напри-

II

1023

Рис.4. ИК-спектры каолинит - гиббситового боксита до (I) и после воздействия Л.л/£ег 4 (II).

мер при обработке каоли-нит-бемитового боксита Среднего Тимана, М$] возрастал с 5,66 до 6,56, что, вероятнее всего, вызвано преимущественным растворением шамозита (см. таблицу 1), но не каолинита.

Учитывая сложность минерального состава бокситов и слабую селективность микробного выщелачивания , этот процесс можно рассматривать как интересный с биогеохимической точки зрения. Возможно, что для переработки некоторых низкосортных бокситов может быть использован биогидрометаллурги-ческий способ, основанный на селективном выщелачивании алюминия.

Микробное леструктирование алюмогетит - и апюмогематит содержащих бокситов.

Многие латеритные бокситы содержат наряду с минералами железа -гематитом и гетитом - минералы оксидов железа с изоморфной примесью алюминия в них - алюмогетиты и алюмогематиты с преобладанием первых.

Алюминий, находящийся в этих минералах, не извлекается при традиционной переработке по методу Байера в автоклавах и теряется вместе со шламами. Это понижает выход А12О3 из бокситов.

Эксперименты проводили с каолинит-гиббситовым бокситом (Гвинея), содержащим 17% алюмогетита с изоморфным замещением железа алюминием в среднем на 27 мольных процента.

Рентгенофазовый анализ показал, что наиболее активными в деструкции алюмогетита были штаммы A.niger 4, А.рч11и1ти ВКМ Р-1116, Р.скгу$о%епит 16 и В-тисНщепоних ВКМ В-1480 Д (табл.5). Причем этот процесс происходил как при достаточно низких (1,90-2,50), так и рри более высоких (4,20-5,60) значениях рН. Другие штаммы в этой же области рН показывали низкую активность. Это свидетельствует о том, что алюмогетит либо растворяется экзометаболитами, либо этот процесс связан с деструкцией минерала и протекает другим путем, например с помощью полисахаридов. Так, в процессе роста А.пщег 4 на среде с бокситом рН среды снижался до 1,9 и происходила сорбция тонких частиц боксита на глобулах мицелия. Рост А.риИиЫю также сопровождался снижением рН среды до 2,5 и образованием экзополисахарида пуллулана. В связи с этим вязкость среды повышалась, благодаря чему тонкие фракции боксита оказывались взвешенными в культуральной жидкости вместе с клетками и не оседали при отстаивании в течение 1 часа. И в том и в другом случае рентгенофазовый анализ показал уменьшение содержания алюмогетита, особенно в тонких фракциях, адсорбированных мицелием (А.п^ег 4) или взвешенных в культуральной жидкости (А.риЧи1ат).

Чтобы оценить степень деструкции алюмогетита и технологическое значение этого процесса, боксит, обработанный микроорганизмами, включающий обе фракции, подвергли выщелачиванию по способу Байера. Выход А12О3 в раствор из предварительно обработанного А.риЧЫапз боксита' возрастал на 3,6%, а содержание А120з в красном шламе уменьшалось до 10,6% по сравнению со шламом в контроле, содержащим 14,27% А12Оз A.niger был менее эффективным в деструкции алюмогетита.

Таблица 5.

Изменение интенсивности характерного максимума алюмогетита с величиной межплоскостного расстояния с1=0,413 нм под действием микроорганизмов

Микроорганизмы РН" Интенсивность максимумов алюмогетита (в условных еденицах)

твердый остаток после декантации раствора тонкая фракция боксита выделенная из раствора

Исходный боксит без обработки 7.0 13 и.о. ""

А.>щег 4. 1,9 8 н.о.

А.тцег 23 2,15 11 н.о.

Р.с1щ^о£епшп 16 4,20 9 н.о.

А.риШПак ВКМ Р-1116 2,50 8 5

РлкпМгфсшк ВКМ В-556 3,05 12 н.о.

Н.тисИа&пскт ВКМ В-1480Д 5,60 9 8

Уаггомш Нро1уИса 2,85 10 н.о.

АпИгоЬас1ег 3,15 10 н.о.

' рН определяли в конце опыта. " не определяли.

По-видимому, суммарное действие экзополисахаридов и органиче-

ских кислот оказывает большее влияние на алюмогетит, чем только органические кислоты, образуемые А.п '^ег.

В промышленном производстве глинозема из бокситов размол бокситов производится на оборотном щелочно-алюминатном растворе, где рН полученной пульпы выше 14,0. При таких значениях рН Среды микроорганизмы развиваться не могут. Так как действующим фактором в процессе разрушения алюмогетита являются экзометаболиты, эксперименты проводили с культуральной жидкостью. Анализ красных шламов, полученных после автоклавного выщелачивания боксита, предварительно обработанного культуральной жидкостью А. ри11и1апз, Показал уменьшение содержания ■алюминия на 3,67-4,8%; а выход оксида ванадия (У^О^) в щелочно-алюминатный раствор повышался на 47% по сравнению со стандартным процессом Байера. Выход А12О3 в щелочной раствор при этом достигал 97%.

Дрожжи Уаттча Цро1уНса выращенные на н-алканах, при постоянной нейтрализации N301-1 образовывали до 100 г/л лимонной кислоты. После регенерации лимонной кислоты с помощью ионитов культурапьнаи жидкость была использована в опытах. После обработки в течение 5 часов

культуральной жидкостью, содержащей 97 г лимонной кислоты/л, и последующего автоклавного выщелачивания боксита содержание А12О3 в красных шламах было снижено на 2%. Это обеспечило выход А12О3 из бокситов, равный 92%. В то время как выход А12О3 из бокситов в стандартном процессе Байера не превышал 84-90%.

Рост А.шрег 4 и образование органических кислот в присутствии бокситов.

Данные о влиянии каолинит-гиббситового боксита на рост А.пщег в присутствии различных источников азота приведены в таблице 6. Наблюдается некоторое увеличение прироста биомассы в вариантах опыта без боксита, в особенности в присутствии таких источников азота, как N^N(>3, N^0, (N^4)2804. в этих условиях в конце опыта наблюдались более низкие значения рН и более высокие показатели титруемой кислотности. Аналогичная закономерность роста А.п 'щег 4 получена в присутствии каолинит-бемитового боксита.

Таблица 6.

Рост А.п'^ег 4 в присутствии и без каолинит-гиббситового боксита. (7 суток).

Источник РН Биомасса, Общая тит-

азота, исходный конечный г/л руемая кис-

(Ы - 0,22 г/л) лотность

£N03 6,48/6,18 3,60/1,97 2,9/1,9 0,07/0,136

ШМ03 6,28/6,20 3,40/1,90 3,15/3,0 0,08/0,142

ЫН41ЧОз 6,26/6,00 2,95/1,77 3,50/4,90 0,08/0,128

ЫН4С1 6,32/6,04 2,35/1,90 3,70/4,90 0,120/0,093

(>Ш4)2504 6,36/6,06 2,50/1,70 2,65/3,45 0,140/0,107

мочевина 6,45/6,26 2,50/1,60 2,80/2,70 0,100/0,108

Примечание: в числителе - с бокситом, в знаменателе - без боксита. Титруемую кислотность определяли после регенерации органических кислот на ионите.

Очевидно, что бокситы в определенной степени подавляют рост и развитие А.п^ег 4. Анализ органических кислот в культуральной жидкости показал, что они на 95% представлены лимонной и щавелевой кислотами. В этой смеси доминировала лимонная кислота (70-75%).

Микробное фракционирование минералов в бокситах и их обескремнивание

Особенности роста В.тисИаетознз. Выше были рассмотрены процессы, в основе которых лежит микробное растворение отдельных минералов бокситов или их деструктирование. Однако нами было замечено, что некоторые слизеобразующие бактерии способны селективно отделять силикатные минералы, с чем связано повышение кремниевого модуля боксита. Для изучения этого процесса использовали известный микроорганизм, В.тисИактони, характеризующийся образованием экзополисахаридов. Поскольку в литературе до последнего времени приписывают этому организму способность в автотрофных условиях использовать энергию разрушения кристаллических решеток силикатов (Яхонтова и др., 1983 г.), прежде всего был изучен уровень фиксации 14С02- Показано, что независимо от варианта опыта уровень фиксации ]''С02 был низким (0,7-1,8%) и не превышал известный для гетеротрофных бактерий.

Рост В.тис/^шотз происходил только в вариантах с глюкозой независимо от наличия и отсутствия минерального субстрата. Однако, в присутствии боксита и кварца в вариантах с глюкозой наблюдался больший прирост биомассы бактерий, что связано с поддержанием рН в пределах, близких к оптимальным. В этом случае возрастала и вязкость среды, что свидетельствует об активном синтезе полисахаридов.

Обескремнивание бокситов. Положительные результаты по обескремниванию под действием Л./л»c/7flgшoí/u получены на нескольких типах бокситов. Возникает вопрос, почему не все типы бокситов подвергаются обескремниванию. Проведенные исследования показали, что происходит обескремнивание только бокситов, в которых каолинит связан с тонкой фракцией. В результате повышения вязкости среды, вызванного бактериальными экзополисахаридами, эта фракция отделяется. Химический анализ фракций показал, что каолинит-гиббситовый боксит, подвергающийся обогащению, содержит в твердом остатке 9,2% БЮз, а тонкая фракция, отделенная с жидкой фазой, наоборот, обогащена БЮг (22,7%). Это привело к увеличению кремниевого модуля остатка с 2,49 до 4,65.

Увеличение продолжительности воздействия B.mucilaginosiis с 7 до 2S суток позволило повысить кремниевый модуль твердого остатка с 2,10 до 6,51. Рентгенофазовый анализ подтвердил уменьшение содержания каолинита в твердом остатке. Высота пиков, характерных для каолинита, 7,00Л°; 3,58А°; 1,49А° уменьшается с 11,7% до 5%; с 14% до 6% и с 6% до 2% соответственно (рис.5)

Чтобы оценить, насколько данный способ, основанный на отмучива-нии тонкой фракции бокситов, применим для обескремнивания других типов бокситов были проведены эксперименты с 10 образцами бокситов. Кремниевый модуль во всех случаях, кроме каолинит-гиббеитового боксита, не повышался. Msi каолннит-гиббеитового боксита возрастал с 2,49 до 5,04.

Чтобы понять причины микробного фракционирования минералов в бокситах, был проведен их гранулометрический анализ и определен кремниевый модуль различных классов крупности каолннит-гиббеитового и шамозит-бемитового бокситов.

Использованные в эксперименте бокситы различаются по распределению величин Ms; по классам крупности. В исходном каолнниг-гиббеитовом боксите наибольший кремниевый модуль (Msi = 6,76) приурочен к самому крупному классу (>0,25 мм) и резко уменьшается в более тонких классах. Поскольку тонкие классы удаляются с экзополнеахарида-ми, становится понятной и причина обогащения по AI^Oj остатка. В исходном шамозит-бемитовом боксите наибольший кремниевый модуль ( Ms, =6,8) отмечается в самом тонком классе крупности бокситов (< 0,005 мм) и резко снижается в более крупных классах. В результате воздействия B.mucilaginosiis происходит снижение содержания AI2O3 в остатке, а следовательно, и снижение М$| . Исходя из этого, мы пришли к заключению, что в основе механизма обескремнивания бокситов с помощью бактерий B.mucilaginosiis и их метаболитов лежит не процесс растворения каолинитов, а процесс отделения тонких фракций бокситов, обогащенных кремнеземом.

4,83

4,83

Рие.5. Участки дифрактограммы исходного (I) и обработанного Н.тисПах'шо$и$ (II) боксита.

Данный механизм обескремнивания не является специфическим и характерным только для В.тиа^тоиа. Он приемлем и для других культур, продуцирующих экзополисахариды. Повышение также происходит и при использовании препаратов экзополисахаридов, предоставленных нам производственным объединением "Энзим" (г. Ладыжин, Украина). При относительной вязкости р=2,6 во всех вариантах М^ возрастает с 2,8 до 3,5-3,94.

Проведенные исследования позволили выявить по крайней мере три механизма микробной трансформации минералов бокситов:

а. Растворение минералов бокситов широким кругом микроорганизмов. Специфичность процессов и активность растворения минералов зависят от родовых, видовых и штаммовых особенностей микроорганизмов, а также от типа минералов в бокситах.

б. Деструкция алюмогетита в бокситах, что позволяет при последующем автоклавном процессе увеличить выход в алюминатный раствор ЛЬО) и ванадия. Это имеет важное технологическое значение.

в. Фракционирование минералов в бокситах экзополисахаридами, что позволяет селективно отделить тонкие фракции, содержащие кремнезем, и повысить качество некоторых бокситов.

Последние два процесса могут представлять практический интерес в комбинации с традиционной технологией переработки бокситов.

ВЫВОДЫ.

1. Дана микробиологическая характеристика различного типа бокситов и выявлено большое разнообразие микроорганизмов, представленных бактериями, дрожжами и грибами.

2. Проведено сравнительное изучение активности растворения минералов различного типа бокситов и выноса А1 и Ре микроорганизмами (микрогрибами, дрожжами, автотрофными и гетеротрофными бактериями). Показано, что наиболее активно растворяют минералы бокситов некоторые штаммы микрогрибов. Менее активными были дрожжи и затем бактерии. Основную роль в растворении минералов играют органические кислоты, особенно лимонная кислота, содержание которой в культуральной жидкости Л.ш^ег достигало 75% от суммы органических кислот.

3. Показано, что вынос 51, А1 и Ре из бокситов под воздействием A.niger 4 зависит от типа минералов, их составляющих. Кремний наиболее активно выносится из шамозит-диаспорового и каолинит-бемитового бокситов Среднего Тимана, содержащих сравнительно легко растворимый минерал шамозит. Железо наиболее активно выносится из бокситов, содержащих сидерит, и из некоторых типов бокситов, содержащих гетит и гематит. Вынос алюминия из бокситов относительно слабый и определяется степенью деструктированности соответствующих минералов (бемит, гиббсит, диаспор).

4. Впервые изучена роль различных групп микроорганизмов в деструкции алюмогетита и алюмогематита в бокситах. Показано, что после обработки боксита микроорганизмами и последующего автоклавного вы-

щелачнвашш по способу Байера выход AI2O3 в раствор возрастал на 3,6% и достигал 97%, a V2O5 - на 47%. Более активным в деструкции алюмогетита был A.pullulans, образующий как экзополисахариды, так и органические кислоты.

$. Показано, что микроорганизмы, образующие полисахариды, как и препараты микробных полисахаридов, способны селективно извлекать тонкие фракции силикатных минералов из определенных типов бокситов, что приводит к увеличению кремниевого модуля и повышению качества бокситов.

(¡. Выявлено по крайней мере три механизма микробного воздействия па минералы бокситов, а именно: растворение, деструкция и фракционирование частиц кремнезема. Последние два механизма являются перспективными для обогащения бокситов.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Огурцова J1.В., Каравайко Г.И., Авакян З.А., Кореневский A.A. Активность различных микроорганизмов в выносе элементов из боксита. // Микробиология, 1989, т.58, вып.6, с. 956-962.

2. Karavaiko G.I., Avakyan Z.A., Ogurtsova L.V., Safonova О.F. Microbiological processing of Bauxite. In: Bioliydronietallurgy: Proc.Int. Synip. Jackson Hole, Wyo. Aug. 13-18, 1989. Ed. J. Salley et al. - Ottawa: CANMET, 11989]. P.93-102.

3. Каравайко Г.И., Огурцова Jl.В., Авакян З.А. Кореневский A.A. Обогащение бокситов и сынныритов с помощью микроорганизмов. // Тезисы третьей национальной научно-технической конференции с международным участием "Технологические, технико-экономические и экологические проблемы биотехнологии". Пазаржик (Болгария), 2-4 ноября 1989.

4. Каравайко Г.И., Сафонова О.Ф., Михеева И.В., Авакян З.А., Огурцова Л.В. Возможности извлечения окиси алюминия из алюмогетитсодер-жащих бокситов с помощью микроорганизмов. // Тезисы третьей национальной научно-технической конференции с международным участием

"Технологические, технико-экономические и экологические проблемы биотехнологии". Пазаржик (Болгария), 2-4 ноября 1989, с 20.

5. Лвакян З.А., Огурцова J1.B., Каравайко Г.И., Слукин А.Д., Капустин Г.Р., Звездинская Л.В., Зиборова Т.А. Действие микроорганизмов на некоторые типы бокситов. // Тезисы годичной сессии минералогического общества "Прикладные и экологические аспекты минералогии". Звенигород, 19-21 марта 1990.

6. Каравайко Г.И., Огурцова Л .В., Сафонова О.Ф., Михеева И.В., Авакян З.А. Использование микроорганизмов для повышения извлечения алюминия из алюмогетитсодержащих бокситов // Цветные металлы, 1990, № 9, с. 54-56.

7. Каравайко Г.И., Авакян З.А., Огурцова Л.В., Сафонова О.Ф. Микробиологические процессы переработки бокситов. // Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Кислотные методы комплексной переработки алю-мосиликатного сырья". Апатиты, 8-10 октября 1990, с. 49.

8.Огурцова Л.В., Авакян З.А., Каравайко Г.И. Рост Bacillus mucilaginosus в автотрофных и гетеротрофных условиях. // Микробиология, 1991, т.60, вып.5, с.823-827.

9. Заявка № 4754637/13 от 25.10.1989 г. "Способ извлечения оксида алюминия и ванадия из алюмогетитсодержащих бокситов". Авакян З.А., Огурцова Л.В., Каравайко Г.И., Сафонова О.Ф., Кулина Л.Г., Зинкевич Ф.Д. (Положительное решение от 19.04.90).

10. Заявка № 4809274/13 от 27.03.1990 г.. "Способ сгущения красного шлама глиноземного производства". Сафонова О.Ф., Кулина Л.Г., Авакян З.А., Огурцова Л.В., Каравайко Г.И. (положительное решение от 27.09.90)

11. Заявка № 4872468/2 от 25.07.1990 г. "Способ обескремнивания бокситов". Каравайко Г.И., Огурцова Л.В., Авакян З.А., Сафонова О.Ф., Кореневский A.A. (положительное решение от 30.10.91).

(tyr