Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Технология биологического выщелачивания металлов из отходов горно-обогатительных производств

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Технология биологического выщелачивания металлов из отходов горно-обогатительных производств"

005061127

ЧЕТВЕРИКОВА ДАРЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 '-ЮН 2013

Щелково-2013

005061127

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Научные руководители: доктор биологических наук

[сйлищев Николай Николаевич! доктор биологических наук, профессор Логинов Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

Денисов Аркадий Алексеевич - кандидат технических наук, доктор биологических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ, Заслуженный деятель науки РФ, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» РАСХН, заведующий отделом производственной санитарии и охраны окружающей среды.

Чемерис Алексей Викторович - доктор биологических наук, профессор, ФГБУН Институт биохимии и генетики УНЦ РАН, заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Институт микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН

Защита состоится 21 июня 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.069.01 при ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» РАСХН по адресу: 141142, Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината, д.17, ВНИТИБ; тел./факс: 8(496)567-32-61, (347)235-62-47, e-mail: vnitibp@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» Россельхозакадемии

Автореферат разослан 18 мая 2013 г. и размещен на сайте ВНИТИБП Россельхозакадемии www.vnitib.ru и на официальном сайте ВАК http://www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь Фролов Юрий

диссертационного совета, кандидат Дмитриевич

биологических наук '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Биологическое выщелачивание является одним из современных способов переработки руд. Оно основано на способности микроорганизмов окислять сульфидные минералы с высвобождением металлов в раствор. Перспективность разработок в этой области связана с увеличением глубины переработки руд, привлечением новых ранее не использовавшихся типов сырья, экологической безопасностью создаваемых технологий. Извлечение целевых компонентов в жидкую фазу позволяет значительно уменьшить газообразные и пылевые выбросы в атмосферу. Подобные инновационные технологии совершенствуются отечественными и зарубежными исследователями и используются для переработки медно-цинковых руд в странах латинской Америки, Испании, США, Австралии, Китая, Казахстане, России (Варданян, Нагдалян, 2009; Кондратьева и др., 2012; Петухова и др., 2009; Фомченко, Бирюков, 2009; Dresher, 2004; Thomas et al., 2006; Zou et al., 2006).

Технология биологического выщелачивания может бьггь реализована в различных формах: чанового, кучного, подземного. Каждый из вариантов технологии имеет специфические области применения. Использование чанового выщелачивания может быть рентабельно для переработки богатых руд, рудных концентратов, в случаях, когда необходимо избежать контакта руды с окружающей природной средой. Подземным выщелачиванием металлы могут быть извлечены из бедных руд без их предварительной добычи. Кучное выщелачивание не требует больших капитальных вложений, просто в исполнении и может быть с успехом применено для переработки некондиционных руд и промышленных отходов.

В Башкирском Зауралье сосредоточена почти половина месторождений меди и треть месторождений цинка России. Экологическая обстановка здесь определяется деятельностью таких промышленных предприятий, как ОАО «Учалинский горнообогатительный комбинат» и его Сибайский филиал, ЗАО «Бурибаевский горнообогатительный комбинат», ООО «Башкирская медь», которые расположены в

бассейне реки Урал - магистральной реки Зауралья.

Особую опасность представляют флотационные отвалы и отвалы отработанных месторождений, где происходит разрушение рудных минералов на поверхности некондиционной руды и вскрышных пород. При окислении сульфидов образуются растворимые соли железа, цинка, меди, кадмия, свинца, сульфат-ионы (Белан, 2005; Государственный доклад..., 2003; Кравчук и др., 2011; Семенова и др., 2011).

Отходы горнодобывающих предприятий являются техногенными объектами, которые в соответствии с существующим законодательством могут рассматриваться как потенциальный сырьевой ресурс. Однако такой вариант решения проблемы не вызывает интереса у коммерческих компаний из-за отсутствия эффективных, дешевых и простых в исполнении способов их переработки. Поэтому испытание нетрадиционных способов вторичной переработки отходов обогащения и создание на их основе новых технологий являются актуальными задачами. Их решение позволит использовать экологичные микробиологические методы в горнорудной промышленности региона.

Цель работы - разработка технологии биологического выщелачивания металлов из отходов обогащения сульфидных медно-цинковых руд горнообогатительных предприятий Южного Урала.

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать сообщества ацидофильных микроорганизмов различных экосистем на территории Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала, Бурибаевского горно-обогатительного комбината и Медногорского медно-серного комбината.

2. Выделить из отходов флотации, подотвальных вод и почв с территории горно-обогатительных предприятий микроорганизмы, способные к активному выщелачиванию цинка и меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд и изучить их свойства, важные для биогеотехнологии.

3. Разработать технологию биологического выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных руд в перколяционных установках.

Научная новизна. Выделены и изучены новые культуры микроорганизмов, включающие в себя штаммы АсШНЫоЬасШш ferrooxidans и РеггорЬхта 5р., с высокой биовыщелачивающей активностью. Показано, что бинарные культуры, включающие в себя представителей родов АШШоЪасИЫ и РеггорЫта способны к более эффективному выщелачиванию металлов из отходов флотации сульфидных руд по сравнению с индивидуальными штаммами. Для них характерна высокая устойчивость к ионам цинка, меди, никеля, кобальта и марганца.

Впервые разработана биологическая технология извлечения цинка и меди из отходов обогащения медно-цинковых руд в перколяционных установках с использованием культур, состоящих из штаммов АсШМоЬасШш /еггоох1с1апз и РеггорЫта «р.

Практическая значимость. Выделены культуры бактерий, предназначенные для промышленного выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд.

Подобраны основные технологические параметры извлечения цинка и меди из отходов флотационного обогащения руд Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала и Бурибаевского горно-обогатительного комбината в перколяционных установках.

Совместно с предприятием ЗАО НПП «Биомедхим» разработан и утвержден технологический регламент биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения в перколяционной установке, проведены опытно-промышленные испытания, на основании которых получен акт о внедрении результатов научно-исследовательских работ. Разработанная технология рекомендована для внедрения на горно-обогатительных предприятиях Урала.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Иркутск, 2009), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), XVII, XVIII, XIX Международных молодежных научных, конференциях студентов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011, 2012)14-ой Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2010), Международной научной конференции «Биотехнология начала III тысячелетия» (Саранск, 2010), V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), VII молодежной школе-конференции с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии (Москва, 2011), VI Всероссийской научной INTERNET-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био-и органической химии и биотехнологии» (Уфа, 2011), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и химии» (Пущино, 2012), Молодежный конвент предпринимательства и инноватики (Уфа, 2012), И Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с

международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013).

Конкурсная поддержка работы. Исследования поддержаны грантом Фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере «Разработка технологии биологического выщелачивания цветных металлов из отходов флотационного обогащения сульфидных руд» (Государственный контракт № 8370/13979 от 29.04.2011 г.) по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для соискателей ученой степени кандидата биологических наук.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 166 страницах, содержит 38 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 173 наименований, из них 93 на русском языке.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.б.н., профессору Логинову О.Н. Свою глубокую благодарность за постоянное внимание и консультации автор выражает к.б.н. Бакаевой М.Д. и д.б.н. Четверикову С.П., за ценные замечания при написании диссертации Коршуновой Т.Ю. Автор искренне благодарит всех сотрудников лаборатории биологически активных веществ Института биологии УНЦ РАН за постоянную поддержку при выполнении работы.

Особую признательность и благодарность автор выражает безвременно ушедшему из жизни первому научному руководителю д.б.н. Силищеву H.H. за идейное вдохновение, ценные советы и научно-методическое руководство.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследований служили отходы флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд из отвалов обогащения следующих горнообогатительных комбинатов (ГОК): Учалинского (с содержанием 2,53 г/кг цинка и 2,07 г/кг меди), его Сибайского филиала (1,88 г/кг цинка и 1,7 г/кг меди), Бурибаевского (1,97 г/кг цинка и 1,72 г/кг меди) и Медногорского медно-серного комбината (1,31 г/кг цинка и 2,37 г/кг меди).

Накопительные культуры микроорганизмов были получены из образцов подотвальных вод, почв и отходов флотации после обогащения их элементарной серой и сульфатом железа (II).

Для культивирования железобактерий использовали питательные среду 9К и среду DSM 882, рекомендованную на сайте German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (www.dsmz.ru). При культивировании миксотрофов в среду добавляли 0,02% дрожжевого экстракта. Сероокисляющие автотрофы культивировали на среде Ваксмана, гетеротрофные ацидотолерантные микроорганизмы — на среде Чапека. Численность бактерий определяли в серии предельных разведений на жидкой питательной среде в шестикратной повторности, титр вычисляли по таблицам Мак-Креди. Чистоту культур определяли посевом на твердые питательные среды 9К и DSM 882 на основе силикагеля (Практикум по микробиологии, 2005; Биогеотехнология металлов, 1989).

Морфологию микроорганизмов определяли с использованием светового микроскопа МИКОМЕД - 6 (ОАО «ЛОМО», Россия).

Для изучения субстратной специфичности выделенных штаммов их культивировали в колбах Эрленмейера на 250 мл при 25°С на питательных средах 9К и DSM 882 с добавлением следующих субстратов (г/л): FeS04 - 20, элементарной серы - 5, MnS04 - 20, дрожжевого экстракта - 0,2, пептона - 10 и глюкозы - 10. Влияние засоления, pH, ионов Cu2+, Zn2+, Mn2\ Ni2+ и Со2+ на штаммы бактерий оценивалось в процессе их культивирования на среде 9К с железом и дополнительным внесением хлорида натрия, серной кислоты или сульфатов металлов. Воздействие ампициллина на микроорганизмы изучали, добавляя его в питательную среду DSM 882 для их культивирования в количестве 100 мкг/мл.

Предварительную идентификацию выделенных штаммов микроорганизмов проводили на основании их морфологии и физиолого-биохимических свойств (Определитель бактерий Берджи, 1997; Dopson et al., 2004).

Способность культур микроорганизмов к биологическому выщелачиванию отходов исследовали в лабораторных условиях: 100 г руды смешивали с 500 мл солевой основы среды 9К и 1 мл инокулята бактерий с титром (2-6)-106 клеток/мл. Параллельно, в качестве контроля, были поставлены варианты опыта, стерильность которых поддерживалась добавлением 20 мл формальдегида. Пульпу выдерживали в течение 21 суток в термостате при 30°С для мезофильных и при 50-55°С для умеренно термофильных микроорганизмов. Повторность опыта четырехкратная.

Выщелачивание отходов ассоциациями сероокисляющих и железоокисляющих бактерий проводили при тех же условиях. Ассоциации были

g

составлены из железоокисляющих бактерий и сероокисляющих бактерий видов Acidithiobacillus thiooxidans или Acidithiobacillus aïbertensis.

Кислотное выщелачивание было проведено в стеклянных сосудах емкостью 100 мл серной кислотой с концентрацией 0,3%, 1%, 3% и 30% при температуре 30°С.

Перколяционная установка представляла собой набор колонок, в которые помещалась отработанная руда (по 5000 г в каждую). Через них пассивно фильтровался выщелачивающий раствор. Опыты на перколяционной установке были поставлены в двух режимах: «затопления» - когда скорость подачи раствора обеспечивала постоянное нахождение руды под слоем жидкости, и «смачивания» - с меньшей скоростью подачи раствора, приводящей лишь к смачиванию руды. Другим варьируемым фактором было соотношение по массе твердой фазы и выщелачивающего раствора.

В периодически отбираемых пробах определяли содержание цинка, меди на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки AAS-3 («Carl Zeiss», Германия) или КВАНТ-2А (Россия), а железа - титрованием с ЭДТА.

Статистическую обработку полученных данных проводили в компьютерной программе Microsoft Excel 2003 с использованием дополнительной функции «анализ данных». Оценка достоверности различий полученных совокупностей данных была выполнена с применением t-критерия Стьюдента при 5 % уровне значимости.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Биологическое разнообразие ацидофильных микроорганизмов в отвалах горно-обогатительных предприятий Урала

В процессе хранения отходов флотационного обогащения руд в отвалах горнообогатительных предприятий в них формируются селективные условия для развития разнообразных по составу сообществ ацидофильных микроорганизмов.

Для выявления местообитаний, перспективных для выделения активных штаммов и ассоциаций разрушающих рудные минералы бактерий, были произведены микробиологические посевы на питательных среды, селективные для автотрофных, миксотрофных и гетеротрофных ацидофильных микроорганизмов, из образцов отработанных руд, почв возле отвалов, оборотных флотационных и подотвальных вод.

Микроорганизмы не были обнаружены или сообщества были бедными в образцах воды из флотационных водоемов и отходах, пролежавших в отвалах менее

года. Более разнообразные сообщества были обнаружены в подотвальных водах, лежалых отходах и почвах. Их них были выделены автотрофные и миксотрофные микроорганизмы, окисляющие двухвалентное железо, серу, сульфидные минералы, а также гетеротрофные бактерии и микроскопические грибы (табл. 1).

Уже через год после отсыпки в отвалы во флотационных отходах обнаруживались продукты окисления: водные вытяжки содержали ионы меди, цинка, железа, сульфат-ионы и имели кислую реакцию среды. В большей части образцов, содержащих автотрофные микроорганизмы, показатель рН колебался от 1,3 до 3,5, т.е. был благоприятен для развития ацидофильных микроорганизмов. Исключение составляли образцы почв, отобранные возле отвалов. Несмотря на рН выше 3,5, в них обнаруживались ацидофильные микроорганизмы, по-видимому, попавшие в почвы вместе с вытекающей из отвалов водой. Поэтому примыкающие к отвалам почвы также являются перспективным источником для выделения окисляющих рудные минералы ацидофильных бактерий.

Выделение и фенотипическая характеристика новых штаммов микроорганизмов способных к окислению отходов флотации сульфидных руд

Из богатых бактериями образцов были выделены 44 культуры микроорганизмов, растущих при температуре 30°С, и 13 культур, растущих при температуре 50°С. Для дальнейших исследований из них было выбрано 11 культур мезофильных и 4 культуры умеренно термофильных микроорганизмов. Критерием выбора служила скорость роста на питательных средах, содержащих железо и сульфидные руды в качестве источников энергии.

Бинарные культуры ИБ 7 и ИБ 8 были представлены короткими палочками со средней длиной 0,8 мкм и шириной 0,5 мкм. Культуры ИБ 4, ИБ 5, ИБ 6, ИБ 10 содержали округлые клетки диаметром от 0,4 мкм до 0,8 мкм. При микроскопировании культур ИБ 15, ИБ 16, ИБ 17, ИБ 18 наблюдались палочки со средней длиной 1,2 мкм и шириной 0,6 мкм. Из смешанных культур ИБ 2, ИБ 11, ИБ 13, ИБ 14 путем варьирования рН питательной среды и включения; в ее состав антибиотиков и дрожжевого экстракта удалось выделить морфологически однородные культуры папочек, обозначенные как ИБ 2.1, ИБ 11.1, ИБ 13.1 и ИБ 14.1, и округлых клеток, которым были присвоены номера ИБ 2.2, ИБ 13.2, ИБ 14.2.

На основе культуральных признаков штаммы ИБ 2.1, ИБ 7, ИБ 8, ИБ 11.1, ИБ 13.1, ИБ 14.1 были идентифицированы как представители вида АЫсИШоЬасШш /'еггоох1<1ат, штаммы ИБ 2.2, ИБ 6, ИБ 13.2, ИБ 14.2 были отнесены к роду Реггор1азта умеренно термофильные штаммы - к роду Би^оЬасШиз яр. (табл. 2).

Таблица 1

Микробиологическая характеристика образцов, отобранных с территории горно-обогатительных комбинатов_

Место отбора проб Автотрофы Гетеротрофы Миксотрофы

Б" пирит Бактерии грибы 25°С 50°С

Учалинский ГОК Воды Оборотные - - - - - - -

Подотвальные (3,5±0,5)-104 (1,1 ±0,3)-10' (6,5±0,6)10* 5,7±0,4 (2,4±0,4)-10 + +

Отходы намытые в 2010 г. - - - - - - -

Почва у подножия отвалов (6,0±03)102 (6,5±0,6)105 (1,1±0,5)-102 (З,1±0,7)103 - + +

Сибайский филиал УГОК Подотвальные воды - (3,5±0,8)10 - (4,4±0,8)-10'г 6,2±0,5 + -

Отходы Свежие - - - - - - -

Лежалые (1,3±0,2)-10-! (1,7±0,5)-102 (1,1±0,3)10 - - - +

Почва у подножия отвалов (6,5±0,6)-104 (6,0±0,5)105 (1,1±0гЗ)102 - (1Д±0,3)105 - -

Бурибаевский ГОК Воды Оборотные 6,5±0Д (1,2±0,5)-10г (6,5±0,6)10 - - - -

Подотвальные (5,0±0,6)104 (1,4±0,3)104 - (3,б±0,5)-10' 5,5±0,7 + +

Отходы Свежие - - - - - - -

Лежалые (1,3±0,4)10 (2,0±0,4)-10г (1,7±0,5)10' (1,ад»,5)-ю (2,6±0,8)10г - +

Медногорский медно-серный комбинат Подотвальные воды 0,9±0,5 (3,0±0,7)10 - (2,6±0,9>10' (З,7±1,2)103 - +

Отходы лежалые (1,4^0,4)107 (6,0±0(3)105 (4,5±0,4)-104 - (7,6±0,9)10 + +

Примечание: Количество микроорганизмов в водах (клеток/мл) Количество микроорганизмов в почвах (клеток/г) «+»- микроорганизмы обнаружены «-»- микроорганизмы не обнаружены

Таблица 2

Признаки, использованные для предварительной идентификации микроорганизмов

Окисление субстратов NaCl

Микроорга- pH Amp. Таксономическая принадлежность

низмы FeJ+ S дрожж. глю- выше 1 %

экстракт коза

Культура 2 1,5-5 + + + + - + +

Штамм 2.1 1,5-5 + + - - - - - АсШИюЬасШт /еггоох'^ат

Штамм 2.2 1,5-3 + + + + - + + РеггорЫта 5р.

Культура 4 1,5-5 + + - - - • не идентифицирована

Культура 5 1,5-5 + + - - - - + не идентифицирована

Штамм 6 1,5-3 + + + + - + + Реггор1сита зр.

Штамм 7 1,5-5 + + - - - - А ШМоЬасШш /еггоох1ёага

Штамм 8 1,5-5 + + - - - - Аас1ИЫоЬасШт регтох1с1ап.<;

Культура 9 1,5-5 + + - - - не идентифицирована

Культура 10 1,5-5 + + - + - - не идентифицирована

Культура 11 1,5-5 + + + + - - Аас1ШоЬасШи5 /еггоох1с!а№+ не

идентифицированная бактерия

Культура 13 1,5-5 + + + + - + +

Штамм 13.1 1,5-5 + + - - - - - АсШЫоЬасШш /еггоох'^апь

Штамм 13.2 1,5-3 + + + + - + + ЕеггорЫта йр.

Культура 14 1,5-5 + + + + - + +

Штамм 14.1 1,5-5 + + - - - - АсиИМоЬасШш /еггоохМат

Штамм 14.2 1,5-3 + + + + - + . + Реггор1азта яр.

Штаммы 15-18 1,5-5,5 + + - + + - - БШ/оЬасШиз зр.

Примечание: Amp.- способность расти в присутствии ампициллина, 100 мкг/мл «+»-микроорганизмы обнаружены 2 <{->•- микроорганизмы не обнаружены

Микроорганизмы, предназначенные для биовыщелачивания цветных металлов из отработанных руд, должны обладать устойчивостью к действию ионов этих металлов. В Уральском регионе широко представлены полиметаллические сульфидные руды. Поэтому в задачи работы входила проверка перспективных культур на их устойчивость к ионам ряда цветных металлов: цинка, меди, марганца, кобальта и никеля.

Большая часть из использованных культур ацидофильных микроорганизмов были способны расти в питательной среде с ионам меди, цинка, марганца, кобальта и никеля (рис.1). Устойчивость к ионам цветных металлов, очевидно, объясняется адаптацией микроорганизмов, возникшей в процессе их длительного обитания в отвалах отработанных руд. Выборочной толерантностью к одному или нескольким металлам обладали штаммы ИБ 4, ИБ 5, ИБ 7, ИБ 8, ИБ 9, ИБ 10. Не было обнаружено зависимости между спектром металлов, к которым проявляют устойчивость эти штаммы, и их видовой принадлежностью. Устойчивость к ионам всем пяти металлов была характерна для штамма Регггор1аэта хр. ИБ 6 и бинарных культур ИБ 2, ИБ 11, ИБ 13, ИБ 14. Последнее обстоятельство является, несомненно, преимуществом выбранных культур как микроорганизмов для промышленного биовыщелачивания цветных металлов.

железоокисляющих бактерий

Исследование способности новых штаммов ацидофильных литоавтотрофиых микроорганизмов к биологическому выщелачиванию отходов флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд

Штаммы, виды и сообщества микроорганизмов могут по разному проявлять себя в процессе биовыщелачивания. Поэтому актуальной задачей является сравнение по важным для биогеотехнологии признакам как штаммов,

принадлежащих к разным видам, так и штаммов одного вида, а также устойчивых ассоциаций из представителей разных таксономических групп (рис. 2).

Некоторые микробные культуры (ИБ 4, ИБ 5, ИБ 8, ИБ 10, ИБ 11, ИБ 13, ИБ 15) проявили себя лучше лишь при выщелачивании флотационных отходов конкретных комбинатов. По-видимому, преимущество тех или инь!х микробных культур, наблюдаемое .при биологическом выщелачивании флотационных отходов разного происхождения, : связано с различиями в химическом и минералогическом составе руд. , ;

Из протестированных микробных культур выделялись ИБ 2 и ИБ 14, проявившие способности к активному выщелачиванию как меди, так и цинка из использованных в качестве субстрата отходов обогащения. По-видимому, бинарные культуры по сравнению с монокультурами обладали более широким спектром экологических возможностей и поэтому более эффективно запускали процесс биовыщелачивания.

Альтернативой биотехнологическому способу окисления сульфидных руд является их химическое выщелачивание в растворах кислот. Данный подход, как правило, требует использования кислоты в гораздо большей концентрации, чем при применении микроорганизмов. Для сравнения эффективности биологического и химического процессов, в лабораторных условиях было проведено выщелачивание флотационных отходов серией водных растворов серной кислоты с концентрацией 0,3%, 1%, 3% и 30% при 30°С. Под воздействией серной кислоты из отходов Учалинского ГОК в раствор перешло в среднем 12,5 % цинка и 13% меди, а из отходов его Сибайского филиала - от 37% до 45% цинка и от 31% до 41% меди, что значительно ниже показателей биологического выщелачивания.

Биологическое выщелачивание сульфидных руд представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в котором высвобождение металлов в раствор сопровождается последовательным окислением содержащейся в минералах сульфидной серы до элементарной серы и сульфатов. Отдельные реакции могут осуществляться как одним видом микроорганизмов, обладающим универсальным набором ферментов, так и ассоциацией из нескольких более специализированных видов. Поэтому была изучена возможность взаимодействия культур железоокисляющих бактерий с бактериями, специализирующимися на окислении серы, в процессе выщелачивания отходов флотации Учалинского ГОК и его Сибайского филиала. Для этого был поставлен эксперимент, в котором для биовыщелачивания отходов флотации использованы ассоциации, составленные из одного штамма или бинарной культуры железобактерий и одного штамма серобактерий (рис. 3).

Рис. 2. Кислотное выщелачивание (А, В) и биовыщелаивание активными культурами микроорганизмов цинка и меди из отходов обогащения Учалинского ГОК (А), его Сибайского филиала (В), Ьурибасвского ГОК (Б) и Мсдногорского МСК (Г)

ю железобактерии 1 п железсбасгерии 2 Б серобактерии 2

ИБ2 ИБ8 ИБ 10 ИБ 11 ИБП Культуры

ИБ 2 ИБ 8 ИБ 10 ИБ11 ИБ14 Культуры

[и цинк 1 а цинк 2 ■ медь 1 в медь 2 |

Рис. 3. Биологическое выщелачивание флотационных отходов Учалинского ГОК культурами железобактерий (1) и их ассоциацией с серобактериями АЫсИМоЬасШш Мох1с1ат (2)

Принципиальных преимуществ от использования ассоциаций железо- и сероокисляющих штаммов для биологического выщелачивания отходов флотации Учалинского горно-обогатительного комбината и его Сибайского филиала по сравнению с предложенными ранее культурами железоокисляющих бактерий обнаружено не было, несмотря на высокую численность автотрофных бактерий в пульпе выщелачивания.

Полученные результаты позволяют рекомендовать биологическое выщелачивание с участием выделенных активных культур микроорганизмов как эффективный и перспективный способ извлечения цинка и меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд.

Разработка технологии биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд в перколяционной установке

Тенденцией современных российских исследований в области биогеотехнологии является разработка многостадийных схем чанового выщелачивания руд и рудных концентратов, с подбором благоприятных условий на каждой стадии технологического процесса. Предлагаемый подход, по-видимому, имеет ограниченное применение в отношении отвалов обогащения руд. Из-за невысокого содержания целевых компонентов предпочтительнее перерабатывать их более дешевыми методами кучного выщелачивания, позволяющими минимизировать затраты на перемещение и механическое перемешивание отработанной руды.

Выщелачивание руды в перколяционных установках позволяет изучать процесс биологического окисления в режиме фильтрации раствора через руду, а также является ближайшим аналогом технологий кучного выщелачивания руд.

Для моделирования процесса биовыщелачивания на лабораторной перколяционной установке (рис. 4) была выбрана бинарная культура ИБ 2. Опыты были поставлены в двух режимах: «затопления», когда скорость подачи раствора обеспечивала постоянное нахождение руды под слоем жидкости, и «смачивания» с меньшей скоростью подачи раствора, приводящей лишь к смачиванию руды. Другим варьируемым фактором было соотношение массы твердой фазы и выщелачивающего раствора (табл. 3).

Дозатор

Колонка перколятора

Пробоотборник

Насос ^^

Слив

Рис. 4. Принципиальная схема биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения в перколяционной установке

Е-1 - емкость для сбора жидкости; Е-2 - емкость для отбора проб

ТаблицаЗ

Варианты опыта биологического выщелачивания отходов флотации в

Вариант Режим (доля от общего объема раствора за 1 сутки) Соотношение фаз твердая: жидкая

I 1:2

II Затопление (1/3) 1:3,5

III 1:5

IV 1:2

V " Смачивание (1/9) 1:3,5

VI 1:5

При биологическом выщелачивании отходов флотации Учалинского ГОК в варианте опыта III с максимальной из выбранных скоростей фильтрации и объеме выщелачивающего раствора были получены наилучшие результаты. За 21 сутки удалось извлечь 63,5% цинка и 27,1% меди (рис. 5А, 5В). Динамика численности железоокисляющих бактерий соответствовала динамике выделения цветных металлов в раствор. Быстрее всего размножение бактерий происходило в варианте опыта III, медленнее всего в варианте опыта IV.

Для исследования возможности ускорения процесса был поставлен опыт, отличающийся от описанного выше тем, что после загрузки отработанной руды в перколяционные колонки до внесения микроорганизмов проводилось предварительное подкисление отхода раствором 1 %-ой серной кислоты.

Анализ полученных данных позволяет заключить, что обработка отхода серной кислотой на первой стадии выщелачивания позволяет ускорить выход цветных металлов на следующей стадии процесса во всех вариантах опыта. После обработки бактериями наиболее интенсивно процессы извлечения металлов протекали в течении 10-13 суток опыта, после чего скорость перехода цинка и меди в раствор падала (рис. 5Б, 5Г). Положительное влияние подкисления отходов особенно заметно было в вариантах опыта IV - VI, так как в опыте без предварительного подкисления в них не устанавливалась благоприятная для биологического выщелачивания кислотность среды. Общее количество извлеченной меди и цинка было выше в вариантах опыта III и VI. Внесенные в технологию изменения, прежде всего, положительно сказывались на выделении в раствор ионов меди и, в меньшей степени, на выделение в раствор ионов цинка. Это связано с тем, что соли цинка лучше растворимы в средах с нейтральным значением рН, чем соли меди. Подкисление отходов до внесения в установку бактерий создавало благоприятные условия для их размножения. К 13 суткам эксперимента их численность приближалась к максимуму и была выше, чем в перколяционных установках без подкисления (табл. 4).

Таблица 4

Численность железоокисляющих бактерий в растворах биологического выщелачивания отходов обогащения после их предварительного подкисления_

Сроки отбора проб, сутки Численность железоокисляющих бактерий в варианте, клеток/мл

I III IV VI

3 - (1,3±0,6)10 2,5±0,3 _

7 (6,5±0,7)-102 (8,2±0,7)-102 (6,0±0,6)103 (3,5±0,5)-10

10 (5,0±0,4)-106 (2,5±0,3)-106 (8,2±0,5)105 (6,5±0,3)103

13 (5,5±0,2)-Ю10 (3,5±0,1)108 (5,5±0,2)108 (6,0±0,5)-Ю10

16 (8,2±0,1)1010 (2,0±0,3)10'° (5,0±0,4)-1010 (1,3±0,1)-10и

21 (1,3±0,2)10м (6,5±0,6)-1010 (2,0±0,5)-10'° (1,7±0,6)-10"

А

В

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 о

3 7 10 13 16 21

Срок инкубации,сутки

600

к

1 500 х"

Э 400

х 300 «

I 200

х ф

? 100 о

х.

0

7 10 13 16 21 Срок инкубации,сутки

Рис. 5. Биологическое выщелачивание цинка (А, Б) и меди (В, Г) из отхода Учалинского ГОК в перколяционной установке без закисления отхода (А, В) и с его предварительным закислением (Б, Г) в вариантах, представленных в табл. 3

Для интерпретации полученных данных была проанализирована динамика рН раствора на выходе из перколяционной колонки (рис. 6). Кислотность подаваемого в колонку раствора корректировалась путем добавления серной кислоты и поддерживалась на постоянном уровне (рН 1,8)- Однако после прохождения через колонку раствор подщелачивался, по-видимому, из-за наличия в отходе карбонатных соединений. Таким образом, наличие периода закисления руды тормозило размножение бактерий и выщелачивание металлов в раствор.

7 10 13 16 21

Срок инкубации, сутки

Рис. 6. Динамика кислотности растворов в процессе биовыщелачивания отходов флотации Учалинского ГОК в перколяционной установке в вариантах, представленных в табл. 3

Таким образом, проведение процесса биологического выщелачивания отходов Учалинского ГОК в перколяционных установках с использованием бинарной культуры ИБ 2 позволяло добиться степени извлечения 66,2% цинка и 40,3% меди, что сопоставимо с результатами лабораторных опытов в колбах с периодическим перемешиванием.

Аналогичный предыдущему опыт на установке, состоящей из колонок, был поставлен с отходами Сибайского филиала Учалинского ГОК и Бурибаевского ГОК (рис. 7).

Максимальный выход цинка был зарегистрирован в вариантах опыта, где масса руды относилась к массе выщелачивающего раствора как 1:5, независимо от скорости подачи раствора. В этих случаях из флотационных отходов Сибайского филиала Учалинского ГОК было извлечено 98% и 95% цинка, 89% и 86% меди, а из отходов Бурибаевского ГОК - 76% и 73% цинка, 77% и 73% меди. На протяжении эксперимента в жидкой фазе увеличивалась численность микроорганизмов и к 21 суткам достигала 109 - Ю10 клеток/мл в вариантах опыта с отходами Сибайского филиала Учалинского ГОК и 108 клеток/мл в вариантах с отходами Бурибаевского ГОК. Кислотность растворов выщелачивания на всем протяжении эксперимента

была стабильно низкой (рН 1,8), в связи с чем предварительного подкисления руды не требовалось.

А Б

Рис. 7. Биологическое выщелачивание цинка и меди из отхода Сибайского филиала Учалинского ГОК (А) и Бурибаевского ГОК (Б) в перколяционной установке в вариантах, представленных в табл. 3

Таким образом, выщелачивание отходов флотации Сибайского филиала Учалинского ГОК и Бурибаевского ГОК может быть успешно проведена в один этап с использованием бинарной культуры микроорганизмов. Для переработки флотационных отходов Учалинского ГОК более эффективна двухэтапная технология, включающая предварительную обработку 1%-ой серной кислотой, что обеспечивает стабилизацию рН выщелачивающего раствора, благоприятствует размножению окисляющих сульфиды бактерий, в результате чего ускоряется процесс выщелачивания и увеличивается степень извлечения металлов.

ВЫВОДЫ

1. На горно-обогатительных предприятиях Уральского региона в подотвальных водах, старых отвалах обогащения медно-цинковых руд и соприкасающихся с ними почвах сформировались ацидофильные сообщества сложного состава с высокой численностью автотрофных, гетеротрофных и миксотрофных микроорганизмов.

2. Мезофильные железоокислющие культуры ИБ 2 и ИБ 14, состоящие из двух штаммов АыЛЫМбЪасШш/еггоох1<1ап$ и РеггорШъта ер., и умеренно термофильный штамм 8и1/оЬасШиэ ^р. ИБ 15, идентифицированные на основании культуральных признаков, способны к более активному выщелачиванию отходов обогащения сульфидных медно-цинковых руд предприятий Уральского региона по сравнению с типовым штаммом вида АсЫНкюЬасШш /еггоох1<1апз и методом кислотного выщелачивания руд.

3. Культуры ИБ 2, ИБ 6, ИБ 13, ИБ 14, в которые входят представители рода

РеггорШта, устойчивы к ионам цинка в концентрации 60 - 65 г/л, меди - 12 - 16 г/л, марганца - 35 - 55 г/л, кобальта -10 - 22 г/л, никеля - 28 - 36 г/л.

4. Не обнаружено принципиальных преимуществ использования ассоциаций железо- и сероокисляющих микроорганизмов для биологического выщелачивания отходов флотации сульфидных медно-цинковых руд по сравнению с индивидуальными культурами железоокисляющих бактерий.

5. Разработана биотехнология, позволяющая в перколяционных установках извлечь из отходов флотации Учалинского горно-обогатительного комбината 66,2% цинка, 40,3% меди, ; его Сибайского филиала - 98% цинка, 89% меди и Бурибаевского горно-обогатительного комбината - 76% цинка, 84% меди. Основными ее параметрами являются соотношение твердой и жидкой фаз 1:5, скорость.: фильтрации, обеспечивающая «затопление» отхода. Для отходов Учалинского горно-обогатительного комбината эффективность технологии повышается после предварительной обработки отхода 1%-ой серной кислотой.

' Практические предложения

На основании проведенных исследований разработан для практики:

- Технологический регламент биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения в перколяционной установке, утвержденный директором ИБ УНЦРАН 15.02.2012 г.

На основании регламента проведены опытно-промышленные испытания различных вариантов технологии биологического выщелачивания отходов флотации Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала, Бурибаевского горно-обогатительного комбината подтвердили ее высокую эффективность. Получен акт о внедрении результатов научно-исследовательских работ в области бйогеотехнологии в ЗАО НПП «Биомедхим», утвержденный директором ЗАО НПП «Биомедхим»10.12.2012 г.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в.изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Силищев H.H., Четвериков С.П. Извлечение цветных металлов из отходов переработки сульфидных руд Уральского региона//Проблемы региональной экологии.-2010.-№6.-С. 102-106.

2. Бакаева М.Д., Черкасова (Четверикова) Д.В., Силищев H.H., Логинов О.Н., Четвериков С.П. Подбор эффективных штаммов микроорганизмов для применения в биогеотехнологии // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т. 13, № 5 (3). -С. 128-131.

3. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Силищев H.H. Использование новых штаммов ацидофильных бактерий для эффективного выщелачивания цветных металлов из отходов Медногорского медно-серного комбината // Экологические системы и приборы. -2011: - № 12.-С. 26-29.

4. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Силищев H.H., Логинов О.Н. Микробиологическая характеристика отвалов обогащения сульфидных медно-цинковых руд Уральского региона // Теоретическая и прикладная экология. - 2012. - № 3. - С. 57 -61.

5. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П., Логинов О.Н. Биологическое выщелачивание отходов флотации сульфидных медно-цинковых руд в перколяционной установке // Биотехнология. - 2012. - № 6. - С. 61 - 69.

Материалы и тезисы международных и всероссийских конгрессов и конференций

1. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П. Биологическое выщелачивание меди из отходов флотации Гайского горно-обогатительного комбината //Материалы Всероссийского симпозиума с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (24-27.12.2009 г., Москва). М.: МГУ, Биологический факультет. МАКС Пресс, 2009. - С. 199.

2. Бакаева М.Д., Столярова Е.А., Черкасова (Четверикова) Д.В. Испытание биогеотехнологии для выщелачивания полиметаллических сульфидных руд// Материалы Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Иркутск, 1-2 декабря 2009 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - С. 339 - 343.

3. Черкасова (Четверикова) Д.В. Извлечение цинка из отходов флотационного обогащения с помощью микроорганизмов //Материалы XVII Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2010». М.: МАКС Пресс, 2010. - С. 190-191.

4. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д. Сравнительная характеристика биологического и кислотного выщелачивания цинка из отходов горно-обогатительных производств // БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА: 14-я Пущинская международная школа-конференция молодых ученых, (Пущино, 19-23 апреля 2010 года). Сборник тезисов. С.298-299.

5. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д. Детоксикация отходов флотации сульфидных медно-цинковых руд в результате их бактериального выщелачивания // Биотехнология начала III тысячелетия: Сборник тезисов Международной научной конференции, (Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева, 26-28 мая 2010 г.) - Саранск, типография ООО «Мордовия - Экспо», 2010. - С. 88.

6. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Силищев H.H. Биологическое выщелачивание металлов из отходов флотации Сибайского филиала Учалинского горнообогатительного комбината и Медногорского медно-серного комбината // Труды Института биоресурсов и прикладной экологии. Вып. 9: V Всероссийская научно-практическая конференция «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (7-11.06.2010 г., г. Оренбург). Оренбург: Изд-во ОГПУ, 2010. - С. 152-154.

7. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д. Автотрофные и миксотрофные микроорганизмы на месте хранения отходов обогащения сульфидных медноцинковых руд //Материалы Всероссийского симпозиума с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (23-26.12.2010 г., Москва, МГУ). М.: МАКС Пресс, МГУ, Биологический факультет, 2010.-С. 114.

8. Черкасова (Четверикова) Д.В., Личманов A.A. Ацидофильные микроорганизмы отвалов флотационного обогащения руд // Материалы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ» (11-15.04.2011 г., Москва). М„ МГУ, 2011.-С. 188-189.

9. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П. Умеренно термофильные бактерии для извлечения цветных металлов // Актуальные аспекты современной микробиологии: VII молодежная школа-конференция с международным участием. 24-26 октября 2011 г. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 156-157. Ю.Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П. Биологическая и гидрометаллургическая технологии извлечения металлов из отходов флотации Учалинского горно-обогатительного комбината // Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии: Материалы VI Всероссийской научной INTERNET-конференции (9-25 декабря 2011г., Уфа, УГНТУ). Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 154-155.

П.Черкасова (Четверикова) Д.В., Гареева A.M. Влияние цветных металлов на штаммы литотрофных окисляющих железо бактерий // Тезисы докладов XIX Международной конференции студентов и молодых ученых «Ломоносов - 2012» (9-13 апреля 2012 г., Москва, МГУ). - М.:МАКС Пресс, 2012. - С. 180-181.

12. Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П. Определение параметров биологического выщелачивания отходов флотации сульфидных руд в перколяционной установке // Актуальные проблемы науки и техники. Сборник научных трудов IV Международной научно-практической конференции молодых ученых. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2012. - С.31-32.

13.Черкасова (Четверикова) Д.В., Бакаева М.Д., Четвериков С.П. Устойчивость штаммов литотрофных железоокисляющих бактерий к ионам цинка и меди // Тезисы докладов Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы химии и биологии» (30 июля - 3 августа 2012 г., г. Пущино). Пущино, 2012. - С. 50.

14. Четверикова Д.В., Четвериков С.П., Бакаева М.Д. Технологические условия биологического выщелачивания цинка из отходов Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината // Сборник научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (ВТСНТ-2013) (27-29 марта, г.Томск). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - Т. 2. -C.I48- 150.

/ о

Отпечатано с готовых диапозитивов в ООО «Принт+», заказ № 340, тираж 120. 450054, пр. Октября, 71.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Четверикова, Дарья Владимировна, Щёлково

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ УФИМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201358087

ЧЕТВЕРИКОВА ДАРЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени -кандидата- технических л ау к

Научные руководители:

доктор биологических наук Н.Н.Силищев

доктор биологических наук, профессор О.Н.Логинов

Щелково - 2013

15

28

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1.1 Влияние горнодобывающей промышленности на экологическую обстановку в Башкирском Зауралье

1.2 Разнообразие ацидофильных микроорганизмов в природных и техногенных экосистемах

1.3. Гидрометаллуригические технологии переработки рудного сырья

1.3.1 Физико-химические методы извлечения металлов из руд 28

1.3.2 Биогидрометаллургические технологии 33 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 42 2.1 Объекты исследований 42 2.2. Методы исследований 44

2.2.1 Питательные среды для культивирования

44

микроорганизмов

2.2.2 Определение численности микроорганизмов 44

2.2.3 Выделение активных в отношении выщелачивания отходов обогащения микроорганизмов

2.2.4. Определение культурально-биохимических признаков штаммов литоавтотрофных микроорганизмов

2.2.5. Идентификация микроорганизмов 46

2.2.6. Изучение способности микроорганизмов к выщелачиванию цинка и меди из отходов флотационного 46 обогащения сульфидных руд

2.2.7 Кислотное выщелачивание отходов флотационного обогащения сульфидных руд

2.2.8. Выщелачивание отходов флотационного обогащения сульфидных руд ассоциациями сероокисляющих и 47 железоокисляющих бактерий

45

45

47

2.2.9. Моделирование процесса биологического выщелачивания отходов обогащения в перколяционных установках

2.2.10 Определение химического состава проб

2.2.11. Определение фитотоксичности образцов отходов

флотационного обогащения руд

2.3. Статистическая обработка результатов 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Биологическое разнообразие ацидофильных микроорганизмов в отвалах горно-обогатительных предприятий Урала

3.2 Выделение и фенотипическая характеристика новых штаммов микроорганизмов способных к окислению отходов флотации сульфидных руд

3.2.1 Выделение культур ацидофильных литотрофных железоокисляющих микроорганизмов из техногенных экосистем

3.2.2 Изучение физиолого-биохимических свойств окисляющих железо микроорганизмов

3.2.3 Определение устойчивости штаммов железоокисляющих бактерий к ионам металлов

3.3 Исследование способности ацидофильных окисляющих железо бактерий к биологическому выщелачиванию отходов флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд

3.3.1. Выщелачивание металлов из отходов флотации Учалинского горно-обогатительного комбината

3.3.2. Выщелачивание металлов из отходов флотации Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината

95

3.3.3. Выщелачивание металлов из отходов флотации Бурибаевского горно-обогатительного комбината

3.3.4. Выщелачивание металлов из отходов Медногорского медно-серного комбината

3.4. Исследование способности умеренно термофильных бактерий к биологическому выщелачиванию отходов 100 флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд

3.5. Биологическое выщелачивание отходов флотационного обогащения ассоциацией новых штаммов железоокисляющих 112 бактерий с микроорганизмами, окисляющими серу.

3.6. Биологическое выщелачивание отходов флотации сульфидных медно-цинковых руд в перколяционной установке

3.6.1. Выщелачивание отходов Учалинского горнообогатительного комбината

3.6.2. Выщелачивание отходов Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината

3.6.3. Выщелачивание 'отходов Бурибаевского горнообогатительного комбината

3.7. Определение фитотоксичности отходов флотационного обогащения руд

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143

ВЫВОДЫ 145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 146

ПРИЛОЖЕНИЕ 166

120

122

131

136

140

ВВЕДЕНИЕ

Биологическое выщелачивание является одним из современных способов переработки руд. Оно основано на способности микроорганизмов окислять сульфидные минералы с высвобождением металлов в раствор. Перспективность разработок в этой области связана с увеличением глубины переработки руд, привлечением новых ранее не использовавшихся типов сырья, экологической безопасностью создаваемых технологий. Извлечение целевых компонентов в жидкую фазу позволяет значительно уменьшить газообразные и пылевые выбросы в атмосферу. Подобные инновационные технологии совершенствуются отечественными и зарубежными исследователями и используются для переработки медно-цинковых руд в странах латинской Америки, США, Австралии, Китая Казахстане, России (Варданян, Нагдалян, 2009; Кондратьева и др., 2012; Петухова и др., 2009; Фомченко, Бирюков, 2009; Dresher, 2004; Thomas et al., 2006; Zou et al., 2006).

Технология биологического выщелачивания может быть реализована в различных формах: чанового, кучного, подземного. Каждый из вариантов технологии имеет специфические области применения. Использование чанового выщелачивания может быть рентабельно для переработки богатых руд, рудных концентратов, в случаях, когда необходимо избежать контакта руды с окружающей природной средой. Подземным выщелачиванием металлы могут быть извлечены из бедных руд без их предварительной добычи. Кучное выщелачивание не требует больших капитальных вложений, просто в исполнении и может быть с успехом применено для переработки некондиционных руд и промышленных отходов.

В Башкирском Зауралье сосредоточена почти половина месторождений меди и треть месторождений цинка России. Экологическая обстановка здесь определяется деятельностью таких промышленных предприятий, как ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» и его Сибайский филиал, ЗАО «Бурибаевский горно-обогатительный комбинат», ООО «Башкирская медь», которые расположены в бассейне реки Урал - магистральной реки Зауралья. Эти предприятия загрязняют вредными веществами все сферы природной среды: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почву. Аэрогенное загрязнение вокруг горно-обогатительных комбинатов, как правило, распространяется на несколько километров, захватывая

территорию связанных с ними населенных пунктов и оказывая негативное влияние на состояние здоровья людей.

Особую опасность представляют старогодние флотационные отвалы и отвалы отработанных месторождений, где происходит разрушение рудных минералов на поверхности некондиционной руды и вскрышных пород. При окислении сульфидов образуются растворимые соли железа, цинка, меди, кадмия, свинца, сульфат-ионы (Белан, 2005; Государственный доклад..., 2003; Кравчук и др., 2011; Семенова и др., 2011).

Отходы горнодобывающих предприятий являются техногенными объектами, которые в соответствии с существующим законодательством могут рассматриваться как потенциальный сырьевой ресурс. Однако такой вариант решения проблемы не вызывает интереса у коммерческих компаний из-за отсутствия дешевых и простых в исполнении способов их переработки. Поэтому испытание нетрадиционных способов вторичной переработки отходов обогащения и создание на их основе новых технологий являются актуальными задачами. Их решение позволит использовать экологичные микробиологические методы в горнорудной промышленности региона.

Цель работы - разработка технологии биологического выщелачивания отходов обогащения сульфидных медно-цинковых руд горнообогатительных предприятий Южного Урала.

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать сообщества ацидофильных микроорганизмов различных экосистем на территории Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала, Бурибаевского горно-обогатительного комбината и Медногорского медно-серного комбината.

2. Выделить из отходов флотации, под отвальных вод и почв с территории горно-обогатительных предприятий микроорганизмы, способные к активному выщелачиванию цинка и меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд и изучить их свойства, важные для биогеотехнологии.

3. Разработать технологию биологического выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных руд в перколяционных установках.

Научная новизна. Выделены и изучены новые культуры микроорганизмов, включающие в себя штаммы АЫсИМоЬасШия /еггоох'к1ат и Ееггор1а8та яр., с высокой биовыщелачивающей активностью. Показано, что бинарные культуры, включающие в себя представителей родов АсгсИШоЬасШш и Ееггорклята способны к более эффективному выщелачиванию металлов из отходов флотации сульфидных руд по сравнению с индивидуальными штаммами. Для них характерна высокая устойчивость к ионам цинка, меди, никеля, кобальта и марганца.

Впервые разработана биологическая технология извлечения цинка и меди из отходов обогащения медно-цинковых руд в перколяционных установках с использованием культур, состоящих из штаммов Ас1сИШоЬасШш/еггоох1с1ат и Геггор1а^та

Практическая значимость. Выделены культуры бактерий, предназначенные для промышленного выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд.

Подобраны основные технологические параметры извлечения цинка и меди из отходов флотационного обогащения руд Учалинского горнообогатительного комбината, его Сибайского филиала и Бурибаевского горнообогатительного комбината в перколяционных установках.

Совместно с предприятием ЗАО НПП «Биомедхим» разработан и утвержден технологический регламент биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения в перколяционной установке, проведены опытно-промышленные испытания, на основании которых получен акт о внедрении результатов научно-исследовательских работ. Разработанная технология рекомендована для внедрения на горно-обогатительных предприятиях Урала.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горнометаллургической отрасли» (Иркутск, 2009), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), XVII, XVIII, XIX Международных молодежных научных конференциях студентов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011, 2012) 14-ой Пущинской

международной школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ -НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2010), Международной научной конференции «Биотехнология начала III тысячелетия» (Саранск, 2010), V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), VII молодежной школе-конференции с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии (Москва, 2011), VI Всероссийской научной ШТЕКЫЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии» (Уфа, 2011), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа 2012), Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и химии» (Пущино, 2012), Молодежном конвенте предпринимательства и инноватики (Уфа, 2012), II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013).

Конкурсная поддержка работы

Исследования поддержаны грантом Фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере «Разработка технологии биологического выщелачивания цветных металлов из отходов флотационного обогащения сульфидных руд» (Государственный контракт № 8370/13979 от 29.04.2011 г.) по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для соискателей ученой степени кандидата биологических наук.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 166 страницах, содержит 38 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 173 наименований, из них 93 на русском языке.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Влияние горнодобывающей промышленности на экологическую обстановку в Башкирском Зауралье

Наличие медно-колчеданных месторождений в рудных районах Башкирского Зауралья способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей промышленности, строительство предприятий в котором проводилось без должного учета экологических требований. Здесь расположен ряд колчеданных месторождений, эксплуатация которых приводит к загрязнению окружающей среды. Наибольшее техногенное воздействие на окружающую среду оказывают ОАО «Учалинский горнообогатительный комбинат» (УГОК), «Сибайский филиал Учалинского горнообогатительного комбината» (СФУГОК) (до 2006 г. ОАО «Башкирский медно-серный комбинат» (БМСК)), ЗАО «Бурибаевский горно-обогатительный комбинат» (БГОК), Семеновская (СЗИФ) и Тубинская золото-извлекательные фабрики (ТЗИФ).

Эксплуатация месторождений приводит к образованию специфического сернокислого техногенного ландшафта. Одной из основных причин нагрузки как на природную среду в целом, так и на геологическую в частности, является накопление отходов и сброс стоков (Семенова и др., 2011).

Отходы образуются на всех стадиях производственной деятельности рассматриваемых предприятий (рис. 1):

- твердые отходы добычи — внешние отвалы вскрышных, пустых пород и некондиционных руд;

- твердые отходы переработки — хвосты флотации руд и неликвидный пиритный концентрат;

- жидкие отходы добычи - рудничные и подотвальные воды;

- жидкие отходы обогащения - фильтрат хвостохранилищ;

- газопылевые выбросы, образующиеся при проведении буровзрывных работ, при дефляции с поверхности отвалов и хвостохранилищ, а также при переработке руд.

ЕЖЕГОДНЫЕ ОБЪЕМЫ ОТХОДОВ ПО РБ

Отходы предприятий минерально-сырьевого комплекса

Доля остальных отходов по республике

V

ДОЛЯ ОАО "УГОК" И ОАО "БМСК" В ОТХОДАХ ГОРНОРУДНОГО КОМПЛЕКСА

Остальные горнорудные предприятия

ОАО "БМСК"

ОАО "УГОК"

Рис. 1. Образование отходов горнорудными предприятиями Республики

Башкортостан

При массовых взрывах концентрация пыли в воздухе на расстоянии 1,5 км в течение часа составляет 6-10 мг/м\ Из такого облака в радиусе 2 - 4 км рассеивается от 200 до 500 т мелкодисперсной пыли, содержащей 93 - 99 % частиц размером менее 5 мкм. Интенсивность выпадения пыли достигает фоновых величин на расстоянии до 10 км и более. Сильные и частые ветры, весьма характерные для территории Зауралья, являются причиной мощной дефляции лежалой части материала с поверхности отвалов.

Одной из форм миграции токсикантов из техногенно-минеральных образований являются жидкие производственные отходы (карьерные и шахтные воды, подотвальные воды, жидкая фаза материала хвостохранилищ). Гипергенные изменения рудных минералов приводят к увеличению концентраций сульфат-иона, трехвалентного железа, что

определяет снижение рН этих вод и резкое увеличение их окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ) до +800 мВ.

В 2008 году общий объем водоотведения горнодобывающих и перерабатывающих предприятий Республики Башкортостан составил 11,57 млн. м (2,1% от общего объема по республике). Весь объем стоков относится к категории «загрязненные», в том числе без очистки сброшено 6,31 млн. м сточных вод (49,7% неочищенных стоков по республике). Сброс загрязняющих веществ составил 21,08 тыс. т/год (Ахметов, 2010).

Специфичными среди стоков горнорудного комплекса являются подотвальные воды: минерализация их нередко превышает минерализацию рудничных вод (до 320 г/дм"). Кроме приоритетных металлов Си, Хп, РЬ, Аб, 1-^ и др. (Кравчук и др., 2011), в подотвальных водах концентрируются редкие, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные элементы (уран, торий). Несмотря на невысокое содержание этих элементов в горных породах, процессы техногенеза приводят к их накоплению в сточных водах, в том числе токсикантов первого и второго классов опасности. В подотвальных

л

водах содержится (мг/дм ): литий - до 3,1; бериллий - до 0,13; скандий - до 6,3;галлий - до 0,1; иттрий - до 6,3; церий - до 2,2; лантан - до 0,9; кадмий -до 31,4; таллий - до 0,01; уран - до 1; торий - до 0,8 (Пучков и др., 2007); празеодим - от 0,0001 до 0,3; неодим - от 0,0002 до 0,6; самарий - от 0,0001 до 0,2; европий - от 0,0001 до 0,25; гадолиний - от 0,0002 до 0,4; тербий -