Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Тионовые бактерии золоторудных месторождений Приамурья и их использование в процессах выщелачивания золота

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Павлова, Людмила Михайловна, Благовещенск

'М-

Амурский комплексный научно-исследовательский институт

АНЦ ДВОРАН

На правах рукописи

ПАВЛОВА ЛЮДМИЛА МИХАЙЛОВНА

ТИОНОВЫЕ БАКТЕРИИ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИАМУРЬЯ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА

Специальность 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандитата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор В.Е. Васьковский доктор биологических наук В.В. Михайлов

Благовещенск -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Физико-химические свойства и нахождение золота в природе 10 12 Традиционные способы извлечения золота из руд и концентратов 15

1.3 Геохимическая деятельность микроорганизмов в рудных месторождениях 18

1.4 Участие микроорганизмов в процессах извлечению! золота 22

1.5 Морфологические, физиологические, биохимические свойства бактерий рода Thiobacilíus 29

1.6 Биохимические основы процесса бактериального выщелачивания металлов тионовыми бактериями 37

1.7 Влияние постоянного магнитного поля на физиологические и биохимические свойства микроорганизмов 39

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследований 41

2.2 Методы 49

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ГЛАВА 3. МИКРОФЛОРА ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

3.1 Микроорганизмы золоторудных месторождений 55

3.2 Морфологические, культуральные и физиолого-биохимические свойства тионовых бактерий, перспективных для использования в процессах выщелачивания золота 68

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ 84

4.1 Адаптация тионовых бактерий к концентратам разного состава 86

4.2 Зависимость извлечения золота от степени измельчения сырья и времени ведения процесса 93

ВЫВОДЫ 108

ЛИТЕРАТУРА ПО

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. На протяжении нескольких столетий человечество добывало металлы, и в частности золото, из богатых и относительно простых по химическому составу руд. В настоящее время, в связи с изменившейся структурой запасов сырья, в разработку вовлекают средние и мелкие месторождения, перерабатывают руды с низким содержанием ценного компонента и сложные по минералогическому составу (Седелыткова, 1996; Галич, 1998; Вартанян, 1998; Еремин и др., 1998; Леонов и др., 1998). Традиционные методы получения металлов из такого сырья не решают всех проблем, возникающих при его переработке. Требуются новые технологии, обеспечивающие экономически рациональное использование природных ресурсов и экологическую безопасность.

В их ряду методы бактериального выщелачивания занимают одно из ведущих мест (Attia et а!., 1985; Livesey-Gildblatt, 1986; Брайерли, 1988; Lindstrom et ah, 1992; Bailey, Hansford, 1993; Olson, 1994; Каравайко, 1996; Harvey, Crundwell, 1997; Седелышкова и др., 1997; Кязимов, 1998; Tebo et al1998). Принципы этого метода человеком используются давно. Так, например, еще в XYI в. в Венгрии, в Испании на руднике Рио-Тинто для получения меди добытую руду орошали водой (Moffat, 1994), И только в XX веке благодаря работам немецких ученых Рудольфа и Хельброннера (1922 г.) стало известно, что используемый процесс получения меди по своей природе является микробиологическим. Зародившись стихийно почти пять столетий назад биогеотехнология достигла своего расцвета только к началу 80-х годов нашего века, когда наряду с бактериальным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы геомикробиологии, такие как поиск нефтяных и газовых месторождений, повышение нефтеотдачи пластов, удаление <?еры из углей, борьба с

метаном в угольных шахтах, очистка стоков предприятий нефтяной, угольной, горнорудной промышленности.

Для извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород используют в основном хемолитотрофные сероокисляющие бактерии родов ThiobaciUus, Leptospiriltum, Sulfobaeillus, археи Acidanus, Sulfolobus (Каравайко и др., 1972; Kelly et al, 1979; Peters, 1986; Брайерли, 1988; Биогеотехнология, 1989; Iglesias, 1993; Burgstaller, Schinner, 1993; Tuovinen et al, 1994; Hugenholtz, Päse, 1996; Адамов й др., 1997).

С момента открытия в 1947 году А. Колмером и М. Хинклем (Colmer, Hinkle, 1947) автотрофной тионовой бактерии ThiobaciUus ferrooxiäans и ее уникальной способности получать энергию для собственной жизнедеятельности в результате окисления ионов двухвалентного железа и восстановленной серы мировое производство меди и урана с помощью бактерий поставлено на промышленную основу (Kelly et al, 1979; Keller et al., 1983; Rauf, 1983; Бруинстейн, 1985; Меразчиев и др., 1985; Peters, 1986; Hasra et al., 1992), Извлечение марганца в присутствии бактерий Acinetobacter calcoaceticus происходит в 10-20 раз эффективнее (Юрченко и др., 1987; Серебряная и др., 1989, 1995; Тогша, 1989; Zheng, 1994). Сообщается о бактериальном извлечении серебра из серебросодержащих руд (Ehrlich, 1985; Bioleaching, 1986, 1988; Аронишидзе, 1991; Пат 5283192). Широкое применение Т. ferrooxiäans нашли в производстве золота.

В балансе золотых запасов России весьма существенное значение имеют сульфидные руды (Крейтер и др., 1958). Содержание золота в них незначительно, но запасы такого "убогого" золота весьма значительны. Однако руды таких месторождений часто трудны для извлечения золота традиционными методами переработки. Их "упорность" обусловлена тонкой вкрапленностью золота в сульфидах, наличием активного

углеродистого вещества, а также мышьяка и сурьмы, осложняющих технологию обогащения и делающих неэффективным применение цианистого процесса. Такое, ассоциированное с сульфидными минералами, тонкодисперсное золото традиционными методами обогащения -гравитацией, флотацией, цианированием - извлекается не более, чем на 30% (Полькин, 1987; Масленицкий и др., 1987; Минеев, 1989). Кроме того, в процессе обогащения в концентрате увеличивается содержание окислов железа, серы и высокотоксичных мышьяка, сурьмы.

В литературе имеются сведения, что после предварительной бактериальной обработки суспензией бактерий Т. ferrooxidans "упорных" золотосульфидных концентратов, последующая экстракция золота тиомочевиной или цианидами повышает его выход до 90-95% (Hutchins et al, 1988; Gilbert et al., 1988; Shrestfaa, 1988; Brierley, Luinstra, 1993; Iglesias, Carranza, 1993; Кязимов, 1998; и др.).

Интенсивное внедрение биологических технологий в промышленное производство золота за рубежом началось еще в восьмидесятые годы. В ЮАР в 1986 году на предприятии Fairview Mine (Вarbeiten, Easten Transvaal) была введена в эксплуатацию первая промышленная установка по биоокислению золосодержащей руда производительностью 10 т/сутки с 95% извлечением золота (Lindstrom et al, 1992). В Канаде разработана полупромышленная установка с производительностью 0,5 т окисленного концентрата в сутки, после чего экстракция золота повышается с 5 до 90% (Olson, 1994). В Австралии (Harbor Lights Mine) работает 150-тонная установка, создается установка производительностью 720 т/сутки (Каравайко и др., 1996). Замена процесса отжига мышьяка из мышьяксодержащих золотоносных концентратов бактериальным выщелачиванием ведет к огромной экологической разгрузке. В ЮАР (Fairview Mine), Бразилии (Sao Bento Mine) работают технологические

установки по переработке концентратов с 5-10% содержанием мышьяка, 20% - серы. По данным компании Оепшп (ЮАР) биотехнологические методы планируется внедрить более, чем на 50 месторождениях. Эти и другие компании ведут активную политику внедрения биологических технологий извлечения золота на месторождениях Узбекистана, Казахстана, Таджикистана, России (Каравайко и др., 1996).

Наш интерес к извлечению золота из руд и концентратов под воздействием бактерий продиктован тем, что ресурсный потенциал Амурской области по золоту высок: в области выделено 13 золотоносных районов, При этом содержание золота в рудах составляет 52% от общероссийских запасов, а золота, находящегося в россыпях - 26,8% (Васильев, Полеванов, 1995). В настоящий момент уровень добычи золота составляет 9,7% от общероссийского в основном за счет разработки россыпных месторождений. За счет разработки коренных месторождений, за которыми специалисты признают будущее (Мельников, 1995), Амурская область может выйти на первое место в России.

Но руды этих месторождений часто очень тяжелы для добычи золота традиционными методами переработки. Так, например, по данным В.Г. Моисеенко и Л.В Эйриша (1996) руды Майского месторождения "упорные'1 угаеродсодержащие золото-мышьяковые. Их упорность обусловлена тонкой вкрапленностью золота в сульфидах, наличием активного углеродистого вещества, а также мышьяка и сурьмы, осложняющих технологию обогащения и делающих неэффективным применение традиционного цианистого процесса. Основная часть золота (более 70%) в первичных рудах ассоциирована с сульфидами.

По данным тех же авторов извлечение золота из золото-мышьяковых руд Учаминского месторождения (левобережье Нижнего Амура) амальгамированием составляет всего 3,4%, а цианированием - 61%.

Гравитационные методы не дали положительных результатов. Руда является "упорной", применение обычных методов обогащения удовлетворительных результатов не дает (Моисеенко, Эириш, 1996).

Методы биологического выщелачивания имеют преимущество перед другими технологиями за счет относительной экологической чистоты, простоты аппаратурного оформления, невысоких энерго- и стоимостных затрат. Поэтому исследования по извлечению золота из упорных золотосодержащих руд, концентратов биологическими методами с использованием бактерий Т./еггоохгёат перспективны.

Выделяемые из природных источников штаммы Т. /еггоох1с1<т$ различаются по активности окисления сульфидных минералов, устойчивости к ионам тяжелых металлов, кислотоустойчивости и другим физиолого-биохимическим признакам. Поиск природных высокоактивных штаммов Т. /еггоох1(^апз для извлечения золота из "упорных" сульфидных руд, концентратов является актуальной задачей в настоящее время.

Цель и задачи исследования

Целью исследования был поиск технологически перспективных штаммов тионовых бактерий из месторождений золота и их исследования для оценки дальнейшего практического использования.

Исходя из этой цели, было необходимо решить следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Изучить закономерности распространения тионовых бактерий в золотосодержащих месторождениях Приамурья. Выяснить их геохимическую активность.

2. Выделить природные штаммы тионовых бактерий, изучить их фгоиолого-биохнмические и другие характеристики с целью определения

таксономического положения и возможности применения в процессах биологического выщелачивания золота.

3. Определить оптимальные параметры выщелачивания золота из золотосодержащих концентратов разного состава с использованием штаммов тионовых бактерий Т. /еггаох1с1ап$ в условиях лабораторного эксперимента.

4. Определить возможность использования изученных бактерий для извлечения золота в промышленных масштабах.

Научная новизна

Впервые изучено сообщество тиобацилл в золотосодержащих месторождениях Приамурья.

Идентифицированы виды тионовых бактерий, распространенные в месторождениях золота Приамурья.

Выяснено, что в рудных и россыпных месторождениях золота нейтрофильные миксотрофные и автотрофные тионовые бактерии присутствуют практически повсеместно. А ацидофильные тионовые бактерии обнаружены только в рудных телах с наличием сульфидов металлов и в водотоках, дренирующих эти рудные тела.

Выяснено, что во всех обследованных рудных месторождениях золота были обнаружены бактерии Т. /еггоохШапз. Их количества и геохимическая активность увеличивались в рудных телах, затронутых разработками. Однако заметной роли в окислении сульфидных минералов в природно-климатических условиях Амурской области бактерии этого вида не играют.

Практическая значимость

Выделены высокоактивные штаммы Т. /еттоохШапх способные к биовыщелачиванию золота из "упорных" сульфидных концентратов.

Положено начало созданию коллекции технологических штаммов Т. ferrooxidans, которая может послужить в дальнейшем для сохранения и изучения тиобацилл ex situ, методов адаптации, условий хранения с целью дальнейшего их использования для бактериального выщелачивания.

Положения, выносимые на защиту:

1. В золотосульфидных месторождениях Приамурья тиононые бактерии представлены достаточно разнообразными видами. Бактерии, окисляющие сульфиды железа, представлены только видом Т. ferrooxidans.

2. Тионовые бактерии Т. ferrooxidans распространены в месторождениях золота Приамурья широко, но встречаются в небольших концентрациях и в основной своей массе обладают невысокой геохимической активностью.

3. В экстремальных условиях местообитания Г. ferrooxidans обнаружены экологические расы этих бактерий с высокой окислительной активностью, перспективные для использования в процессах биологического выщелачивания золота.

4. Наиболее активные штаммы, выделенные из золоторудных месторождений Приамурья, по скорости окисления ионов Fe2+ сравнимы со штаммом ВКМ-В-458, который использовали в качестве контрольного.

Глубокую благодарность автор выражает Председателю Амурского Научного Центра академику В.Г. Моисеенко за организационную и всестороннюю поддержку исследований, чл.-корр. Г.И.Каравайко и А.МЛысенко за представленную возможность работы с коллекционным штаммом Т. ferrooxidans, коллегам и сотрудникам института автор признательна за помощь в работе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И НАХОЖДЕНИЕ

ЗОЛОТА В ПРИРОДЕ

С момента знакомства человека с благородными свойствами золота, а произошло это почти 20 ООО лет назад, интерес к нему не ослабел до сих пор. Золото служит в качестве валютного и денежного металла, украшений и предметов роскоши, в зубоврачебном деле и при золочении металлов. Обладая уникальными свойствами, такими как исключительная антикоррозийная и химическая стойкость, высокие электро- и теплопроводность, оно находит применение в реактивных двигателях, ракетах, космических аппаратах, ядерных реакторах, сверхзвуковых самолетах, в электронной промышленности и радиотехнике, в производстве хронометров, гальванометров и оборудования для изготовления синтетических тканей. Соли золота применяются в фотографии (тонирование) и для окрашивания стекла и фарфора в красный цвет. В медицине - при лечении некоторых форм туберкулеза, легких, гортани, кожи, глаз, при лечении ревматоидного артрита.

Поведение элемента в любых природных процессах определяется его химическими свойствами, соответственно его положением в периодической системе элементов. Золото - тяжелый, мягкий, пластичный металл ярко-желтого блестящего цвета с исключительной ковкостью и тягучестью, принадлежит к I группе ¿-элементов периодической системы с порядковым номером 79, атомной массой 196,967, с гранецентрированным кубическим типом кристаллической решетки, постоянная которой 0,40786 нм, с атомным радиусом 0,144 нм. Известные 22 изотопа золота с массовыми числами от 177 до 206 с периодами полураспада от нескольких секунд до нескольких дней (183 дня только у одного изотопа- Аи195 )

получены искусственным путем. Изотоп Аят используется в радиотерапии, в радиоактивацнонных методах для определения малых количеств золота в породах и минералах, для изучения явлений диффузии в металлах. Единственно стабильный, встречающийся в природе - изотоп Au197 (Паддефет,1982). Принадлежа к группе переходных металлов со следующей электронной конфигурацией. 4f(14) 5d(lG) 6s(l), золото имеет в s-состоянии внешнего слоя 1, а в предпоследнем слое 18 электронов, часть из которых при определенных условиях принимает участие в образовании химических связей. Поэтому степень его окисления бывает более высокой, чем номер группы. В своих соединениях, преимущественно комплексных, золото может иметь степень окисления не только 1+, но и 2+, 3+, 5+, а в работе A.A. Тимакова (1986) сообщается о синтезе гептафторида золота со степенью окисления 7+. Наиболее характерными, типичными являются соединения золота, отвечающие степеням окисления 1+ и 3+ Степень окисления химических элементов зависит не только от строения их электронной оболочки, но и от потенциала ионизации. Низкая величина третьего потенциала ионизации - 31 эВ/атом (в сравнении с другими элементами его подгруппы (для Си 1(3)^33.54 эВ/атом; для Ag 1(3)—33.61 эВ/атом) объясняет предпочтительную степень окисления золота 3+ в сравнении с медью и серебром (Некрасов, 1991). Относительную стабильность соединений трехвалентного золота в природных процессах A.A. Маракужев (1987) объясняет большей величиной сродства к электрону соединений трехвалентного золота, чем двухвалентного. Сочетание высокого значения первого потенциала ионизации с наивысшим сродством к электрону в группе подобных себе элементов определяет высокую э лекгроотрицательность атомов золота, т.е. способность притягивать к себе электроны в молекулах, что указывает на большую вероятность образования ковалентных и металлических соединений,

легкую способность золота к восстановлению до самородного состояния и низкую вероятность образования ионных связей (Паддефет, 198