O‘zbеkistоn rеspublikаsi

Рис. 1 Классификация бактерий, окисляющих Fe ²⁺, S⁰ и MeS

Тионовые бактерии рода Acidithiobacillus (рис. 2 ) являются строгими аэробами, т.е. способными развиваться только при наличии свободного кислорода. Для своей жизнедеятельности эти микроорганизмы используют реакции окисления неорганических соединений, протекающие с поглощением кислорода. Наиболее важным свойством тионовых бактерий с точки зрения гидрометаллургических процессов является их способность участвовать в окислении сульфидных минералов и регенерации химических окислителей.

Рис. 2 Классификация бактерий рода Acidithiobacillus
Наибольшее практическое значение в процессах бактериаль-ного окисления и выщелачивания имеют железоокисляющие микроорганизмы Acidithiobacillus ferrooxidans, присутствующие повсеместно в месторождениях сульфидных, сульфидсодержащих угольных, золотых, урановых и др. руд. Это неспорообразующие подвижные хемолитоавтотрофные клетки (рис. 3). Бактерии имеют длину 0,8 - 1 мкм и толщину 0,4 - 0,5 мкм. Передвигаются они при помощи полярного жгутика, длина которого составляет 12 мкм.

Рис. 3 Строение клетки A. ferrooxidans
1 – слизистая капсула; 2 – клеточная стенка; 3 – мезасомы; 4 – цитоплазматическая мембрана; 5 – цитоплазма; 6 – нуклеоид; 7 – рибосомы; 8 – жгутик.
Снаружи клетка окружена слизистой капсулой, состоящей из полисахаридов, прочной клеточной стенкой, в которой содержится от 5 до 50% сухих веществ. Стенка, состоящая из гликопептидов (5 - 10%), является механическим барьером между внешней средой и протопластом (цитоплазматической мембраной и цитоплазмой). Она защищает клетку от окружающей среды и дает возможность существовать в гипотонических растворах. Внутри клетки имеется цитоплазма, которая окружена внутренней цитоплазматической мембраной, представляющей собой белково-липидный комплекс и выполняющей важнейшую роль в жизни бактерий. Во-первых, эта мембрана регулирует проницаемость клетки, т.е. пропускает воду, необходимые ионы и субстраты, во-вторых, непосредственно участвует в энергетическом обмене - в ней находятся система переноса электронов, в-третьих, через мембрану наружу выделяются продукты жизнедеятельности бактерий.
В процессах клеточного метаболизма принимают участие и лизосомы внутрицитоплазматические клеточные образования. В цитоплазме содержатся также рибосомы и карбоксисомы, являющиеся центрами синтеза белков, различные белки и нуклеоид-носитель генетической информации клетки. В клетках содержатся плазмиды кольцевые внехромосомные молекулы ДНК без белковой оболочки. Плазмиды выполняют ряд жизненноважных функций, в том числе они ответственны за устойчивость клеток к тяжелым металлам, т.е., вероятно, с ними связаны адаптационные свойства бактерий.
Постоянным спутником бактерий А.ferrooxidans являются микроорганизмы Aciditiobacillus thiooxidans, открытые в 1922 году Ваксманом и Иоффе. Эти бактерии наиболее ацидофильные, они могут развиваться даже при рН 0,3. Источником энергии для них являются соединения серы S₂0₃^2-, S₄0₆^2-, S⁰. Встречаются бактерии повсеместно в сульфидных и серных месторождениях. Условия их жизнедеятельности аналогичны бактериям А.ferrooxidans. Поэтому они постоянно присутствуют вместе.
Для бактерий А.acidophilus ( organoparus) источник энергии - элементная сера, которую они окисляют при рН 3.0 и температуре 25-30⁰С. Азот они потребляют из NH₄⁺ и мочевины. В конструктивном метаболизме источником углерода для них помимо углекислоты могут быть глюкоза, галактоза, фруктоза, ксилоза, ритоза.
ТН. Аcidithiobacillus подобные принимают участие в окислении Fe²⁺, S⁰, MeS, начиная с температуры более 40⁰С. Оптимальная температура для них - 50⁰С. Выделяются они в местах разогрева сульфидных руд, в горячих источниках при температуре до 43⁰С и рН 2,7, в термах при температуре до 64⁰С и рН 4,3. Для этих бактерий источником углерода также служат дрожжевой экстракт, глутатион, цистеин, цистин.
Бактерии рода Leptospirillum широко распространены в месторождениях сульфидных руд вместе с A.ferrooxidans. Эти вибрионы, спирали и шаровидные бактерии окисляют только Fe²⁺ и пирит при температуре 30⁰С.
Микроорганизмы рода Sulfobacillus, Sulfolobus ( Аcidocadarius , Acidianus, S.thermosulfidooxidans, S.acidophilus, Acidomicrobium ferrooxidans относятся к термофильным микроорганизмам, которые окисляют элементную серу, железо и сульфидные минералы при температуре от 55 до 90⁰С.
3. Сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сероводорода в анаэробных условиях. Они широко распространены в почвах, водах, геотермальных областях, нефтяных месторождениях. Их рост сопровождается образованием сероводорода, который осаждает металлы и подавляет окислительные процессы в отвалах и рудных телах. Очень важная роль этих бактерий в осаждении металлов в отстойниках и прудах, что позволяет использовать их для очистки сточных вод от металлов.
Сульфатредуцирующие бактерии могут использовать в качестве доноров электронов органические вещества и молекулярный водород. Акцепторами являются сульфат и некоторые окисленные соединения серы ( SO₃^2-, S₂O₃^2-, S⁰), которые восстанавливаются до сульфида.
Основные представители сульфатредуцирующих бактерий относятся к родам Desulfvibrio, Desulfomonas, Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfobacterium и др.
При неполном окислении органических веществ ( лактат, малат, фумарат, этанол, бутанол, изобутанол, пропан) и H₂ c участием сульфатредуцирующих бактерий образуется ацетат
2CH₃CHOHCOO^-+SO₄^2-→2CH₃COO^-+2HCO₃^-+H₂S (1)
При полном окислении органических соединений образуется углекислота и HS^-
СНСOO^- + S0₄^2- → 2HCO₃^- + HS^- (2)
Эта способность бактерий может использоваться при замене сернистого натрия для сульфидизации и флотации окисленных минералов.
Микробиологическое выщелачивание марганца связано с восстановлением его до двухвалентного состояния, которое может происходить при участии бактерий различных таксономических групп, выделенных из пресных вод и осадков и из океанских и морских осадков. К бактериям, участвующих в выщелачивании марганца относятся прежде всего Bacillus subtilus, Bacillus macerans, Pseudomonas fluorescens, Bacillus spp. и др. Восстановление марганца может происходить как ферментативным путем так и при помощи различных метаболитов ( органических кислот, перекисей) с использованием глюкозы в качестве донора электронов. При неферментативном восстановлении активными восстановителями марганца являются муравьиная, щавелевая и лимонная кислоты, выделяемые бактериями и грибами.
Например, MnO₂ + HCOOH + 2H⁺→ Mn²⁺ + 2H₂0 + CO₂ (3)
Бактериальное окисление марганца может происходить также по прямому и ферментативному механизму. Так бактерии Metallogenium участвуют в ферментативном окислении марганца, которое катализируется оксидазами с передачей электронов на кислород посредством цитохромов
Mn²⁺ + 0,5 O₂ + H₂O ↔ MnO₂ + 2H⁺ (4)
Окисление марганца может катализироваться каталазой в реакции с перекисью
Mn²⁺ + H₂O₂ְ↔ MnO₂ + 2H⁺ (5)
Или с помощью марганцевой оксидазы, которая тоже передает электроны на кислород посредством цитохромов
Mn• MnO₃ + 0,5 O₂ + 2 H₂0 ↔ 2H₂ • Mn0₃ (6)
Этот механизм обнаружен у Leptotrix diskophora.
При неферментативном окислении образованные некоторыми микроорганизмами метаболиты, окисляют марганец, который затем осаждается на поверхности таких клеток как Megaterium, Siderocopsa и др.
В группу железобактерий, способных окислять железо, входят многочисленные гетеротрофы, фототрофы, микроводоросли и др. которые способны образовывать осадки железа. Это прежде всего одноклеточные – Siderocopsa, Metallogenium, Galionella, нитчатые формы железобактерий – Spirothrix, Leptothrix
Бактерии покрываются чехлами из гидроксидов железа при рН 5-7,5 и температуре от 4 до 18⁰С. При диаметре наружного чехла 2-3 мкм и внутреннего 1 мкм бактерии как бы линяют и покрываются новым чехлом.
Среди бактерий, способных окислять As³⁺, выделяется автотрофная культура Pseudomonas arsenitoxidans, выделенная из золотомышьяковых месторождений. Окисление мышьяка осуществляется при рН 6 по схеме
NaAsO₂ + H₂O ↔ NaAsO₃ + 2H⁺ + 2е (7)
При очистке промышленных сточных вод от мышьяка могут применяться аэробные гетеротрофные бактерии Pseudomonas putida и Alcaligenes eutrophus.
Микробиологический способ очистки промышленных сточных вод от хрома основан на том, что бактерии Pseudomonas dechromaticans используют хроматы и бихроматы в качестве акцепторов электронов при росте на органических средах в анаэробных условиях. При рН 7,7-8,3 и температуре 20-25⁰С катион Cr⁶⁺ восстанавливается до Cr³⁺, который осаждается в составе Cr(OH)₃.
Из сточных вод хромитовых месторождений и заводских сточных вод выделены также гетеротрофные микроорганизмы Pseudomonas chromatophila и Aeromonas dechromatica, способные принимать участие в восстановлении хрома.
С пособность растворять золото обнаружена у различных микроорганизмов и их метаболитов. Наиболее ярко это проявляется у представителей родов Bacillus, Pseudomonas , выделяющих аминокислоты. Эти аминокислоты и белки при рН 9-10 образуют через аминогруппу связь Au – N , что приводит к образованию комплексов в основном анионных. Растворение золота аминокислотами происходит в присутствии таких окислителей, как перекись Au^{o H}₂^O₂ Au – N (8)
В кислой среде аминокислоты восстанавливают золото до металла, в результате чего образуется «новое» золото.
Аккумуляция и осаждение золота осуществляется при участии многих бактерий, мицелиальных грибов и микроформы бактерий. Так, при осаждении золота грибковой массой Aspergillus niger, высушенной при температуре 200⁰С, при ее концентрации 40 г/л золото осаждается на 100% за 4 суток. По сорбционной способности, например, плесневые грибы не уступают активированным углям, а по способности поглощать цианистые комплексы золото превосходят угли в 10-12 раз и не уступают ионообменным смолам.
В разложении некоторых силикатных и алюмосиликатных минералов принимает участие большое количество различных групп микроорганизмов, среди которых автотрофные ( Thiobacillus sp., A.thioparus и др), гетеротрофные ( Aspergillus niger, Bacillus megaterium, Bacillus musilaginosus), популяции почвенных микроорганизмов, симбиотические культуры – лишайники и др.