Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

МИКРОБОЦЕНОЗЫ ЗОЛОТО-МЫШЬЯКОВИСТОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БАКЫРЧИК И ИХ РОЛЬ В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

Канаева З.К. 1 Канаев А.Т. 2 Семенченко Г.В. 3
1 Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева
2 Казахский национальный университет им. аль-Фараби
3 Институт микробиологии и вирусологии Министерства образования и науки Республики Казахстан
Способность ацидофильных микроорганизмов к окислению сульфидных минералов сейчас широко используется в биогидрометаллургических технологиях для получения из сульфидных руд цветных и благородных металлов. Объектами исследований являлись аборигенные штаммы хемолитотрофных микроорганизмов, распространенные в шахтных водах и рудном теле месторождения Бакырчик. В результате выполненных исследований изучены ареалы и численность хемолитотрофных микроорганизмов, осуществляющих круговорот азота, окисление сульфидных минералов в образцах шахтных вод и характерных породах рудного тела месторождения Бакырчик. Установлено, что численность аммонифицирующих бактерий в шахтных водах варьировала в пределах 101–104 кл./мл, A. ferrooxidans и Th. thiooxidans – 10–103 кл./мл, сапрофитных бактерий – 102–107 кл./мл. Ареалы распространения бактерий определялись рН воды.
хемолитотрофные микроорганизмы
накопительные культуры
выделение
сапрофитные бактерии
1. Биогидрометаллургическая переработка сульфидных руд // Цветные металлы. – 2004. –№ 8.
2. Живаева А.Б., Башлыкова Т.В. Бактериальное выщелачивание силикатных никелевых руд //Цветные металлы. –2007. – № 3.
3. Канаев А.Т., Канаева З.К. Биогеотехнология техногенных экосистем казахстана. – монография, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH δ Co KG, – с. 347. –Germany, –2012.
4. Лодейщиков В.В. Переработка никельсодержащих руд методом кучного бактериального выщелачивания // М.: Золотодобыча. – 2009. – № 131. – С. 10–15.
5. Marsden J.O., Wilmot J.C., Smith R.J. Medium-temperature pressure leaching of copper concentrates – Part IV: Application at Morenci, Arizona // Journal of Minerals and Metallurgical processing. 2007. –Vol.14, № 4.
6. Mohseni S., Marzban A.R., Sepehr S., Hosseinkhani S., Karkhaneh M., Azimi A. Investigation of some heavy metals toxicity for indigenous Acidithiobacillusferrooxidans isolated from Sarcheshmeh copper mine // Jundishapur J Microbiol. – 2011. – V. 4. – Р. 159–166.
7. Sadowski Z., Jazdyk E., Karas H. Bioleaching of copper ore flotation concentrates //Journal of Minerals Engineering Poland. 2002. – Vol. 16.

Второе место по величине запасов занимает месторождение Бакырчик, расположенное на северо-востоке Казахстана (приблизительно в 100 км от города Семипалатинска). Его запасы составляют 326 т при среднем содержании золота 6,9 г/т. Разработка месторождения затруднена из-за высокого содержание в руде углерода, а также токсичного мышьяка, что создает угрозу загрязнения окружающей среды. Эта проблема может быть решена путем увеличения капитальных расходов, которые, впрочем, будут оправданны, учитывая высокие цены на золото. Месторождение интересно для отработки с применением технологии бактериального выщелачивания флотоконцентратов.

Использование ацидофильных микроорганизмов в биогидрометаллургии делает изучение их биоразнообразия актуальным для микробиологии. В частности, изучение распространения в экосистемах месторождений сульфидных руд штаммов A. Ferrooxidans и их физиологических свойств на настоящий момент привлекает внимание исследователей различных стран [3, 6].

Материалы и методы исследования

Изучение количественного и качественного состава микрофлоры месторождения Бакырчик проводили по общепринятым методикам. Пробы рудных вод при обследованиях отбирались стерильно, в соответствии с имеющимися руководствами. Подсчет количества микроорганизмов проводили методом предельных разведений испытуемых вод или болтушек на элективных средах в двух – трехкратных повторностях.

Для количественного учета A. ferrooxidans, содержащихся в 1 г использовали метод кратных разведений. При исследовании рудного субстрата навеску измельчали в гомогенизаторе и растирали в ступке и готовили исходную взвесь в разведении 1:10. Из полученной взвеси или исходного жидкого материала готовили ряд последующих разведений с таким расчетом чтобы при посеве двух последних разведений на чашке Петри агаре выросло от 50 до 300 колоний.

Получение накопительной культуры для выделения культуры в колбы Эрленмейра на 100 мл вносили 30 мл стерильной среды Сильвермана и Лундгрена 9К и пробы рудничной воды или руды из месторождений сульфидных руд, затем инкубируют при 30 °С до появления роста. О развитии бактерии судили по появлению бурой окраски среды, вызванной образованием соединении трехвалентного железа.

Для выделения культуру A. ferrooxidans в колбу Эрленмейера емкостью 250 мл вносили среду Сильвермана и Лундгрена 9К в объеме 150 мл. Затем добавляли пробы руды из месторождений сульфидных руд, инкубировали при 30 °С до появления роста. Для выделения штаммов бактерии, активных в окислении сульфидных минералов и устойчивых к ионам тяжелых металлов, использовали также сульфидные минералы.

Определение Fe+2 и Fe+3 проводилось объемным трилонометрическим методом в пробах, основанным на образовании комплекса трехвалентного железа с сульфосалициловой кислотой, который окрашивается в малиновый цвет. Содержание железа в растворах варьировало в диапазоне 0,1–10 г/дм3 [2].

Учет Th.thiooxidans вели по появлению неисчезающей мути и оседанию серы, по образованию пленки серы, подкислению среды и другим специфическим признакам на среде Ваксмана (г/л): (NH4)2SO4 – 3,0; КН2РО4 – 3,0; MgSO4·7H2O – 0,5; CaCl2·6H2O – 0,25; Fe2SO4·7H2O – 3,0; серный цвет (Sº) – 10,0; H2O – 1,0 л; рН 4,0 [1].

Для количественного учета аммонификаторов использовали пептонную воду (г/дм3 водопроводной воды): пептон – 10, NaCl – 0,5.

Для определения количества нитрификаторов I и II фазы была использована элективная минеральная среда Виноградского (г/л водопроводной воды): (NH4)2SO4 – 2,0; K2HPO4 – 1,0; MgSО4 – 0,5; FeSО4 – 0,4; NaCl – 2,0, в избыточном количестве CaCO3 [5,7].

Для учета денитрифицирующих бактерий применяли элективную среду Гильтая (г/л водопроводной воды): цитрат натрия или калия трехзамещенный – 5,0; KNO3 – 2,0; аспарагин – 1,0; KH2PO4 – 2,0; MgSO4 – 2,0; CaCl2 – 0,2; FeCl3 – следы; агар – 18 % [4].

Для подсчета азотфиксирующих бактерий производили высев 0,25 г пробу руды на среду Эшби. О наличии азотобактерий в исследуемом материале судили по образованию характерных колоний вокруг песчинок. Производили подсчет количества колоний на чашке в пересчете на 1 г руды.

Сапрофитные бактерии учитывали на мясопептонном агаре.

Результаты исследования
и их обсуждение

Распределение бактерий, участвующих в круговороте азота в шахтных водах и рудном теле золото-мышьяковистого месторождения Бакырчик

В шахтных водах выбранных горизонтов было исследовано распределение аммонифицирующих бактерий. Известно, аммонификаторы – это физиологическая группа бактерий, использующих белки и аминокислоты в качестве энергетических субстратов, что сопровождается выделением в среду аммиака. Среди аммонификаторов встречаются как спорообразующие формы (Bacillus), так и микроорганизмы, не образующие спор (Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Proteus).

Данные физико-химических характеристик указывают, что на участках, достаточно широко представленных в районе Бакырчикского месторождения рудопроявлений и зон рассеянной золото-сульфидной минерализации, трещинные воды за счет растворения окисляющихся сульфидов обогащаются сульфатами, подвижными формами мышьяка, железа, марганца, а также незначительными количествами меди, свинца, цинка, кадмия и других микроэлементов. Минерализация трещинных вод может возрасти до 0,7–1 г/дм3 с переходом типа воды до сульфатно – натриевого по ионному составу. В связи с малым количеством сульфидов в водовмещающих породах и ограниченностью участков развития зон рудной минерализации, в сравнении с общей площадью распространения водоносного горизонта, качество трещинных вод участка остается высоким.

Численность аммонифицирующих бактерий колебалась в пределах 101–104 кл./мл (рис. 1). Наименьшая численность бактерий была отмечена в шахтной воде горизонтов 50 и 290, где вода имеет слабокислую (рН 5,8) среду. На этом горизонте трещинные воды Бакырчикского рудника относятся к грунтовым водам зоны выщелачивания. Гидрохимические условия в водоносном горизонте определяются естественными природными факторами – содержанием водорастворимых солей в водовмещающих породах (химико-минералогическим составом), их проницаемостью и скоростью фильтрации подземных вод.

Ионно-солевой состав шахтных вод горизонтов 90, 330 формируется за счет процессов растворения и выщелачивания минеральной массы горных пород (продуктов гидролитического разложения силикатов, окисления сульфидов и углекислотного выветривания карбонатов). Вследствие интенсивного водообмена в водоносном горизонте формируются пресные маломинерализованные воды, гидрокарбонатные кальциево-натриевые по ионному составу, нейтральные или слабощелочные по величине рН с сухим остатком 0,2–0,4 г/дм3. Количество клеток аммонифицирующих бактерий в такой водной среде доходит до 104 кл/мл. В воде остальных горизонтов количество аммонификаторов колебалось в пределах 102–103 кл./мл. В период обследования воды имели преимущественно нейтральную и слабощелочную реакцию
(рН 7,5–8,2).

kan1.tif

Рис. 1. Численность аммонифицирующих бактерий в шахтных водах

Таким образом, процесс аммонификации в шахтных водах горизонтов золото-мышьяковистого месторождения сопровождается подщелачиванием среды. В результате аминокислоты дезаминируются с образованием органических кислот (пирувата, ацетата и других интермедиатов ЦТК) и в таком виде входят в цикл Кребса для полного окисления и получения клеткой энергии.

Анализ физиологических групп бактерий участвующих в круговороте азота в различных типах пород, слагающих рудное тело, представлен на рис. 2. Учитывали аммонификаторы, нитрификаторы 1-й и 2-й фазы, денитрификаторы и азотфиксирующие микроорганизмы. В общем, численность представителей этих групп бактерий варьировала в пределах 102–107 КОЕ/г.

kan2.tif

Рис. 2. Численность бактерий, участвующих в круговороте азота в рудном теле

Наибольшее количество аммонифицирующих бактерий было отмечено в пробах песчаника верхней алевролито-песчаниковой толщи (3), в кремнистых образованиях (6) и в углисто-глинистого аргиллита (9) и составляло 106 КОЕ/г. В терригенно-осадочных породах (1) и рудах из горизонта кызыловской зоны смятия (4) количество аммонификаторов доходило до 105 КОЕ/г. В остальных исследуемых пробах их численность варьировала в интервале 103 и 104 КОЕ/г.

Как известно, нитрификаторы первой фазы осуществляют окисление аммония до азотистой кислоты (NH4+ →N02−), второй фазы – перевод азотистой кислоты в азотную (N02−→N03−). Максимальное количество нитрификаторов I – фазы наблюдается в пробах № 3, 6, 7 – 106 КОЕ/г. В остальных пробах их количество варьировало в пределах 102–104 КОЕ/г. Максимальное количество нитрификаторов II фазы отмечалось в пробах № 1, 3, 4, 6, 7 в количестве 105 КОЕ/г. В остальных пробах составляет 103–104 КОЕ/г.

Учитывали также денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до молекулярного азота, в число которых входили как восстанавливающие нитраты до нитритов, так и доводящие восстановление до элементарного азота. Максимально количество денитрифицирующих бактерий было отмечено в пробах руды № 2, 3, 5, 9 и составляло 105 КОЕ/г. В остальных образцах их количество колебалось в пределах 102–104 КОЕ/г.

Численность азотфиксирующих бактерий, обладающих способностью усваивать молекулярный азот воздуха и переводить его в доступные для организма формы, варьировала в пределах 102–107 КОЕ/г. Наиболее представлена эта группа микроорганизмов была в образцах № 4, 8, 9 – 106–107 КОЕ/г). Наименьшее их количество отмечено в пробе № 2–102 КОЕ/г.

Таким образом, судя по полученным данным, наиболее интенсивно процессы круговорота азота осуществляются в пробах песчаника верхней алевролито-песчаниковой толщи (3), в кремнистых образованиях (6) и углисто-глинистого аргиллита и алевролита (9) с преобладанием процессов образования и утилизации аммиака до молекулярного азота. В последней пробе отмечена также активная азотфиксация. Обнаружение основных групп микроорганизмов практически во всех исследуемых образцах говорит об активном участии микроорганизмов в превращениях разнообразных органических веществ в шахтных водах и рудном теле Бакырчикского месторождения.

Выводы

В результате выполненной работы были сделаны следующие выводы:

1. Микробиологическое обследование касалось распределения и численности микроорганизмов, участвующих в круговороте азота, окисления железа и серы, а также обычных сапрофитных бактерий. Установлено, что численность аммонифицирующих бактерий в шахтных водах варьировала в пределах 101–104 кл./мл, A. ferrooxidans и Th. thiooxidans – 10–103 кл./мл, сапрофитных бактерий – 102–107 кл./мл. Ареалы распространения бактерий определялись рН воды. Тионовые бактерии были распространены в слабокислой воде (рН = 5,0), сапрофитные – в нейтральной и слабощелочной воде.

2. Численность аммонифицирующих бактерий в рудном теле варьировала в интервале 103–106 КОЕ/г, нитрификаторов 1-й фазы – 102–106 КОЕ/г, нитрификаторов 2-й фазы – 103–105 КОЕ/г, денитрификаторов – 102–105 КОЕ/г, азотфиксирующих и сапрофитных бактерий – 102–107 КОЕ/г, A. ferrooxidans и Th. thiooxidans – 10–103 кл./г руды. Ареалы микроорганизмов, участвующих в круговороте азота определялись песчаниками верхней алевролито-песчаниковой толщи, кремнистыми образованиями и углисто-глинистым аргиллитом. Наибольшее количество A. ferrooxidans было приурочено к осадочным и углисто-глинистым породам. Вскрышная глинистая порода, серые песчаники, пепловые туфы и кремнистые образования содержали наибольшее количество Th. Тhiooxidans. Образцы пород с находками тионовых бактерий имели слабокислую реакцию.


Библиографическая ссылка

Канаева З.К., Канаев А.Т., Семенченко Г.В. МИКРОБОЦЕНОЗЫ ЗОЛОТО-МЫШЬЯКОВИСТОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БАКЫРЧИК И ИХ РОЛЬ В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 12-2. – С. 283-286;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=6316 (дата обращения: 01.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074