Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема взаимодействия микроорганизмов с минералами и породами важна как в связи с изучением биогеохимических процессов выветривания и миграции элементов, так и в связи с разработкой биотехнологических методов переработки и обогащения минерального сырья.
Известна и достаточно детально изучена роль автотрофных бактерий в окислении сульфидных руд. Менее исследованы процессы растворения и деструктпрования микроорганизмами силикатных пород и минералов.
Бокситы являются основным сырьем при производстве алюминия. Они содержат как собственно минералы алюминия, железа и кремния, так п их ассоциации. Роль микроорганизмов в их трансформации практически не изучена. В связи с исчерпанием запасов высокосортного минерального сырья на алюминий предпринимаются попытки разработать микробиологические способы обогащения и вовлечения в переработку некондиционных типов бокситов.
Целью работы было изучение роли гетеротрофных п автотрофных микроорганизмов в деструкции минералов бокситов, выяснение некоторых механизмов этих процессов и возможности их использования в обогащении бокситов.
Основные задачи исследования.
-
Изучить распространение микроорганизмов в бокситах и провести скрининг высокоактивных в растворении и деструкции алюмоспликатных и железосодержащих минералов штаммов.
-
Изучить роль микроорганизмов в растворении, деструкции и фракционировании минералов в различного типа бокситах.
-
Изучить влияние бокситов на рост и развитие микроорганизмов.
-
Изучить возможности использования микроорганизмов в процессах обогащения и переработки бокситов.
Научная новизна. Изучение действия микроорганизмов (грибов, дрожжей, бактерий), выделенных из бокситов и музейных культур, показало большое их разнообразие в кинетике растворения и деструкции минералов бокситов, выражающееся на уровне ролоп, видов и даже штаммов. Это позволило провести скрининг наиболее активных штаммов и оценить их
2 влияние на деструкцию минералов бокситов. Вьіяшіеньї такие механизмы микробного воздействия на минералы бокситов, как растворение, деструкция и фракционирование. Доминирование того или иного процесса зависит как от минерального состава бокситов, так и от свойств используемых микроорганизмов. Наиболее активными в растворении минералов были микро-грибы Aspergillus niger, образующие до 75% лимонной кислоты от общей суммы кислот. В селективной деструкции алюмогетита активны A.niger 4, РепісШ'шт chrysogemun 16, Aureobasidium pullulans BKM F-1116 и Bacillus mucilaginosus BKM В-1480Д, образующие как органические кислоты, так и слизи, а в селективном фракционировании тонких фракций отдельных минералов - широкий спектр микроорганизмов, образующих экзополисахарн-ды.
С помощью метода меченых атомов (ыСО,>) доказана гетеротрофная природа B.inuciluginosus и несостоятельность существующих теорий о возможности получения анергии при деструкции силикатных минералов.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволили получить штаммы микроорганизмов, перспективные для выщелачивании алюминия из низкосортных бокситов, для деструкции алюмогетита и сокращения потерь глинозема с красными шламами, а также для обогащения некоторых типов бокситов путем их селективного обескремнивания.
Материалы диссертации могут быть использованы для чтения лекций в соответствующих вузах.
Апробации работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме "Биогндрометаллурпш-89" (США, 1989), Третьем национальной научно-технической конференции по биогидрометаллургнп (Болгария, 1989), на съезде Всесоюзного минералогического общее ша "Звенигород, 1990", Всесоюзной конференции но кислотным методам комплексной переработки алюмосилнкатного сырья. (Апатиты, 1990).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и получено 3 авторских свидетельства.
Обьем и структура диссертации. Диссертация изложена на /33 ера-ницах машинописною текста и состоит из разделов "Введение", "Обюр литературы", "Экспериментальная часть" ( включающая главы "Объекты
и методы исследования", "Результаты" и "Обсуждение результатов"),
"Выводы" и "Список литературы" (включающий наименований работ
отечественных и зарубежных авторов). Диссертация проиллюстрирована 0 рисунками и содержит^ таблицу/.
Место проведения работы. Работа выполнена в Институте микробиологии РАН в лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов (заведующий лабораторией - член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Каравайко Г.И.). Часть экспериментальной работы проведена совместно с кандидатом технических наук О.Ф.Сафоновой в Институте механической обработки полезных ископаемых (Механобр, г.Санкт-Петербург) и доктором геолого-минералогнческих наук А.Д.Слукиным в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ), г.Москва.
Объекты исследования.
В работе использованы 59 штаммов микроорганизмов, относящихся к различным систематическим группам. Из них 3S выделены нами из различных типов горных пород (пегматиты Забайкальского сподуменового месторождения, свежеобработанные образцы бокситов месторожденші Дебеле (Гвинея) и бокситы Чадобецкого месторождения (Россия)) и почв, 21 штамм получен в Российской коллекции культур микроорганизмов.
Условия культивирования.
Микроорганизмы культивировали на следующих средах: мицелиаль-ные грибы - на среде Чапека (Романенко, Кузнецов, 1974); дрожжи и бактерии рода Pseudomonas - на синтетической глюкозоаммонийной среде (Бабьева, Голубев, 1978); Bacillus mucilaginosus ВКМ В-1480 Д - на среде Эшби (Романенко, Кузнецов, 1974) с глюкозой (5г/л); в отдельных экспериментах в среду вносили (NH^SO,) в концентрациях 0,1-1 г/л; Bacillus circulans ВКМ В-962 - на среде Эшби с глюкозой (5 г/л) с добавлением 0,5 г/л (NH4)2S04 и 0,5 г/л пептона; Bacillus polymyxa ВКМ В-27 - на среде Эшбп с глюкозой (5 г/л) с добавлением 0,5 г/л (NH4)2S04 и 0,25 г/л дрож-
4 жевого экстракта; Tluobacillus thiooxidans ВКМ В-460 - на среде Ваксмана (Романенко, Кузнецов, 1974); Tluobacillus thioparus - на среде Бейеринка с тиосульфатом натрия (Романенко, Кузнецов, 1974); нитрифицирующие бактерии - на среде SW (Soriano, Valter, 1968) с (NH^SO,,.
В качестве посевного материала в опытах с мицелиальными грибами использовали суспензию спор в стерильной водопроводной воде (10s КОЕ/мл), а в случае остальных микроорганизмов - вегетативные клетки в логарифмической фазе роста. Посевной материал вносили в концентрации 5% от объема среды.
Культивирование микроорганизмов проводили на качалке при 280 об/мин при температуре 28-30С. Продолжительность эксперимента варьировала в зависимости от целей эксперимента.
Боксит стерилизовали вместе с культуральными средами при 1 атм в течение 30 мин. Соотношение твердого образца (боксита) и культуралыюй среды (Т:Ж) для микромнцетов и бактерий рода Bacillus составляло 1:10, а для дрожжевых культур и бактерий рода Pseudomonas, Tluobacillus и нитрифицирующих бактерий I и 11 фазы - 1:20.
Содержание биомассы в культуралыюй жидкости определяли весовым методом и по белку. Белок определяли, используя модифицированный метод Петерсона (Пивоварова, 1989). Количественный учет бактерий и дрожжей проводили методом предельных десятикратных разведений.
О концентрации полисахаридов (ЭПС) судили по относительной вязкости, которую определяли как соотношение времени (сек) протекания через вискозиметр определенного объема опытного раствора ко времени протекания такого же объема исходной среды (Авакян, 1985) и по сухому весу (Williams, 1977).
Фиксацию 14СОт_гетеротрофами определяли по Романенко и Кузнецову (1974). Радиоактивность бактерий измеряли на жидкостном сцинтил-ляционном счетчике LKB-1216 "Rakbeta" ( Швеция).
Потребление глюкозы определяли с помощью глюкозооксидазы и ферроцианида калия (Щербухин и др., 1970).
Определение рН проводили на потенциометре - иономере марки ОР 211/1.
Общую титруемую кислотность определяли титрованием 0,05 N NaOH с фенолфталеином после пропускания культуральнон жидкости через ионообменную смолу КУ-2 и удаления углекислоты кипячением (Егоров, 1976).
Содержание лимонной кислоты в среде определяли методом, основанным на измерении экстинкции пентабромацетата при 300 им на спектрофотометре марки СФ-26 (Жаболовская, 1968), а щавелевую кислоту -оксилимитрическим титрованием перманганатом калия. (Помодек-Фабини, 1981).
В работе использовали 19 типов бокситов ряда месторождений России, Казахстана, Венгрии, Гвинеи, отличающихся по минеральному и химическому составу. Образцы бокситов были предоставлены нам Институтом Мсханобр (Санкт-Петербург), Всесоюзным институтом минерального сырья (ВИМС, Москва), Институтом Ллутерв-ФКИ (Венгрия), Институтом геологин рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ РАН, Москва). Образцы кварца, каолинита получены из минералогического музеи РАН.
Подготовка боксита к эксперименту.
Боксит измельчали на шаровой мельнице до различных классов крупности в зависимости от целей эксперимента. В основном в экспериментах использовали технологическую крупность 70-90% класса крупности менее 0,074 мм. Для постановки эксперимента отбирали среднюю пробу боксита после многократного перемешивания методом квартования.
Подготовка образцов боксита к анализу. Боксит после воздействия микроорганизмов отделяли от культуральнон жидкости фильтрованием через бумажный фильтр, промывали дистиллированной водой. Биомассу выжигали и разрушали образовавшиеся комплексы пергидролем на песочной бане, промывали многократно дистиллированной водой и высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 С.
Определение химического состава бокситов.
Химический состав бокситов до и после экспериментов определяли методом сплавления (Долежал, 1968). Определение кремния, алюминия и железа вели в растворе фотометрически на спектрофотометре "Specol-21" (Воробьев, 1978).
Кремний в растворе определяли колориметрически по кремнемолиб-деновой сини (Марченко, 1971). Железо определяли сульфосалициловым методом (Шарло, 1965). Алюминий определяли алюминатным методом (Марченко, 1971).
Определение концентрации элементов в среде.
Содержание кремния, алюминия и железа, перешедших в раствор после воздействия микроорганизмов на бокситы, определяли методом атомно-абсорбционпой спектрофотометрии на приборе AAS-1 (Симонова, 1986). Культуральную жидкость отделяли от клеток и минералов боксит центрифугированием при 30000 g в течение 20 мин.. При наличии полисахаридов в среде перед центрифугированием проводили кислотный гидролиз.
Методы гранулометрическою анализа.
Фракции бокситов крупности менее 0,063 мм определяли на лазерном анализаторе крупности "Fritscli", фракции более 0,063 мм - па ультразвуковом анализаторе "Ротан", фракции крупности более 0,044 мм - методом ситового анализа.
Автоклавное выщелачивание бокситов вели по методике ВАМИ (Санкт-Петербург).
Ренчтеноструктуоный анализ минералов проводили в рентіенострук-турной лаборатории Института механической обработки полезных ископаемых (Мехапобр).