Введение к работе
Актуальность проблемы. Каолинами называют глинистые горные породы, состоящие не менее чем на 50% из минералов группы каолинита. При содержании каолинитовых минералов менее 50% породы называют каолинсодержащими. Вместе с каолинитовыми минералами в состав каолинов и каолинсодержащих пород входят в разных количествах такие силикатные и алюмосиликатные минералы, как кварц, монтмориллонит, калиевый полевой шпат, слюды, а также в качестве хромофорных примесей - минералы железа и титана.
Исследование микробной трансформации каолинов интересно как в связи с изучением геохимической роли микроорганизмов в процессах выветривания горных пород, так и в связи с существующей необходимостью обогащения глин и каолинов месторождений РФ, характеризующихся повышенным содержанием красящих окислов железа и титана. Значительный интерес представляет разработка экологически безопасного способа их обезжелезнения.
В ряде исследований (Вайнберг и др., 1980, 1981, Баранов и др., 1985, Чернышев и др., 1988, Власов и др., 1990) для обезжелезнения каолинов и керамических масс (приготовленых на основе каолинов), а также для повышения дисперсности и степени несовершенства структуры частиц породообразующих силикатных минералов предлагалось использовать штаммы слизеобразующих бацилл, относимые к "Bacillus mucilaginosus". В результате воздействия жидкой культуры "Bacillus mucilaginosus" повышались пластичность керамической массы, а также прочность при изгибе и трещиностойкость готовых изделий. Существуют многочисленные исследования (Александров и соавт, 1953, 1968, Tesic, 1972, Андреев, 1975, 1976, 1979, Каравайко и соавт., 1984, Groudev & Groudeva, 1987), свидетельствующие об активности штаммов "Bacillus mucilaginosus" в выносе из силикатных минералов и некоторых горных пород ряда элементов: кремния, алюминия, калия. Установлено, что деструкция силикатных минералов указанными штаммами слизеобразующих бацилл является косвенным процессом и осуществляется под действием экзополисахарида и низкомолекулярных метаболитов кислой природы (молочной, лимонной, щавелевой, щавелевоуксусной, аминопропионовои, кетоглутаровои и глюконовои кислот), выделяемых ими в среду (Малиновская и соавт., 1989).
Хотя в работах А.С.Власова и сотрудников изменение характеристик каолина и керамических масс связывалось именно с внесением культуры "Bacillus mucilaginosus", те же авторы (Вайнберг, 1983) отмечали, что наилучшие результаты были получены на материале, не подвергнутом стерилизации. Тем не менее биотехнологический потенциал естественных микробных сообществ каолинов и каолинсодержащего сырья не учитывался. В свете этих данных представляло интерес изучение вклада микробных сообществ в процессы трансформации минералов каолинов и каолинсодержащего сырья.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является изучение сообществ микроорганизмов каолинов и их роли в процессах трансформации минералов каолина и каолинсодержащего сырья. Конкретные задачи исследования включали-.
-
Изучение распространения микроорганизмов в каолинах и каолинсодержащем сырье месторождений России и Украины. Изучение структуры микробного сообщества каолина Просяновского месторождения.
-
Изучение новых штаммов слизеобразующих бацилл и уточнение таксономического статуса бактерий, относимых к виду "Bacillus mucilaginosus".
-
Сравнительное изучение воздействия на фарфоровую массу естественного микробного сообщества и "Bacillus mucilaginosus".
-
Изучение динамики развития микробного сообщества каолина при внесении питательной среды. Исследование форм соединений железа, образующихся в результате развития микробного сообщества, а также воздействия микроорганизмов на силикатные и алюмосиликатные минералы.
-
Выяснение возможности использования естественных микробных сообществ в процессах обогащения каолинов и каолинсодержащего сырья.
Научная новизна. Впервые проведено изучение распространения микроорганизмов в каолинах и каолинсодержащем сырье различных месторождений. Для изучения структуры микробного сообщества каолина Просяновского месторождения применен новый подход, заключающийся в соотнесении жирно-кислотного профиля суммарной биомассы сообщества с известными жирно-кислотными профилями чистых культур микроорганизмов различных таксонов и проверкой правильности определения традиционными микробиологическими методами.
Показано, что в состав микробного сообщества каолина входят автотрофные бактерии рода Nitrobacter, аэробные и факультативно анаэробные гетеротрофные бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Burkholderia, Nocardia, Caulobacter, Deinococcus и Arthrobacter, анаэробные бактерии родов Clostridium, Bacteroides, Desulfovibrio, Desulfobacter и железовосстанавливающая бактерия - штамм FeRed.
С использованием комплекса методов фено-, хемо- и генотипического анализа, в том числе изучения спектра жирных кислот, определения уровня сходства ДНК и секвенирования 16S рРНК, проведено изучение таксономического положения как новых, так и используемых ранее, но не имеющих точного таксономического статуса штаммов слизеобразующих бацилл, относимых к "Bacillus mucilaginosus". В результате подтвержден таксономический статус вида "В. mucilaginosus" (Авакян и соавт., 1986), изученную группу новых штаммов слизеобразующих бацилл и "В, mucilaginosus subsp. siliceus" (Александров и соавт, 1950) предложено выделить в новый вид Bacillus edaphicus sp.nov..
При сравнительном изучении вклада "В. mucilaginosus" и естественного микробного сообщества в улучшение характеристик фарфоровой массы на основе каолина, а также качества фарфора выявлено преобладающее значение развития микробного сообщества. Показано, что развитие микробного сообщества каолина сопровождается снижением степени кристалличности каолина, а также увеличением доли оксалатрастворимого железа и содержания сильномагнитной фракции. В результате трансформации минералов железа микробным сообществом и последующей магнитной сепарации валовое содержание железа в каолине снижается с 0.70% до 0.34%.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования послужили основой для разработки комплексного метода обогащения каолинов и каолинсодержащего сырья, защищенного патентом РФ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных симпозиумах "Interaction of Soil Minerals with Organic Components and Microorganisms" (Франция, 3-6 сентября 1996 г), "International Symposium on SUBSURFACE MICROBIOLOGY (Швейцария, 15-21 сентября 1996 г), Международной конференции "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические
проблемы" (Пермь, Россия, 8-11 октября 1996 г.) и Международной Научно-Практической Конференции по использованию достижений науки и техники в развитии городов, посвященной 850-летию основания Москвы (Москва, Россия, 19-22 ноября 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи и 4 статьи находятся в печати, получено положительное решение на патент РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на /Збстра-ницах машинописного текста и содержит 2Ц таблиц и 36 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Список цитируемой литературы включаеті^У наименований.