Введение к работе
Актуальность проблемы. Ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы (АХМ), участвующие в окислении сульфидных минералов, составляют филогенетически гетерогенную группу, включающую представителей нескольких филумов бактерий и архей, объединяемых по физиологическим признакам: ацидофилии; использованию для энергетического метаболизма неорганических соединений (двухвалентного железа, серы и ее восстановленных соединений, а также большого разнообразия сульфидных минералов); устойчивости к ионам тяжелых металлов, которые накапливаются в местах обитания АХМ в результате растворения сульфидных минералов [Каравайко и др., 2006; Schippers, 2007].
АХМ играют ключевую роль в закислении рудничных вод и загрязнении их тяжелыми металлами, но благодаря использованию в биогидрометаллургических технологиях получения цветных и благородных металлов из сульфидных руд имеют большое практическое значение.
Окисление сульфидных минералов в природных и техногенных экосистемах осуществляется сообществами, в состав которых, помимо АХМ, зачастую входят и гетеротрофы, играющие косвенную роль в окислительных процессах, а иногда и окисляющие неорганические субстраты [Schippers, 2007; Johnson et al., 2009].
До недавнего времени основное внимание исследователей уделялось изучению мезофильных сообществ АХМ. Отмечен ряд закономерностей в формировании их видового состава и влияние на этот процесс различных факторов среды [Goebel & Stackebrandt, 1994; Pizarro et al., 1996; Gonzalez-Toril et al., 2003].
Поскольку процессы окисления сульфидных минералов являются экзотермическими, особый интерес представляет применение в биогидрометаллургических технологиях умеренно термофильных и термотолерантных АХМ [Меламуд, 2000; Plumb et al., 2007].
В последние годы сообщества термоацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов из разных мест обитания начали активно изучаться [Tyson et al., 2004; Hawkes et al., 2006 a, b; d'Hugues et al., 2008; Okibe et al., 2003]. Имеющиеся результаты пока не позволяют понять закономерности их формирования, влияние факторов среды на видовой и штаммовый состав и на эффективность окисления сульфидных минералов. Поэтому исследование термоацидофильных микробных сообществ представляет научный и практический интерес.
Цель и задачи исследования. Цель исследования - изучить состав термоацидофильных микробных сообществ, сформировавшихся в природных и техногенных экосистемах, и выявить факторы среды, влияющие на состав сообществ и скорость окисления сульфидных минералов.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить состав сообществ АХМ, осуществляющих биоокисление концентрата
руды Олимпиадинского месторождения в промышленном процессе при 40оС; в
лабораторном процессе при 50оС; на второй стадии в двухстадийном лабораторном процессе после выщелачивания концентрата на первой стадии при 80оС культуральной жидкостью, содержащей ионы трехвалентного железа.
-
Провести сравнительное исследование состава сообществ АХМ, осуществляющих биоокисление концентрата руды месторождения Кючус, и сформированного при переключении процесса на окисление концентрата руды Олимпиадинского месторождения.
-
Выделить накопительные культуры умеренно термофильных АХМ из природных экосистем (концентрат и окисленная руда месторождения Шануч и сульфидная руда Попутнинского месторождения) и изучить их состав.
-
Изучить полиморфизм фено- и генотипических свойств штаммов микроорганизмов одного вида, доминирующих в разных сообществах АХМ.
-
Провести сравнительное изучение скорости окисления минералов пирита, пирротина и арсенопирита сообществами АХМ из природных и техногенных экосистем.
Научная новизна. В результате сравнительных исследований выделенных из природных и техногенных экосистем сообществ умеренно термофильных и термотолерантных ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов, окисляющих сульфидные минералы, показано, что важнейшими факторами среды, формирующими их видовой и штаммовый состав, являются температура процесса окисления энергетического субстрата и его минералогические свойства.
Установлено, что изменение состава минерального субстрата (концентрата руды Олимпиадинского месторождения) при высокотемпературном окислении культуральной жидкостью, содержащей ионы трехвалентного железа, в двухстадийном процессе сопровождается замещением в сообществе доминирующих штаммов микроорганизмов.
Штаммы одного вида Sb. thermosulfidooxidans, выделенные из разных сообществ АХМ, отличаются физиологическими свойствами: оптимальными значениями рН и температуры для роста и окисления энергетических субстратов, способностью окислять различные энергетические субстраты и расти в авто-, миксо- или гетеротрофных условиях.
Скорость окисления сообществами АХМ сульфидных минералов в качестве единственных источников энергии зависит как от сходства их физико-химических свойств со свойствами минералов, присутствующих в субстратах, на которых сформировалось данное сообщество, так и от скорости его адаптации к новому субстрату.
Практическая значимость. Результаты исследований были использованы при составлении рекомендаций по интенсификации биотехнологических процессов извлечения золота из концентратов упорных сульфидных руд. Показана экономическая целесообразность окисления концентратов сульфидных руд сообществами умеренно термофильных АХМ за счет уменьшения расхода серной кислоты на поддержание необходимого рН, затрат электроэнергии и воды на охлаждение реакторов, снижения содержания серы в твердых остатках биовыщелачивания и расхода реагентов в процессе их сорбционного цианирования.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 5-ом и 6-ом Московских международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009, 2011); VII Международной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2010); VI Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2010); 4-ом Научном симпозиуме «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010); Международном совещании «Новые технологии обогащения и комплексной переработки труднообогатимого природного и техногенного минерального сырья» (Верхняя Пышма, 2011).
Личный вклад автора. Автором проведены микробиологические и биотехнологические исследования и осуществлен анализ полученных результатов. Автору принадлежит основная роль в написании экспериментальных статей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ: 6 статей, 1 обзор и 8 тезисов.
Объём и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 147 страницах машинописного текста, включают 27 таблиц и 25 рисунков. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы объекты и методы исследований, результатов исследований (в 4 главах), заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 362 работы, в том числе 45 на русском и 317 на иностранном языке.
Место выполнения работы. Исследования проводили в лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (зав. лаб. д.б.н. Т.Ф. Кондратьева), а также в ФГУП ЦНИГРИ. Молекулярно-биологические исследования проводили совместно с сотрудниками ЦКП ФГБУН Центр "Биоинженерия" РАН.
Благодарности. Автор выражает признательность научному руководителю д.б.н. Т.Ф. Кондратьевой, сотрудникам лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН, ЦНИГРИ и ЦКП Центра «Биоинженерия» РАН за помощь в выполнении работы и анализе данных, сотрудникам МИСиС и ЗАО «Полюс» за предоставление проб.
