Биовыщелачивание и биокоррозия Вайнштейн М Б Пущ ГЕНИ

Биовыщелачивание и биокоррозия Вайнштейн М. Б. Пущ. ГЕНИ и ИБФМ РАН 18. 10. 2016 1

Наша цивиллизация построена на использовании металлов. Некоторые эпохи цивиллизации даже назывались «Бронзовый век» , «Железный век» . Классический метод добычи металлов - пирометаллургия = выплавление при высокой температуре. Этот метод не годится при низком содержании 2 металла.

Пирометаллургия высоко эффективна. Однако затраты включают не только стоимость материалов и энергии, но и расходы на ремедиацию, восстановление окружающей среды. 3

Если содержание металла в сырье низкое (<1%), то добыча возможна путём растворения = гидрометаллургии. Этот метод известен, по крайней мере, для добычи меди с середины XVII века. В XVIII веке медь добывали промышленно, пропуская кислые растворы через кучи руды. Растворение меди: Copper contamination from the abandoned mine near Mount Isa is turning local waterways bright blue. 4

Кислые рудничные / шахтные воды (acid mine drainage (AMD)) Растворение железа: Acid mine drainage (AMD) is a long-term water pollution impact of mining in the coal fields of Appalachia and other areas of coal and metal mining. Picture presents a typical acid mine drainage from an abandoned coal mine. 5

Капля точит камень Leaching is a process where soluted chemicals are used to extract the economic element (metal) from the ore. Наиболее распространены в обработке две группы соединений металлов: сульфиды и окислы. Сульфиды окисляют (обычно – с образованием серной кислоты. Из окисленных минералов металлы добывают хелатированием или при разрушении структуры минералов переводом в раствор. The good examples of the reaction are effects of acid rains on some historic monuments and constructions. Carving of St. Peter, York 6

В целом минералы нерастворимы в воде. Поэтому металлы из них извлекают, разрушая структуру минералов. Наиболее выгодено извлечение металлов для редких и дорогих металлов, концентрация которых низка. Кучное выщелачивание урана известно с 50 -х годов ХХ века. Позже стали добывать уран и методом выщелачивания “insitu” = на месте (под землёй). 7

От выщелачивания – к биовыщелачиванию (bioleaching, biomining) It was found that process of metal recovery can be hasten with bacteria which oxidize compounds of mineral material or degrade is structure. Первый патент на bioleaching, то есть выщелачивание растворами с геохимически активными бактериями был выдан в 1958 г. в США. 8

Бактерии – внутри и вокруг 9

Различные бактерии используют различные источники энергии и углерода 10

Литотрофные бактерии используют энергию окисления неорганических (минеральных) соединений 11

Биовыщелачивание ценных металлов из сульфидных минералов Исторически основано на применении ТИОНОВЫХ бактерий. Большинство видов тионовых бактерий: - автотрофно – промышленный процесс не требует внесения органических добавок; - хемолитотрофно – источником энергии могут служить минеральные сульфиды. Выбор автотрофов и литотрофов позволяет снизить уровень промышленных затрат при добыче металлов. 12

Поиск и выделение тиобацилл. Накопительная (enriched) культура тионовых бактерий, выделенная из шахты Тулы = 13

Основные реакции бактериального окисления сульфидных руд Руды нерастворимы в воде – окисление происходит при непосредственном колнтакте клеток с минералом (выгодно размельчать минералы). Есть бактерии, например Acidithiobacillus ferrooxidans, способные получать энергию при окислении и сульфида, и железа: 14

Модель биоокисления арсенопирита Fe. As. S A. ferrooxidans (по Г. И. Каравайко) 15

Подкисление и разрушение минеральной структуры бетона Thiobacillus concretivorus (проект CRDF, Серпухов, 6 месяцев) [thio = сера, bacillus = палочка, concrete = бетон, vorus = едящий, пожирающий] Контроль С бактериями, срез корочки гипса 16

Acidithiobacillus spp. и оптимумы р. Н и температуры бактерий и архей, окисляющих серу Acidithiobacillus Kingdom: Eubacteria Phylum: Proteobacteria Class: Gammaproteobacteria Order: Acidithiobacillales Family: Acidithiobacillaceae Genus: Acidithiobacillus Species Acidithiobacillus albertensis Acidithiobacillus caldus Acidithiobacillus cuprithermicus Acidithiobacillus ferrooxidans Acidithiobacillus thiooxidans 17

Strictly acidophilic bacteria in bioleaching На практике при промышленном биовыщелачивании применяют одновременно и химическую обработку, например, серной кислотой, которая задаёт низкие значения р. Н и разрушает минералы. В патенте США № 4, 098, 870 (1978) серную кислоту добавляют из расчета на сухую руду = 4 : 5. The acid supplementation helps to destroy / dissolve some minerals (for example: carbonates), - to stimulate oxidation of sulfide minerals, - to form favorable conditions for strict acidophilers. 18

Problems of bioleaching with the strict acidophilic bacteria Негативные последствия внесения кислоты (и образования серной кислоты бактериями): - кислота – дорогой реагент, - её внесение ведёт к закислению территории и расходам на её ремедиацию (= восстановление). Gumeshevski Deposit, Ural, Russia 19

Acid mine drainage due to pyrite oxidation in tailings in the northern Sweden, p. H 2. 7 (by: A. Schippers & F. Glombitza) 20

Why acid conditions are so necessary to leach? Ионная форма (состояние) элемента в растворе или при переходе в твердое состояние регулируется значениями p. H и окислительно-восстановительного потенциала (Eh). 21

Mining and Mineral Sciences Laboratories, Canada, заказали нам проект МНТЦ № 3624 “Leaching of nickel ores with moderate acidophilers” (2007 -2010). Мы изучили 16 S r. DNA из отходов (хвостов) канадских никелевых руд с нейтральным p. H. Три отобранные образца были сходны по составу бактериальных сообществ. Доминирующие сульфидокисляющие штаммы относились к неизвестным “viable non-culturable” (VNC), в основном - Acidithiobacillus. 22

Bacteria dominating in communities in dumps (tails) of the Canadian nickel ores According to the estimated similarity of the discovered bacterial gene sequences with the known ones in the Gen. Bank, 39 clones whose similarity was ≥ 97% were identified as representatives of the genera Acidithiobacillus, Leptospirillum, Halothiobacillus, and Pseudomonas. The most abundant was the genus Aciditiobacillus. In whole, biodiversity and dominating in the ore bacterial communities can be presented with the following scheme: Acidithiobacillus > Leptospirillum > Halothiobacillus > Thiomonas > Pseudomonas > Delftia. 23

Кучное (heap) и чановое (vats, tank) выщелачивание Radio Hill, Australia Siberia, Russia Zeravshan, Tajikistan Yantai, China 24

Лабораторные модели выщелачивания в колбах (чановое) и проточных колонках (кучное) 25

Бактериальные сообщества в накопительных (enriched) культурах из хвостов канадской никелевой руды A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 B 0 B 1 B 2 B 3 B 4 C 0 C 1 C 2 C 3 C 4 The letters A, B, and C on the figure sign three samples of the ores where A 0, B 0, and C 0 is initial composition of the communities. The enriched cultures were used in the bioleaching experiments with different p. H and temperature: A 1 - p. H 2, 28 o. C; A 2 – p. H 26 4, 28 o. C; A 3 – p. H 2, 45 o. C; A 4 – p. H 4, 45 o. C - etc.

Филогенетический анализ / идентификация по 16 S r. DNA в накопительных культурах после выщелачивания в колбах: данные сходны с исходными хвостами: доминировали “VNC” (viable but not culturable) штаммы родов Acidithiobacillus, Leptospirillum и Halothiobacillus. 27

Руда t, o. C p. H Инокулят Эксперименты по биовыщелачиванию никеля из канадских сульфидных руд аборигенной микрофлорой хвостов. C 2 4 0. 000 28 45 2 0. 000 24. 348 28 45 B 28 45 A 4 32. 758 16. 472 28 28 2 0. 000 27. 819 45 28 45 4 Хвосты A Ni 2+, мг/л 0. 000 Хвосты B Руда C Хвосты C 50. 445 75. 473 52. 247 31. 489 28

Example from Bio. Heap Ltd – the Australian company that is in the heap bioleaching business more than 10 years (more than 10, 000 US$) Chalcopyrite, low grade Cu, % Fe, % S, % 0. 29 2. 10 29

Сравнение выщелачивания никеля из канадских руд разными штаммами тионовых бактерий Руда Штаммы A. thiooxidans T. concretivorus B - Acidithiobacillus thiooxidans NCIMB 8342, - Thiobacillus concretivorus (A. thiooxidans) NCIMB 8345, - Acidithiobacillus albertensis DSM 14366, C - Thiobacillus denitrificans DSM 12475, - Halothiobacillus halophilus DSM 6132 A. albertensis Ni 2+, мг/л-9 дней 0 0 74± 1 T. denitrificans 0 H. halophilus 0 A. thiooxidans 124± 5 T. concretivorus 124± 5 A. albertensis 124± 5 T. denitrificans H. halophilus 0 30 124± 5

Сравнение выщелачивания никеля из руды умеренно ацидофильными бактериями H. halophilus и одной аборигенной биотой Руды Засев B Ni 2+, мг/л 4 дня 54 дня рудой 0. 09± 0. 01 2. 07± 0. 02 B хвостами 0. 25± 0. 03 11. 4± 0. 1 B H. halophylus 0. 19± 0. 02 114± 1 C рудой 1. 68± 0. 02 28. 1± 0. 2 C хвостами 1. 43± 0. 01 27. 8± 0. 2 C H. halophylus 0. 36± 0. 04 131± 1 31

Биовыщелачивание никеля умеренно ацидофильными бактериями H. halophilus и ацидофильными Acidithiobacillus sp. Бактерии Время, дни H. halophilus 2 DSM 6132 4 p. H 7. 5 Ni 2+ в растворе мг/л % <9 0 7 10 15 Acidithiobacillus sp. KZ 2 9. 6± 0. 0 Биомасса, мг белка/л 42. 1± 0. 1 6 5 5 5 25. 0± 0. 2 36. 2± 0. 2 0. 6 2. 0 1. 6 2. 2 59. 8± 0. 2 83. 3± 0. 6 2 5 14. 8± 0. 0 0. 9 107. 8± 0. 5 4 7 10 4. 5 4 4 61. 7± 0. 2 146. 0± 1. 0 654± 5 3. 9 9. 1 40. 9 155. 5± 0. 5 146. 7± 0. 8 15 3 619± 5 38. 0 32 672. 0± 3. 0 30. 5± 0. 3

Improved environmental outcomes The suggested replacement of strong acidophilic bacteria for moderate acidophilic ones shall decrease addition of sulfuric acid, shall decrease prime cost of nickel, and, as well, shall decrease expenses for the site remediation. Application of the moderate acidophilic bacteria permits also the secondary application of the strong acidophilic bacteria without chemical supplements because the first ones acidify the dumps themselves. 33

J. T. Pronk, W. M. Meijer, W. Hazeu, J. P. Van Dijken, P. Bos, and J. G. Kuenen Growth of Thiobacillus ferrooxidans on Formic Acid Applied аnd Environmental Microbiology 1991, V. 57, № 7, pр. 2057 -2062 «… Thiobacillus ferrooxidans ATCC 21834, which, however, could not grow on formate in normal batch cultures. However, the organism could be grown on formate when the substrate supply was growth limiting, e. g. , in formate-limited chemostat cultures. The cell densities achieved by the use of the latter cultivation method were higher than cell densities reported for growth of T. ferrooxidans on ferrous iron or reduced sulfur compounds. Inhibition of formate oxidation by cell suspensions, but not cell extracts, of formate-grown T. ferrooxidans occurred at formate concentrations above 100 m. M. This observation explains the inability of the organism to grow on formate in batch cultures. Cells grown in formate-limited chemostat cultures retained the ability to oxidize ferrous iron at high rates. Ribulose 1, 5 -bisphosphate carboxylase activities in cell extracts indicated that T. ferrooxidans employs the Calvin cycle for carbon assimilation during growth on formate. Oxidation of formate by cell extracts was NAD(P) independent. » 34

Опыты по стимуляции автотрофных бактерий H. halophilus органическими C 1 -соединениями (кстати, а чем различаются органические и неорганические соединения? ) 35

Изменения p. H и концентраций Ni 2+ и SO 2 - при выщелачивании канадской руды С вборигенными бактериями и H. halophilus 4 Метанол, 0. 3% Врем 2+ я, дни p. H Ni , мг/л SO 42 -, мг/л 0 249± 2 8 7. 4 6. 0 0. 7± 0. 1 2555± 18 2710± 18 14 5. 8 1. 1± 0. 0 20 5. 8 6. 2± 0. 5 2862± 24 34 5. 8 12. 1 ± 0. 1 3154± 24 43 5. 8 31. 2± 0. 2 5336± 31 Формиат, 0. 3% Ni 2+, p. H мг/л 7. 4 6. 0 0. 0 1. 6± 0. 0 5. 8 3. 1± 0. 4 572± 2 SO 42 -, mg/l 156± 1 3035± 20 3271± 25 Контроль (Blank) Ni 2+, p. H мг/л 7. 4 6. 0 0. 1± 0. 0 6. 2 0. 9± 0. 1 3747± 26 6. 0 1. 8± 0. 2 5. 4 1008 ± 8 5809± 39 13. 8 5. 8 ± 0. 1 5. 4 1116± 8 7557± 52 5. 6 35. 4± 0. 5 SO 42 -, mg/l 229± 2 2235± 14 3046± 23 3443± 27 36 3532± 22

Влияние метанола на рост (optical density of biomass) H. halophilus 37

ФЦП № 14. 740. 11. 0414 от 20. 09. 10. «Бактериальное выщелачивание драгоценных металлов при переработке и утилизации техногенных отходов» ФЦП № 14. 512. 11. 0098 от 27. 06. 2013 г. «Проблемнопоисковые исследования с целью разработки новых методов анализа микробиологических повреждений промышленных материалов для сооружений и конструкций и повышения антимикробной устойчивости материалов» ФЦП № 14. 604. 21. 0048 от 23. 06. 14 «Развитие эффективной технологии биовыщелачивания ценных металлов из твердых отходов горнорудной промышленности» 38

Выщелачивание никеля из силикатных минералов органическими кислотами Культуральная среда после роста дрожжей Yarrowia lipolytica: 50 г/л изо-лимонной кислоты (p. H 6; 2 дня выщелачивания) Canadian ores p. H Ni, мг/л A (silicate ore) 6. 5 12. 3 – 24. 7 B C 4. 5 4. 0 12. 3 – 24. 7 Выщелачивание никеля молочной кислотой 74. 1 Выщелачивание никеля из Уральской силикатной руды Лимонная и изолимонная кислоты, г/л Ni, % 10. 0 + 50. 0 100. 0 2. 7 13. 0 39

Выщелачивание уральской силикатной руды микробной ассоциацией “Ti. Bi” ( «индийский рис» ) According to published data, the microbial association (consortium) “Ti. Bi” includes yeasts Saccharomyces and Candida and milk-acid lactobacilli and lactococci. In our case, Образование лимонной и изоthe dominating bacteria лимонной кислот и выщелачивание никеля за 72 часа were Lactobacillus Кислоты, г/л 0. 3 satsumensis. Ni, % 0. 4 40

Microbial association “Ti. Bi” produces both acids and sugars (exopolysaccharides) Organic acid production, g/l Iso-citric Citric Ratio p. H final aerobic 0. 30 0. 47 1 : 1. 5 3. 92 Conditions microaerophilic 0. 30 0. 62 1: 2 3. 89 anaerobic 0. 20 0. 85 1 : 4. 25 3. 75 41

«Силикатные бациллы» Paenibacillus mucilaginosus и P. edaphicus не образуют кислот – только сахара. Они тоже извлекали никель из силикатов. Биомасса – 22 мг белка/л. Glassy slags 42

Предполагаемые реакции сахаров с силикатами J B Lambert et al. Science 2010; 327: 984 -986 43

Выщелачивание стекловидных шлаков 5% глюкозой Время, p. H дни Концентрации в растворе, мг/л Ni Co Fe 0 7. 0 0. 000 2 0. 000 7. 0 -7. 3 0. 122 -0. 216 0. 084 -0. 103 106. 9 -115. 6 4 8. 0 0. 231 -0. 436 0. 571 -1. 744 291. 5 -296. 5 6 7. 0 0. 360 -0. 920 7. 537 -10. 806 863. 4 -1091. 6 44

Доминирующие сахара, образуемые силикатными бациллами как экзополисахариды Р. mucilaginosus и Р. еdaphicus: 1 – раффиноза, 2 – глюкоза, 3 – манноза 45

Выщелачивание никеля из стекловидных шлаков и силикатной руды образующими слизь Р. mucilaginosus и Р. еdaphicus при разных p. H Концентрация, мг/л Сырьё Ni Контроль (Blank) Р. mucilaginosus Р. еdaphicus Шлаки Руда Fe Со 0. 08 0. 86 0. 78 0. 06 12. 94 18. 39 6. 82 143. 45 134. 82 15. 01 98. 09 112. 37 0. 21 1. 55 0. 65 0. 24 2. 82 2. 11 p. H 0 p. H 1 9. 0 5. 0 9. 5 9. 0 5. 0 8. 0 The slime is formed with exopolysaccharides = sugars. 46

Сопряженная (аэробная и анаэробная) трансформация металлов В экспериментах при выполнении НИР по заказу Минобороны РФ нами было показано, что окисление металла может происходить при формировании анодной зоны на поверхности металла. При этом создание гальванической пары «анод-катод» может достигаться развитием бактерий, не трансформирующих металл в прямых реакциях. Алюминиевая проволока в анаэробной и аэробной пробирках Изменение веса 1 см проволоки Создание гальванических пар 47