Презентация "БИОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВМЕТОДЫ ЭКОЛОГИИ МИКРООРГАНИЗМОВ" – проект, доклад

БИОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ МЕТОДЫ ЭКОЛОГИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Выполнили: Галабурда С. Иванов Н. Кострикина Д. Михайлова Д. Черноморченко М.

БИОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

История биотехнологии металлов

Открытие микроорганизмов, важных для биогеотехнологии металлов

Физико – химические основы выщелачивания металлов из руд

Бактериальное окисление субстратов включает следующие стадии

взаимодействие поверхностных структур бактерий с окисляемым субстратом (сорбция, адгезия); изменение физико-химических свойств окисляемых субстратов и их транспорт в клеточную стенку; окисление субстратов в поверхностных структурах клеток; транспорт электронов и протонов; образование мембранного потенциала; синтез АТФ и образование воды.

Окисление Fe

Окисление Fe 2+ грамотрицательным A. ferrooxidans связано с его транспортом в периплазматическое пространство клетки. При переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода, который состоит из электрического и химического компонентов. Этот электрохимический потенциал обеспечивает синтез АТФ. Со второй половиной реакции окисления Fe2+ (2ё + 2Н+ + '/202 —>Н2О) связан также механизм регуляции внутриклеточного pH, равного 6,5.

Окисление серы и сульфидных минералов.

Японскими исследователями были открыты ферменты серо- (сульфид)-Ре +-оксидоредуктаза (S° + 4Fe + + ЗН20 —» H2S03 + + 4Fe + + 4Н+) и сульфит-Fe +-оксидоредуктаза (H1SO3 + 2Fe+ + I 4Н20 1H2S04 I 2Fe | 2Н+).

Механизм первичных реакций окисления серы и сульфидных минералов

Элементная сера растворяется в веществах липидной природы до коллоидного состояния и поступает в периплазматическое пространство, где и окисляется. В основе окисления сульфидных минералов лежит биоэлектрохимический процесс. Бактерии благодаря сорбции клеток и действию экзометаболитов на минералы изменяют их электродный потенциал, заряд, повышают электропроводность среды, создают высокий окислительно-восстановительный потенциал среды, создают определенную разность потенциалов между минералом и средой-электролитом

Размеры частиц и плотность пульпы

Размеры частиц руды или концентрата определяют площадь их поверхности, от которой зависит адгезия бактерий и ско­рость окислительных процессов.

Влияние химических элементов.

Токсичность металлов для бактерий зависит от физиологического состояния бактерий, химичес­кого состояния металлов и степени их взаимодействия в среде. К наиболее токсичным катионам относят Cd, Ag, Hg и U. Анионы Se, As и Mo более токсичны, чем большинство катионов металлов.

Источники питания

Важнейшими элементами для жизнедеятельности хемолитотрофных бактерий в биогидрометаллургии являются азот и фосфор. С солями азота и фосфора поступает и калий.

Влияние микробиологических факторов.

Фенотипическая вариабельность бактерий является результатом 1) активности геномной регуляторной системы 2) адаптации их к новым условиям среды, а штаммовый полиморфизм выражается в разнообразии структуры хромосомной ДНК.

Влияние температуры

При снижении температуры с 26 до 15 °С средняя удельная скорость роста различных штаммов A. ferrooxidans уменьшалась в 2,8—4 раза, а средняя скорость окисления Fe + — в 2,3 — 3 раза. При снижении температуры с 15 до 8 °С эти величины уменьшались в 6,1 — 13,3 и 4,5 —8,0 раз соотвественно. L.ferrooxidans резко снижает окислительную активность при температуре ниже +14 °С.

Биогидрометаллургические технологии переработки руд и концентратов

A.ferrooxidans A.thiooxidans L.ferrooxidans F. acidiphilum

p. Sulfobacillus A.caldus p. Acidianus Metallosphaera

Кучное и подземное выщелачивание меди

Бактериальнохимическое выщелачивание цветных металлов проводят из отвалов бедной руды (кучное) и из рудного тела в месте залегания (подземное). Орошение дробленой руды в отвале или в рудном теле осуществляется водными растворами H2S04, содержащими Fe3*, 02 и бактерии. Сульфидные минералы окисляются, а цветные металлы в кислой среде переходят в растворимое состояние. Металлы из растворов либо извлекают цементацией, либо концентрируют методом экстракции и затем извлекают электролизом. После извлечения ценных элементов растворы опять поступают на орошение руды (схема замкнутая) При нормальной и пониженной температуре катализируют хемолитотрофные бактерии A.ferrooxidans, A.thiooxidans, L.ferrooxidans и F. acidiphilum. В зонах разогрева руды при температуре 55 °С широко распространены умеренно-термофильные бактерии p. Sulfobacillus и A.caldus. При температуре выше 50 °С вплоть до 80 °С в окислительных процессах участвуют термофильные бактерии p. Acidianus и Metallosphaera.

1 — аэрация рециркулирующего раствора; 2 — насосная станция; 3 -- распреде­лительный трубопровод для подачи растворов; 4 — клапан; 5 — коллектор; 6 — гибкий полиэтиленовый шланг; 7 — нагнетательные скважины; 8 — рудное тело; 9 — дренажные желоба; 10 — насос для подачи продуктивны* раствором; II — лимниграфная установка; 12 — отстойник; 13 — желоб для осаждения мели; 14 — бункеры для меди; 15 — компрессорная установка

/ — куча; 2 — поверхность почвы; 3 — прулок для сбора продуктивных растпо ров; 4 — насос; 5 — желоба для цементации; 6 - прудок тля отработанного раствора; 7 — насос; 8 — система орошения отпала; 9 — металл

Подземное и кучное выщелачивание урана

Уран в рудах присутствует в основном в четырехвалентном состоянии в виде таких минералов, как ураноторит, уранинит. Эти соединения урана не растворимы в серной кислоте.Бактерии A. fcrrooxidans и другие участвуют в растворении урана, обеспечивая образование окислителя Fe3+. Из растворов уран извлекается классическим способом с использованием ионнообменных смол.

Уранинит

Переработка сложных руд и концентратов в реакторах (чановое выщелачивание)

Процесс извлечения металлов из концентратов с использованием бактерий и осуществляемый в специальных аппаратах называется чановым. Концентрат измельчают до размеров частиц 40— 70 мкм, помещают в контактный чан и создают плотность пульпы от 20 до 40 % твердого вещества и перемешивают при разной температуре в зависимости от вида добавленных бактерий. Растворы после частичной или полной регенерации используют для выщелачивания или сбрасываются в хвостохранилише.

Переработка золотомышьяковых концентратов

Золото и серебро встречаются в природе как в свободном состоянии, так и в кристаллических решетках сульфидных минералов, главным образом в арсенопирите (FeAsS) и пирите (FeS2). Наиболее простой, эффективной и экологически чистой является комбинированная технология, включающая бактериальное окисление. Сначала из руды получают концентрат, при этом содержание золота увеличивается до 50— 120 г/т. Концентрат измельчают до размеров частиц 95%-го класса — 0,044 мм. Затем готовят пульпу раствору 1:5. И вносят сообщество бактерий A. ferrooxidans и представителей родов Sulfobacillus,Leptospirillum и Ferropiasma. Это мезофильные бактерии (t= 30’С) Для извлечения золота используется способ ионообменной смолы.

Арсенопирит Пирит

Обессеривание углей

Сера в углях присутствует как в виде пирита, так и в виде сложных ароматических соединений. Удаление серы с помощью A.ferrooxidans из углей за 5 —8 суток извлекается до 97 % пиритной серы. Для извлечения серы, содержащейся в органических соединениях, делаются попытки использовать гетеротрофные бактерии.

Сера

Микроорганизмы как биосорбенты металлов

Сорбенты (от лат. sorbens — поглощающий) — твердые тела или жидкости, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды газы, пары или растворённые вещества.

Сорбация и осаждение металлов микроорганизмами

Экологические аспекты

Все технологические схемы этого способа добычи металлов - замкнутые, поэтому в значительной мере исключают выброс растворов в биосферу; подземное выщелачивание исключает необходимость отвода больших участков земли под горные предприятия, при этом сохраняется ландшафт; общим для всех гидрометаллургических предприятий отходом являются растворы, содержащие тяжелые металлы; проблема обезвреживания твердых отходов биогидрометаллургических производств, например соединений мышьяка (арсенат железа или кальция), цианидов, роданидов и т.д.; микроорганизмы, применяемые в биогеотехнологии для получения металлов, не патогенны и поэтому не представляют опасности для окружающей среды.

МЕТОДЫ ЭКОЛОГИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Выделение микроорганизмов из экониш и проблемы, связанные с некультивируемыми формами

Большинство микроорганизмов, растущих в природных образцах, еще ждут своей очереди быть выделенными в чистые культуры. По некоторым оценкам, мы можем культивировать меньше 0,1 % всего микробного разнообразия.

«Некультивируемые» микроорганизмы

Методы идентификации: прямые микроскопические наблюдения; различные приемы на основе молекулярной диагностики.