ШТАММ БАКТЕРИЙ ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS ДЛЯ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕДИ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ СУЛЬФИДНЫХ РУД Российский патент 2009 года по МПК C12N1/20 C12R1/01 

Изобретение относится к биогеотехнологии и касается штамма бактерий, способных к биовыщелачиванию руд.

Использование процессов выщелачивания привлекательно из-за его более низких инвестиционных и эксплуатационных затрат и возможности переработки бедных руд и отходов флотации.

Известен способ выщелачивания с использованием высоких температур в диапазоне 75-80°С, позволяющий избежать процесса пассивирования поверхности минеральных частиц [1]. Недостатком данного способа является его приемлемость лишь для выщелачивания рудного концентрата в закрытых резервуарах с перемешиванием и подогревом, но непригодность при переработке отходов обогащения в кучах или отвалах.

Известны способы переработки руд и рудных концентратов, предполагающие использование различных штаммов микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidans [2, 3, 4, 5]. Предложен, например, способ биологического выщелачивания бедной металлами сульфидной руды, содержащей халькопирит, сфалерит и пирит, позволяющий извлечь из нее 14,24% содержащегося цинка и 6,89% меди [6]. Недостатком применения известных штаммов бактерий для обработки бедной руды является низкая степень извлечения меди.

За прототип изобретения принят типовой штамм Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882, депонированный во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов под номером В-9460.

Недостатком известного штамма является низкая его продуктивность при биовыщелачивании меди из отходов обогащения сульфидных руд.

Технической задачей изобретения является выделение адаптированного к отходам обогащения медно-сульфидных руд, высокоактивного в отношении выщелачивания меди микробного штамма.

Техническая задача решается применением штамма бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12, выделенного из сточных вод отвалов отходов переработки медно-цинковых руд Гайского ГОК.

Предлагаемый штамм Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 поддерживается в коллекции микроорганизмов Института биологии Уфимского научного центра РАН и характеризуется следующими признаками. Грамотрицательная бактерия с бациллярной морфологией, клетки размером 0,2-0,4 мкм, подвижные. Штамм является облигатным аэробом, хемолитоавтотрофом, строго ацидофильный (рН=1-4). Оптимальная температура для роста 25-30°С. Способен использовать в качестве единственного источника энергии окисление Fe(II) до Fe(III), Mn(II) до Mn(IV), элементарной серы, тиосульфата, сульфид иона, минералов пирита, пирротина, халькопирита, халькозина, кавеллина, сфалерита с выделением серной кислоты. Штамм потребляет аммонийный азот. Не способен использовать нитраты, сахара и пептон. Отношение к ингибиторам изучалось по физиолого-биохимическим свойствам культуры. Естественными ингибиторами являются углеводы (глюкоза, сахароза, арабиноза, мальтоза, фруктоза, рибоза), рост подавляется повышением рН более 4. Рост и окислительная активность обратимо ингибируется тимолом в концентрации 2-5 мг/л, солями кальция в концентрации 10-20 г/л. В процессе культивирования на синтетической минеральной среде с железом (II) или сульфидами не нуждается в витаминах и иных факторах роста. Стимулируется добавлением суммы микроэлементов (сульфатов или хлоридов Zn, Cu, Со, Mn по 50-80 мкг на 1 л среды) или полиметаллических сульфидных руд (в количестве 1-20 г на 1 л среды).

Токсины не образует, не патогенен (согласно классификации микроорганизмов, приведенных в Санитарных правилах СП 1.2.731-99). На основе морфологических и культуральных признаков идентифицирован с помощью определителя Bergey's Manual of Determinative Bacteriology.

Штамм хранится в жидкой питательной среде в холодильнике с пересевом на свежую среду через 1-2 месяца. Для культивирования штамма Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 с целью накопления биомассы и выщелачивания металлических ионов из отработанных сульфидных руд применяют питательную среду следующего состава:

Раствор А

(NH₄)₂SO₄ - 132 мг,

(MgCl₂)×6H₂O - 53 мг

CaCl₂×2H₂O - 147 мг

КН₂PO₄ - 27 мг

дистиллированная вода - 950 мл

pH 1,8 (H₂SO₄)

Раствор Б

(FeSO₄)×7H₂O - 20 г

Н₂SO₄(25N) - 50 мл

Раствор микроэлементов

MnCl₂×2H₂O - 62 мг

ZnCl₂ - 68 мг

(CoCl₂)×6Н₂O - 64 мг

Н₃BO₃ - 31 мг

Na₂MoO₄ - 10 мг

CuCl₂×2Н₂O - 67 мг

дистиллированная вода - 1000 мл

Стерилизуют растворы при 0,5 атм 30 минут. Стерильные растворы А и Б смешивают и добавляют 1 мл раствора микроэлементов. рН среды 1,8.

Пример 1

Сравнение способности к выщелачиванию меди бактериями Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 и типовым штаммом Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 проведено на лабораторной модели кучного биовыщелачивания меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковой руды Учалинского ГОКа.

Параллельно были поставлены варианты опыта с суспензией бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 и Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 с одинаковым исходным титром 10⁶ кл/мл и контроль без внесения бактерий этого вида. Для этого 2 кг подготовленной руды смешивались с 50 мл водной суспензии бактерий с указанным титром, засыпались на стеклянный лоток с отверстиями и помещались в емкость с 4 л питательной среды без железа так, что нижняя поверхность лотка погружалась в питательную среду. Емкости инкубировались при температуре 25°С в течение 14 дней с принудительной аэрацией, периодическим перемешиванием руды и поддержанием рН, равным 1,8-2,5.

Использованная для обработки руда имела следующие характеристики: содержание меди 2,2 г/кг, минералогический состав - 75% пирротино-пирит, 20% кварц, 3% пирротин, 1% халькопирит, 1% пирит. Срок хранения отработанной руды в отвалах 1 год. Количество аборигенных ацидофильных железо и серобактерий (6,0±0,7)×10³ кл/мл и (4,5±0,1)×10² кл/мл соответственно. Отработанная руда была предварительно промыта в 1% серной кислоте для удаления растворимых солей и простерилизована в автоклаве в течение 30 мин при 125°С.

Количество хемолитоавтотрофных микроорганизмов в рудных образцах и инокуляте оценивали методом предельных разведений в жидкой питательной среде с железом (II). Активность выщелачивания - по скорости выделения ионов меди в раствор в процессе ферментации с Acidithiobacillus ferrooxidans. Концентрация ионов меди в рудных образцах после их предварительного растворения измерялась на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки ASS-3. Аналогичным образом оценивалась активность типового штамма Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882, полученного из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов.

По окончании процесса ферментации титр Acidithiobacillus ferrooxidans в рудных образцах, инокулированных микроорганизмами, составил (5,7±0,4)×10⁷ кл/г и (1,1±0,3)×10⁶ кл/г соответственно для предлагаемого штамма и прототипа. За счет деятельности внесенных в отработанную руду Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 из нее было извлечено 25% меди. Эффективность предлагаемого штамма Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 была выше - 41%.

Пример 2.

Аналогично примеру 1 бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 использовали для биологического выщелачивания меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд Медногорского медно-серного комбината.

Срок хранения отработанной руды в отвалах 6 лет. Минералогический состав образца: пирит 78%, доломит 13%, кварц 7%, уголь 1,5%, гематит 0,3%, халькопирит 0,1%. Содержание меди составляло 3,300±0,035 г/кг. Количество аборигенных ацидофильных железо и серобактерий (2,8±0,5)×10³ кл/г и (2,2±0,4)×10² кл/г соответственно. Отработанная руда была предварительно промыта в 1% серной кислоте для удаления растворимых солей и простерилизована в автоклаве в течение 30 мин при 125°С.

Показано, что предложенный штамм Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 был лучше приспособлен к росту за счет окисления данной руды. Численность его по завершении эксперимента была в 26 раз выше, чем у штамма-прототипа и составляла (2,1±0,3)×10⁷ кл/г, с его помощью было извлечено 30% содержащейся в руде меди, тогда как с помощью прототипа лишь 19%.

Таким образом, предлагаемый штамм Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 более эффективен в отношении выщелачивания содержащих сульфиды меди отработанных руд по сравнению с штаммом-прототипом Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 (ВКПМ-9460).

Пример 3.

Микроорганизмы, предназначенные для биовыщелачивания металлов из отработанных руд, должны обладать устойчивостью к действию ионов этих металлов.

Влияние ионов меди, цинка, железа, марганца и кобальта на штаммы бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 и Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 было оценено в процессе их культивирования на питательной среде с железом и дополнительным внесением сульфатов этих металлов в возрастающих концентрациях. Время культивирования 96 часов, температура 30°С.

Результаты представлены в таблице 3.

Добавленные в питательную среду в количестве до 10 г/л ионы Cu²⁺ не оказывали существенного влияния на скорость роста штамма Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12, тогда как в концентрации 15 г/л тормозили, а в концентрации 20 г/л подавляли их рост. Токсичность Cu²⁺ по отношению к типовому штамму проявлялась при меньшем содержании металла в среде.

По отношению к ионам Zn²⁺ критическая концентрация, при которой еще возможен рост, для типового штамма Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 была равна 15 г/л, для Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 она составила 40 г/л. К кобальту рассматриваемые штаммы были устойчивы вплоть до концентрации 1 г/л и 10 г/л соответственно.

Сравнение устойчивости штаммов Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 и Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 к воздействию ионов Mn²⁺ позволило выявить преимущество предложенного штамма, который был способен расти при концентрации этого металла до 10 г/л.

Fe³⁺ в концентрации более 350 г/л подавляло рост Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12. Однако устойчивость предлагаемого штамма была выше, чем у типового, который рос лишь при концентрации Fe³⁺ до 250 г/л.

Таким образом, предлагаемый активный штамм Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12 лучше адаптирован к росту в присутствии солей тяжелых металлов по сравнению с типовым штаммом Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882, что служит дополнительным преимуществом в процессе биовыщелачивания меди из отходов обогащения полиметаллических сульфидных руд.

Таблица 1Параметры выщелачивания меди из отработанных сульфидных руд Сибайского филиала Учалинского ГОКаМикроорганизмыТитр Acidithiobacillus ferrooxidans no завершении эксперимента, кл/гСкорость выщелачивания, г/(кг сутки)Извлечено металла, %Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12(5,7±0,4)×10⁷0,066±0,00441Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 (ВКПМ-9460) (прототип)(1,1±0,3)×10⁶0,039±0,00525Стерильный контроль-0,002±0,0011

Таблица 2Параметры выщелачивания меди из отработанных сульфидных руд Медногорского медно-серного комбинатаМикроорганизмыТитр Acidithiobacillus ferrooxidans no завершении эксперимента, кл/гСкорость выщелачивания, г/(кг сутки)Извлечено металла, %Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12(2,1±0,3)×10⁷0,070±0,00530Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 (ВКПМ-9460) (прототип)(8,1±0,6)×10⁵0,044±0,00319Стерильный контроль-0,006±0,0013

Таблица 3Максимальные концентрации тяжелых металлов, не подавляющие рост микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidansШтаммКонцентрация, г/лZn²⁺Cu²⁺Со²⁺Mn²⁺Fe³⁺A.ferrooxidans ИБ 1240151010350Acidithiobacillus ferrooxidans DSM 14882 (ВКПМ-9460) (прототип)15515250

Список литературы

1. Заявка US №20030167879 Heat transfer in heap leaching of sulphide ores/ Batty J.K.; Norton A. 2003.

2. Описание изобретения к заявке №94035845 А1. Способ переработки сульфидных продуктов цветных металлов, содержащих медь и никель/ Фомченко Н.В., Волчек A.M., Гдалин С.И., 1996.

3. Патент РФ №2059004. Способ выщелачивания металлов из руд/ Шугина Г.А., 1996.

4. Патент №1041593. Способ бактериального выщелачивания металлов из руд и концентратов/ Гришин С.И., Адамов Э.В., Панин В.В., Корешков Н.Г., Качелкин А.В., Скакун Т.О., 1983.

5. Патент №1511287. Способ переработки сульфидных медно-цинковых концентратов/ Фомченко Н.В., 1989.

6. Патент №943309. Способ бактериального выщелачивания цветных металлов из руд/ Скрипченко Л.Н., Илялетдинов А.Н., 1984.

Изобретение относится к биогеотехнологии. Штамм Acidithiobacillus ferrooxidans ИБ 12, обладающий высокой способностью к извлечению ионов меди, может быть использован для биовыщелачивания отходов флотационного обогащения сульфидных руд. Изобретение позволяет повысить эффективность выщелачивания меди из отходов обогащения полиметаллических сульфидных руд. 3 табл.

Штамм бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans, депонированный в Коллекции микроорганизмов Института биологии Уфимского научного центра РАН под номером ИБ 12, для биовыщелачивания меди из отходов обогащения сульфидных руд.