Экология бактерий

На месторождении протекают как химические, так и бактериальные окислительные процессы, в результате которых образуются кислые купоросные воды. Кроме того, имеются сероводородные воды, содержащие до 10 тыс. клеток сульфатредуцирующих бактерий в 1 мл. Вероятно, здесь происходит современное образование сероводорода.

При встрече кислых вод, несущих металлы, с сероводородными происходит образование вторичных сульфидов, что приводит к вторичной концентрации металлов на месторождении.

Сульфатредуцирующие бактерии присутствуют во многих месторождениях сульфидных руд. Особенно широко они распространены в Джезказгане. Лабораторные опыты показали способность бактерий образовывать сероводород за счет битумов, имеющихся в месторождении.

Многие авторы ставили модельные опыты по образованию сульфидов под действием биогенного сероводорода. Л.Г. Бас-Бекинг и Д. М о р получили биологическим путем ковеллин, дигенит, аргентит, сфалерит, галенит. Эти минералы были получены из карбонатов или хлоридов соответствующих металлов за счет восстановления сульфатов бактериями при развитии на среде с искусственной морской водой в атмосфере водорода или с добавкой лак-тата кальция. Л.П. Миллер в своих опытах получил сульфиды сурьмы, висмута, кадмия, кобальта, никеля, свинца, железа и цинка под действием биогенного сероводорода и высказал мнение о возможном бактериальном происхождении некоторых сульфидных руд. Рентгенограммы полученных сульфидов соответствовали рентгенограммам природных минералов.

Если в осаждении сульфидов основная роль принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, то в окислении сульфидных руд принимают участие тионовые бактерии, среди которых основную роль играет Th. ferrooxidans, который был выделен в 1947 г. А. К о л м е-ром и М. Хинклем из кислых вод угольных шахт. В отличие от остальных автотрофов, получающих энергию от какого-нибудь одного источника, Th. ferrooxidans способен использовать закисные соединения и серы, и железа. Этой способностью обусловлена двойная роль этого организма в окислении руд. Во-первых, Th. ferrooxidans окисляет практически все известные сульфиды (исключением, возможно, является киноварь), переводя большинство металлов в раствор. Во-вторых, окисляя железо, этот организм способствует образованию сульфата окиси железа; это соединение, в свою очередь, служит мощным окислителем сульфидов. По мнению С.С. Смирнова, это вещество может рассматриваться как один из важнейших факторов в процессе переработки сульфидов в качестве поставщика кислорода в различные горизонты зоны окисления, в том числе в наиболее глубокие. Окисление сульфидов под действием этого соединения протекает следующим образом:

Fe2 (S04) 3+RS -> 2FeS04+RS04

R - какой-нибудь металл. Th. ferrooxidans широко распространен в рудных месторождениях. В СССР этот организм был обнаружен на медно-никелевых месторождениях Кольского п-ова, Армении и Средней Азии, в Казахстане и других местах СССР. Также имеются сведения о его широком распространении в США, Канаде, Мексике, Испании и на юге Африки.

Геологическая деятельность Th. ferrooxidans в различных месторождениях зависит от ряда условий, прежде всего от состава руд. Хотя эти бактерии окисляют практически все сульфиды, их развитию способствует наличие пирита в месторождении, так как пирит является дисульфидом, и при его окислении образуется большое количество серной кислоты. В связи с тем что для развития бактерий нужна кислая среда, большое значение имеет состав вмещающих пород. Если они состоят из карбонатов, которые реагируют с кислотой и создают щелочную среду, Th. ferrooxidans обычно распространяется не очень широко. Массивные руды предпочтительнее для бактерий, чем мелковкрапленные. Но важно, чтобы руды были трещиноватыми, так как в этом случае они обладают большей поверхностью и более доступны для бактерий. Отсутствие кислорода в подземных водах часто является фактором, лимитирующим бактериальное окисление. Поэтому при промышленной разработке месторождения, когда увеличивается приток кислорода, окислительная деятельность бактерий усиливается.

Имеет значение и климатическая зона, в которой расположено месторождение. При высоких температурах в теплом климате окисление протекает быстрее, чем в условиях полярного климата. Хотя возможно, что среди Th. ferrooxidans встречаются психрофильные расы, все же процесс окисления у них протекает медленнее, чем у обычных рас при более высокой температуре.

Количество Th. ferrooxidans в рудничных водах колеблется от единиц (в Джезказганском месторождении) до десятков и сотен тысяч в 1 мл воды (в Дегтярском медноколчеданном месторождении на Среднем Урале).

По классификации С.С. Смирнова, сульфидные минералы по степени их устойчивости к химическому окислению располагаются следующим образом: пирротин, сфалерит, халькозин - наиболее легко разлагаемые; пирит, галенит и энаргит - трудно разлагаемые; остальные занимают промежуточное положение. Способность бактерий легко окислять различные сульфиды не всегда соответствует легкости их химического окисления. Так, сфалерит, отнесенный С.С. Смирновым к легко окисляемым сульфидам, более устойчив к микробному воздействию, чем галенит, который считается трудно разлагаемым сульфидом.

Марматит - сульфид цинка, содержащий железо, - окисляется быстрее, чем сфалерит, вероятно, потому, что в нем подвергаются окислению и железо, и сера. Скорость бактериального окисления зависит от размера частиц и степени кристаллизации минерала. Марказит - дисульфид железа, обладающий ромбической структурой, - легче окисляется бактериями, чем пирит, имеющий кубическое строение. Это зависит, вероятно, от прочности кристаллической решетки. Согласно К. Темплю и Е. Дельхэмпсу, процесс окисления пирита проходит несколько стадий. Этот процесс может протекать и химическим путем, но бактерии значительно ускоряют его.

При окислении пирита резко повышается кислотность окружающей среды, что часто приводит к нежелательным последствиям. Высокая кислотность ведет к быстрой коррозии оборудования шахт. Например, в некоторых шахтах чугунные задвижки выходили из строя через 2-3 дня, через 1 - 2 месяца приходили в негодность подъемные канаты, а рельсовые пути становились непригодными через 2-3 месяца.

Например, при сооружении Киевского метрополитена строители проходили пласт песчаных плывунов, содержащий пирит, кессонным методом. Использование сжатого воздуха при кессонных работах привело к быстрому окислению пирита, количество Th. ferrooxidans при этом возросло, повысилась кислотность воды и началась коррозия железобетонного туннеля метро. Окислительный процесс удалось приостановить через несколько месяцев после прекращения подачи воздуха.

Th. ferrooxidans быстро окисляет такие сульфиды, как антимонит (до трехокиси сурьмы) и галенит (до англезита). В данном случае наблюдается образование новых минералов под действием бактерий. Рентгеноструктурный анализ новообразования, возникающего при окислении антимонита, показал, что образовался сенармонтит - минерал, обладающий кубической структурой, который образуется в природе в зоне окисления сурьмяных месторождений.

Бактериальное выщелачивание руд

Способность Th. ferrooxidans окислять сульфиды нашла практическое применение для бактериального выщелачивания бедных руд. В настоящее время этот процесс используется в основном для обогащения медных руд с настолько низким содержанием меди, что их неэкономично обрабатывать обычным способом. Роль бактерий в этом процессе была выяснена недавно. В 1958 г. одной американской фирмой был запатентован способ бактериальной регенерации сернокислого окисного железа, выщелачивания меди и цинка из бедных руд, а также метод биологического обогащения молибденовых, железохромовых и железотитановых концентратов путем освобождения их от железа.

В настоящее время во многих странах микроорганизмы применяются для промышленного получения меди, урана и других металлов.

Бактериальное выщелачивание руд делится на кучное и чановое. Проводится кучное выщелачивание отвалов, которые складывают на подготовленной цементированной площадке. Крупные куски руды чередуют с мелкими, предусматривают вентиляционные ходы. Отвалы периодически орошают кислыми бактериальными растворами. Медь в результате окисления переходит в воду в виде медного купороса, затем ее выделяют из водного раствора. Чановое выщелачивание экономично проводить для более дорогого сырья, например для обогащения концентратов. При этом способе выщелачивания часто образуются высокие концентрации металлов, поэтому целесообразно применять культуры бактерий, предварительно приученные к высоким концентрациям меди, мышьяка и других элементов. Так, при чановом выщелачивании успешно протекает процесс освобождения оловянных и золотых концентратов от мышьяка. В этих концентратах мышьяк присутствует в основном в виде арсенопи-рита - сульфида, легко окисляемого Th. ferrooxidans. Процесс очистки концентратов, содержащих 4-6% мышьяка, протекает около 120 ч.

В настоящее время получает широкое распространение гидрометаллургия. Бактериальное выщелачивание занимает среди других гидрометаллургических методов одно из первых мест.

Сульфидам часто сопутствуют редкие элементы. По геохимическим данным, количество таких элементов, как кадмий, галлий, индий, таллий, уменьшается в продуктах окисления сфалерита и галенита в 50 раз. Лабораторные опыты по воздействию бактерий на сульфиды, в кристаллической решетке которых цинк или свинец изоморфно замещается редким металлом, показали, что под действием бактерий в растворе создается в 2-6 раз большая концентрация редкого элемента, чем при химическом окислении.

Таким образом, в миграции редких элементов и в обеднении ими зоны окисления сульфидных месторождений бактерии играют большую роль.

В такие сульфиды, как пирит, арсенопирит, антимонит, бывают включены мельчайшие частицы золота, которые при химическом и бактериальном окислении сульфидов должны освобождаться. Так, при окислении гравитационного концентрата под действием бактерий в раствор переходило около 0,5 мг/л золота.

Таким образом, бактерии способны воздействовать даже на такой инертный металл, как золото. Кроме Th. ferrooxidans и других тио-новых бактерий, которые оказывают косвенное воздействие, существуют микроорганизмы, способные создавать вещества, вступающие в водно-растворимый комплекс с золотом. И. П а р е были выделены гетеротрофные бактерии, которые образовывали на органических средах, содержащих пептон и соли органических кислот, вещества неизвестной природы, растворяющие золото. Под действием бактерий, определенных как Вас. firmus и Вас. sphaericus, в раствор переходило до 10 мг/л золота. Возможно, что расшифровка химической природы водно-растворимого комплекса золота даст промышленности новый растворитель.

Роль бактерий в круговороте железа и марганца

Железобактерии известны очень давно. В 1836 г. Эренберг высказал предположение, что эти организмы принимают участие в образовании болотных и дерновых железных руд. Из-за трудностей культивирования железобактерий в лабораторных условиях физиологические свойства этих микроорганизмов мало изучены.

Клетки железобактерий покрыты чехлом, состоящим из гидроокиси железа. В древних водоемах благодаря развитию железобактерий происходило постепенное накопление железа. Эти микроорганизмы могли принимать участие в самых ранних этапах образования железных руд (например, Криворожского). Изучение круговорота железа в почвах и озерах подтверждает ведущую роль бактерий в процессах окисления и восстановления железа.

Участие микроорганизмов в круговороте марганца заключается, во-первых, в восстановлении марганца до двухвалентного, в результате чего образуются подвижные формы, и, во-вторых, в его окислении, в результате которого марганец выпадает в осадок.

Восстанавливать марганец способны многие гетеротрофные организмы, но в наибольшей степени этой способностью обладают Bacillus circulans, Вас. polymyxa и сульфатвосстанав-ливающие бактерии. Марганец растворяется органическими кислотами, образуемыми бактериальным путем, и одновременно восстанавливается до двухвалентного при участир! неспецифических ферментов или такого восстановителя, как сероводород. Под действием восстанавливающих марганец бактерий происходит перераспределение форм марганца в илах, а также в конкрециях, образующихся в рудоносных озерах и на месторождениях.

В окислении марганца ведущая роль принадлежит своеобразному организму, описанному под названием Metallogenium. В условиях, когда марганец не окисляется химически, скорость его окисления при культивировании Metallogenium совместно с грибом, по Г.А. 3 а-варзину, достигает 100-200 мг/л в сутки. В природе, вероятно, этот процесс идет более медленно. При развитии Metallogenium в воде происходит окисление и осаждение окиси марганца в иловые отложения. Metallogenium обычно обнаруживается в конкрециях при высеве на питательные среды и прямыми наблюдениями под микроскопом. Этот организм непосредственно участвует в формировании конкреций, а его своеобразная морфология способствует цементированию и удержанию окислов на поверхности конкреций.

Аналогичную роль Metallogenium играет не только в рудообразующих озерах, но и на месторождениях. Этот организм широко распространен на Чиатурском месторождении.