Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

МИКРОБИОЦЕНОЗЫ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ БАКТЕРИЙ РАСТВОРОВ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КАРАМУРУН»

Канаева З.К. 1 Канаев А.Т. 2
1 «Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Министерство образования и науки Республики Казахстан»
2 «Казахский национальный педагогический университет им. Абая, Алматы»
Изучение экологии микроорганизмов в месторождениях полезных ископаемых и оценка интенсивности вызываемых ими процессов показывает, что в определенных условиях, особенно при разработке рудных тел, микробиологические процессы, протекающие с огромной скоростью, вызывают значительное выщелачивание металлов из руд. В основе этого лежат процессы вскрытия и перевода металлов в раствор, которые осуществляются либо бактериями, либо химическим окислением сульфидных минералов. В нашей республике имеется ряд месторождений, где целесообразно получение металлов способом бактериально-химического выщелачивания. При этом большое значение имеют изучение экологии микроорганизмов и влияние различных факторов на скорость биоокислений субстратов для создания биотехнологии извлечения цветных и благородных металлов из руд и продуктов их флотации. Казахстан является крупнейшей сырьевой базой цветной металлургии, поэтому изучение экологии микроорганизмов, осуществляющих окисление сульфидных минералов в экосистемах, представляется весьма актуальным. В данной работе представлен материал о качественном и количественном составе микроорганизмов выщелачивающего сернокислотного раствора, отобранных из УГП-1, состоящего из эксплуатационных блоков залежи № 8 и № 25 месторождения «Южный Карамурун». В результате эксперимента была выявлена основная роль А. ferrooxidans в окислении закисного железа до окисного. Была доказана роль А. ferrooxidans и А.thiooxidans в создании агрессивной среды на глубине подземного выщелачивания урана. Исходя из предположения, что основным фактором, способствующим активному размножению тионовых бактерий в геологических отложениях, является повышенная аэрация.
окисление сульфидных минералов
микробоценозы
подземное выщелачивание урана
1. Дубинина Г.А. Изучение экологии железобактерий пресных водоемов // Изв. АН СССР. – Сер.биол. – 1976. – №4. – С. 575–592.
2. Илялетдинов А.Н. Микробиологические превращения металлов. – Алма-Ата: Изд-во Наука, 1984. –.
3. Романенко В.Н., Кузнецов С.Н. Экология микроорганизмов пресных водоемов. – Л.,1974. –194 с.
4. Резников А.А., Мулиновская Е.П., Соколова И.Ю. Методы анализов природных вод. –М.,1970. – 250 с.
5. Канаев А.Т. Интенсификация процесса извлечения урана биотехнологическим способом из бедных руд: монография. – Алматы, 2010. –143 с.

На территории Кызылординской области уран добывается в Шиелийском и Жанакорганском районах. В Шиелийском это месторождения Южный Карамурун, Северный Карамурун и Ирколь, а в Жанакорганском - Хорасан-1 и Хорасан-2. Здесь свою производственную деятельность ведут предприятия «РУ-6», «Семизбай-U», «Кызылкум» и «Байкен-U». Добыча ведется методом подземного выщелачивания, где по технологии применяется серная кислота. Логистический центр имеет возможность за год принимать и отправлять 150 тыс. т серной кислоты, 20 тыс. т аммиачной селитры и 10 тыс. т других грузов. Общая площадь терминала составляет 7 га.

Нами был изучен микробоценоз сернокислотного раствора после подземного выщелачивания урана месторождения «Карамурун».

Изучение экологии микроорганизмов в месторождениях полезных ископаемых и оценка интенсивности вызываемых ими процессов показывает, что в определенных условиях, особенно при разработке рудных тел, микробиологические процессы, протекающие с огромной скоростью, вызывают значительное выщелачивание металлов из руд. В основе этого лежат процессы вскрытия и перевода металлов в раствор, которые осуществляются либо бактериями, либо химическим окислением сульфидных минералов. В нашей республике имеется ряд месторождений, где целесообразно получение металлов способом бактериально-химического выщелачивания. При этом большое значение имеют изучения экологии микроорганизмов и влияние различных факторов на скорость биоокислений субстратов для создания биотехнологии извлечения цветных и благородных металлов из руд [1].

Казахстан является крупнейшей сырьевой базой цветной металлургии, поэтому изучение экологии микроорганизмов, осуществляющих окисление сульфидных минералов в экосистемах, представляется весьма актуальным. В данной работе представлен материал о качественном и количественном составе бактерий уранового месторождения Карамурун [2].

Материалы и методы исследований

Объектом исследования служили микробные сообщества сернокислотного раствора после подземного выщелачивания урана на месторождении «Карамурун» рудоуправления №6. В структуре ТОО «РУ-6» функционирует объединенный цех «Карамурун». Объединенный цех «Карамурун» осуществляет добычу природного урана на месторождениях «Северный Карамурун» и «Южный Карамурун», расположенных в Шиелийском и Жанакорганском районах Кызылординской области.

Изучение качественного и количественного состава микрофлоры месторождения проводили путем высева соответствующих проб руды или растворов на питательные среды. Пробы воды и руды отбирали стерильно, в соответствии с имеющимися руководствами [3]; рН и температуру измеряли во время отбора проб. Микробиологические посевы и анализы отдельных компонентов осуществляли в лабораторных условиях. Количественный учет жизнеспособных клеток проводили методом предельных десятикратных разведений.

Определение железоокислительной способности Fe2+ и Fe3+ в среде. Способность бактерий окислять Fe2+ определяли по изменению в среде количества Fe2+ и Fe3+. Количество Fe2+ и Fe3+ определяли комплексонометрическим методом [4], с использованием в качестве титранта ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевая соль). Метод основан на реакции образования комплексных соединений ионов металлов с органическими соединениями.

Методы выделения, учета и изучения микроорганизмов. В  100  колбы Эрленмейра на 100 мл вносили 30 мл стерильной среды Сильвермана и Лундгрена 9К следующего состава (г/л): (NH4)2SO4 - 2,0; К2НРО4 - 1,0; MgSO4 - 0,5; NaCl - 0,2; FeSO4 - 7Н2О - 5,0; рН среды доводили до 2,0 с H2SO4. О развитии бактерий А.ferrooxidans судили по появлению бурой окраски среды, вызванной образованием трехвалентного железа в бактериальном растворе.

В работе для определения анаэробного сульфатредуцирующего микроорганизма использовались метод Постгейта и Кембелла. Сульфатвосстанавливающие бактерии культивировали в пробирках, которые доверху заполняли средой Старки следующего состава (г/л): водопроводная вода - 650 мл; пептон - 2,0; дрожжевой экстракт 2,0; К2НРО4-0,3; MgSO4 - 0,3; (NH4)2SO4 - 1,0; Fe(NH4)2SO4 - 0,15; Na2S3 - 0,6; лактат кальция - 3,0; аскорбиновая кислота - 0,15. Для денитрифицирующих микробов использовали среду Гильтея следующего состава - лимоннокислые натрий - 2 г, KNO3 - 1 г, КН2РО4 - 1 г, K2HPO4 - 1 г, MgSO4 - 1,0 г, CaCl2 - 0,2 г. Fe2+-следы, дистиллированная вода- 1,0 л,; рН 7,6 и закрывали стерильными резиновыми пробками так, чтобы под пробкой не оставалось пузырьков воздуха, рН и окислительно-восстановительный потенциал среды измеряли на рН-метре ЭВ-74.

Результаты исследований и их обсуждение

Добыча урана на объединенном цехе «Карамурун» осуществляется через системы технологических скважин, расположенных по поверхности по рядной или ячеистой схемам, с глубиной скважин: 450...530 м (УГП-1 - геотехнологическое поле, объединяющее эксплуатационные участки и блоки месторождения «Северный Карамурун») и 600...680 м (УГП-2 - геотехнологическое поле, состоящее из эксплуатационных блоков залежи №8 и №25 месторождения «Южный Карамурун»).

Технологические скважины обсаживаются полиэтиленовыми и ПВХ трубами, а в продуктивной части разреза - стандартными дисковыми или щелевыми фильтрами. Выщелачивающий реагент - слабый сернокислый раствор с концентрацией Н2SO4 5...25 г/л. Серная кислота поставляется по централизованным заявкам в железнодорожных цистернах, а в цеха специальным автотранспортом. Выщелачивающие растворы приготавливаются на основе артезианских подземных вод продуктивного горизонта (маастрихтский водоносный подгоризонт).

Оборот растворов происходит в замкнутом цикле и в балансе откачка - закачка. Продуктивный горизонт изолирован региональными водоупорами от грунтовых вод в плиоцен - четвертичных отложениях и от нижезалегающих гидрогеологических структур.

Подача выщелачивающих растворов в недра производится нагнетанием в закачные скважины, а отбор продуктивных растворов из откачных скважин погружными насосами или сжатым воздухом по схеме «Эрлифт».

Отбираемые продуктивные растворы транспортируются в напорных и самотечных трубопроводах и подаются на сорбционные колонны, где освобождаются от металла на ионообменных смолах и возвращаются в недра, доукрепленные серной кислотой.

Насыщенная ионообменная смола направляется в цикл регенерации, где после взаимодействия с раствором аммиачной селитры уран переходит в состав концентрированного раствора - товарного регенерата (десорбата). Из товарного десорбата при действии осадителя - раствора каустической соды - уран выпадает в осадок в виде ураната натрия.

Полученная пульпа фильтруется на фильтр-прессе, осадок промывается и подвергается сушке воздухом, в результате формируется конечный продукт производст- ва - урановый концентрат (желтый кек), содержащий не менее 35% природного урана.

Дальнейшая переработка концентрата осуществляется на ГМЗ (горно-металлургический завод) отрасли. Основные переработчики - АО «УМЗ», ТОО Степногорский горно-химический комбинат («СГХК»). Доставка готовой продукции (ГП) на заводы осуществляется по железной дороге в специальных контейнерах (ТУК-118). Добыче урана из недр предшествуют горно-подготовительные работы, включающие эксплуатационную разведку, сооружение скважин, обвязку скважин в эксплуатационные блоки, закисление продуктивного пласта до параметров (рН, СМе и пр.), отвечающих режиму добычи. Для вновь сооружаемых блоков предусматривается строительство наружных коммуникаций (ТУЗы, УППР (участок переработки продуктивных растворов), КТПН, ЛЭП, дороги) или расширение уже действующих.

Для перекачки растворов используются стационарные насосы. В цехе «Карамурун» полный цикл переработки растворов осуществляется на УППР-1. На УППР-2 технологический цикл завершается насыщением смолы, доставляемой автотранспортом для десорбции на УППР-1.

Руководство всеми структурными подразделениями предприятия, определение технической политики и перспективы ТОО. Обеспечение выполнения производственного плана, роста производительности труда. Организация производственно-хозяйственной деятельности. Осуществление контроля за соблюдением технологической дисциплины, правил и норм по ОТ и ТБ. Обеспечение комплексного изучения месторождений. Организация и проведение постоянного геологического и геотехнологического обслуживания разведочных, горно-подготовительных и эксплуатационных работ.

Формирование и определение экономической стратегии развития ТОО «РУ-6» с целью адаптации его хозяйственной деятельности и системы управления к изменяющимся в условиях рынка внешним и внутренним экономическим условиям.

Микробоценозы хемолитотрофных бактерий уранового месторождения «Карамурун» (РУ-6).

Объектом для исследования явились бактерии сернокислотного раствора, отобранные из УГП-1 - геотехнологическое поле, объединяющее эксплуатационные участки и блоки месторождения «Северный Карамурун», и УГП-2 - геотехнологическое поле, состоящее из эксплуатационных блоков залежи №8 и №25 месторождения «Южный Карамурун»

Хемосинтезирующие организмы могут жить в растворах подземного выщелачивания урана месторождения «Канжуган». Для этого есть все предпосылки - рН кислой среды, содержание железа в выщелачивающих растворах. Выщелачивание урана осуществляется специфической физиологической группой бактерий: мезоацидофильными, хемолитотрофными бактериями Acidothiobacillus ferrooxidans, Acidothiobacillus thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans. Бактерии A.ferrooxidans окисляют восстановленные соединения серы до сульфатов, а ионы двухвалентного железа до ионов трехвалентного. Микроорганизмы, окисляющие сульфиды металлов, растут при рН 1,0-3,5 (А.thiooxidans до рН 0,65). Для А.ferrooxidans оптимальный рН 2,0 [5].

Изучая производственные растворы данного месторождения, отметим, что в технологическом растворе данного месторождения выявлено бактерий А.ferrooxidans и А. thiooxidans. Количество А. ferrooxidans в растворах УГП-1 составляет всего 102 кл/мл, в растворах УГП-2 достигает до 103 кл/мл (таблица).

Бактерии в сернокислотных растворах подземного выщелачивания месторождения «Карамурун»

Место отбора проб

Количество клеток в 1 мл раствора

А.ferrooxidans

А.thiooxidans

L.ferrooxidans

Сульфатредуцирующие

Денитрифицирующие

УГП-1

102

101

103

Не обнаружено

Не обнаружено

УГП-2

103

102

101

Не обнаружено

Не обнаружено

Бактерии A.thiooxidans способны окислять только восстановленные соединения серы. Вместе с тем встречаются в небольшом количестве представители А.thiooxidans. Их количество в производственных растворах УГП-1 составляет всего 101 кл/мл, а в УГП-2 доходит до 102 кл/мл А.thiooxidans.

Leptospirillum ferrooxidans - окисляет только ионы Fe2+. Количество бактериальной клетки L.ferrooxidans в выщелачивающих растворах УГП-1 составляет в пределах 103 кл/мл, тогда как в растворах УГП-2 достигает всего 101 кл/мл.

Представители нейтрофильных групп сульфатредуцирующих и денитрифицирующих бактерий не были замечены. Это, по-видимому, связано с уровнем кислотности исследуемой среды, которая составляет рН 1,5-2,0.

Наиболее широко для бактериального выщелачивания урана применяют тионовые бактерии А.ferrooxidans. Поэтому нами была изучена окислительная активность А.fer­- rooxidans в техническом растворе УГП-2. Для этого 200 мл среду 9К Сильвермана и Люндгрена набрали в качалочную колбу, в качестве инокулята добавляли 40 мл производственного раствора УГП-2 и еженедельно определяли изменения концентрации двух- и трехвалентного железа

Как видно из рисунка, аборигенная культура А.ferrooxidans за 21 сут способна окислять всего 6,0 г/л закиси железа.

В этой смеси до проведения опыта были определены показатели рН, содержаний закисного и окисного железа и титр ацидофильных тионовых бактерий. Для установления роли биологического фактора в создании агрессивной среды проводили опыт в нестерильных и стерильных условиях путем сравнения скорости окисления закисного сернокислого железа микробиологическим и химическим путём. В период продолжения опыта титр тионовых бактерий увеличивается в 10 раз, а показатель кислотности среды снизился с рН 3,05 до 2,2.

В стерильных условиях величина рН и окисления закисного сернокислого железа практически не происходило. Таким образом, в результате опыта была выявлена основная роль А. ferrooxidans в окислении закисного железа до окисного.

Итак, в серии лабораторных модельных и натурных экспериментов была доказана роль А. ferrooxidans и А. thiooxidans в создании агрессивной среды на глубине подземного выщелачивания урана, исходя из предположения, что основным фак- тором, способствующим активному размножению тионовых бактерий в геологических отложениях, является повышенная аэрация.

Динамика образования Fe3+ культурой А.ferrooxidans в производственном растворе УГП-2

Рецензенты:

  • Сейлова Л.Б., д.б.н., профессор кафедры естественных специальностей Казахского национального педагогического университета им. Абая, Казахстан;
  • Чилдибаев Ж.Б., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой естественных специальностей Казахского национального педагогического университета им. Абая. Институт магистратуры и PhD докторантуры, г. Алматы.

Работа поступила в редакцию 06.04.2012.


Библиографическая ссылка

Канаева З.К., Канаев А.Т. МИКРОБИОЦЕНОЗЫ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ БАКТЕРИЙ РАСТВОРОВ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КАРАМУРУН» // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 5-1. – С. 153-157;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29865 (дата обращения: 25.11.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252