Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы
В кратком обзоре отражены целесообразность получения металлов из руд способом бактериально-химического выщелачивания и роль микроорганизмов в решении некоторых экологических проблем....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України
2012
|
| Назва видання: | Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140364 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы / Е.Г. Мусич, Ю.Н. Демихов // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2012. — Вип. 20. — С. 120-124. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-140364 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1403642018-07-06T01:23:17Z Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы Мусич, Е.Г. Демихов, Ю.Н. В кратком обзоре отражены целесообразность получения металлов из руд способом бактериально-химического выщелачивания и роль микроорганизмов в решении некоторых экологических проблем. В короткому огляді відображені доцільність отримання металів з руд методом бактеріально-хімічного вилуговування та роль мікроорганізмів у вирішенні деяких екологічних проблем. In a brief review reflects the desirability of obtaining metals from ores way bacterial - chemical leaching and the role of microorganisms in addressing some environmental problems. 2012 Article Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы / Е.Г. Мусич, Ю.Н. Демихов // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2012. — Вип. 20. — С. 120-124. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 2616-7735 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140364 553.3/.4:573.6 ru Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В кратком обзоре отражены целесообразность получения металлов из руд способом бактериально-химического выщелачивания и роль микроорганизмов в решении некоторых экологических проблем. |
| format |
Article |
| author |
Мусич, Е.Г. Демихов, Ю.Н. |
| spellingShingle |
Мусич, Е.Г. Демихов, Ю.Н. Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища |
| author_facet |
Мусич, Е.Г. Демихов, Ю.Н. |
| author_sort |
Мусич, Е.Г. |
| title |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| title_short |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| title_full |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| title_fullStr |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| title_full_unstemmed |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| title_sort |
биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы |
| publisher |
Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140364 |
| citation_txt |
Биовыщелачивание металов из горных пород и отвалов : проблемы и перспективы / Е.Г. Мусич, Ю.Н. Демихов // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2012. — Вип. 20. — С. 120-124. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
| series |
Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища |
| work_keys_str_mv |
AT musičeg biovyŝelačivaniemetalovizgornyhporodiotvalovproblemyiperspektivy AT demihovûn biovyŝelačivaniemetalovizgornyhporodiotvalovproblemyiperspektivy |
| first_indexed |
2025-07-10T10:20:33Z |
| last_indexed |
2025-07-10T10:20:33Z |
| _version_ |
1837254929799970816 |
| fulltext |
120
УДК 553.3/.4:573.6
Е.Г. Мусич, Ю.Н. Демихов
ГУ «Институт геохимии окружающей среды НАН Украины»
БИОВыЩЕЛАЧИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ ИЗ ГОРНыХ
ПОРОД И ОТВАЛОВ: ПРОБЛЕМы И ПЕРСПЕКТИВы
В кратком обзоре отражены целесообразность получения металлов из руд способом
бактериально-химического выщелачивания и роль микроорганизмов в решении некоторых
экологических проблем.
Целью данного сообщения является краткий обзор и характеристика биологическо-
го выщелачивания металлов из руд горных пород, технология которого признана эконо-
мически выгодной и экологически безопасной.
Исследования по выщелачиванию металлов начаты после выделения в
50-х годах ХХ века из дренажных кислых вод угольной шахты микроорганизмов, спо-
собных к окислению двухвалентного железа до трехвалентного – бактерий Acidithiobaccilus
ferrooxidans (ранее называвшихся Thiobaccilus ferrooxidans). Бактерии, способствующие
выщелачиванию металлов, по типу питания относятся к хемоавтотрофным, для получе-
ния энергии катализирующие химические окислительно-восстановительные реакции и
ассимилирующие углекислый газ для конструктивного обмена клеток, т.е. питающиеся
автономно, без использования органики. Поэтому все автотрофные микроорганизмы не
являются патогенными [17, 20, 21, 23, 24].
Микробное выщелачивание является привлекательной альтернативой традиционным
физическим и химическим методам обогащения руд благодаря сокращению потребления
энергии, транспортных затрат и менее пагубному воздействию на окружающую среду.
Промышленное применение бактериального выщелачивания начато в 60-х годах с
кучного и подземного извлечения металлов из бедных забалансовых медных и урановых
руд и отвалов в США, Канаде, Болгарии, СССР и других странах [4, 11-14, 15-16].
Обычно использование микроорганизмов при извлечении металлов преследует
одну из двух целей: превращение (или окисление) нерастворимых сульфидов металлов в
растворимые сульфаты или создание условий для лучшего взаимодействия химических
веществ с поверхностью минерала и растворения необходимого металла. Примером пер-
вого процесса является преобразование таких минералов меди, как ковеллин (CuS) или
халькозин (Cu2S), в растворимые сульфаты. Примером второго процесса служит извле-
чение железа, мышьяка и серы из золотоносного арсенопирита (FeAsS), вследствие чего
оставшееся в минерале золото легче выделяется при помощи цианирования. Оба этих
процесса являются окислительными. Если добываемый металл переводится в раствор,
речь идет о биовыщелачивании. Когда же металл остается в руде – о биоокислении. Тем не
менее, термин «биовыщелачивание» часто используется в обоих случаях.
Существует два механизма биовыщелачивания:
Прямое бактериальное выщелачивание происходит при физическом контакте
бактериальных клеток с поверхностью минерала в несколько стадий, катализируе-
мых ферментами:
4FeS2 + 14O2 + 4H2O + бактерии = 4FeSO4 + 4H2SO4
4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 + бактерии = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O
В сумме:
4FeS2 + 15O2 + 2H2O + бактерии = 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4
Таким образом, при прямом взаимодействии Acidithiobacillus ferrooxidans могут быть
окислены следующие не содержащие железа сульфиды металлов: ковеллин (CuS), халь-
козин (Cu2S), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), молибденит (MoS2), стибнит (Sb2S3), ко-
бальтин (CoS), миллерит (NiS).
121
Прямое бактериальное выщелачивание может быть описано следующей реакцией:
MeS + 2O2 + бактерии = MeSO4
где MeS – сульфид металла.
Предположительно, бактерии прикрепляются не ко всей поверхности минерала, а
предпочитают специфические участки дефектов кристаллической решетки.
При непрямом биовыщелачивании бактерии генерируют «окислитель», который хи-
мически окисляет сульфидный минерал. В кислых растворах таким окислителем служит
Fe3+, и растворение металла может быть описано следующей реакцией:
MeS + Fe2(SO4)3 = MeSO4 + 2FeSO4 + S0
Для поддержания достаточного количества железа в растворе химическое окис-
ление сульфидов металлов происходит в кислых условиях при рН < 5.0. Двухвалентное
железо, образующееся в данной реакции, может быть заново окислено до трехвалентно-
го железоокисляющими бактериями (At. ferrooxidans или L.ferrooxidans). При непрямом
выщелачивании бактерии не нуждаются в контакте с поверхностью руды. Они выполняют
только каталитическую функцию, ускоряя окисление Fe2+ до Fe3+. При рН 2.0-3.0 бакте-
риальное окисление Fe2+ примерно в 105-106 раз быстрее, чем химическое окисление [11].
Выделяющаяся в процессе сера может быть окислена до серной кислоты бактериями
At.ferrooxidans. Но окисление серы бактериями At.thiooxidans, которые часто встречаются
вместе с At. ferrooxidans, происходит гораздо быстрее:
2S0 + 3O2 + 2H2O + бактерии = 2H2SO4
Роль At. thiooxidans, вероятно, состоит в создании благоприятных условий для роста
железоокисляющих бактерий, таких как At. Ferrooxidans или L. Ferrooxidans [6].
При выщелачивании медных руд бактерии воздействуют непосредственно на
сульфидные минералы, переводя их в растворимое состояние. Они также участвуют в
регенерации сульфата железа (ІІІ), являющегося хорошим растворителем сульфидных
минералов. В России группу тионовых бактерий используют при кучном и подземном
методах выщелачивания меди в промышленных масштабах [11].
Кроме того, в ряде зарубежных стран этот метод нашел достаточно широкое при-
менение для получения урана. В мире мало рудников с высоким содержанием урана (U)
в руде (выше 0,1 %), однако существуют большие запасы бедных руд, промышленное ис-
пользование которых технически возможно и экономически целесообразно. Иными сло-
вами, руда – экономическое понятие и основной принцип классификации «руда – не
руда» связан лишь с процентным содержанием урана в породе. Поэтому разработка мето-
дов экономичного выделения урана из них представляет несомненный практический ин-
терес [5-8, 16]. Нерастворимый четырехвалентный уран окисляется до водорастворимого
шестивалентного:
U4+O2 + Fe2(SO4)3 = U6+O2SO4 + 2FeSO4
Окислитель четырехвалентного урана может производиться бактериями
At. Ferrooxidans посредством окисления пирита, который часто присутствует в урановых
рудах. Кроме непрямого выщелачивания урана At. ferrooxidans, вероятно, способна окис-
лять U4+ до U6+, активно используя часть энергии этой реакции для ассимиляции СО2 [27-28].
Таким образом, биовыщелачивание основывается на взаимодействии биологичес-
ких и химических окислительных процессов.
В природных условиях бактериальному выщелачиванию с участием тионовых бак-
терий подвергаются только те урановые руды, которые содержат в своем составе пирит.
В 60-80 г.г. ХХ столетия аналогичные работы проводились в Кировской экспедиции со-
вместно с сотрудниками ВИМСа по двум направлениям [3, 9, 10]:
извлечение урана из руд за счет бактериального окисления пирита, либо содер- –
жащегося в руде, либо добавляемого в нее;
извлечение урана из руд раствором, содержащим сульфат окиси железа, –
получаемым с помощью тионовых бактерий из сульфата закиси железа.
Исследован также беспиритный биохимический вариант извлечения урана из
рядовых и забалансовых руд украинских месторождений с помощью тионовых бак-
терий [9], [10].
122
Окислять S0, Fe2+ и сульфидные минералы способны также некоторые представите-
ли родов Sulfolobus и Acidianus. Среди этих микроорганизмов – мезофильные и умеренно
термотолерантные формы, крайние ацидофилы и ацидотермофилы [7].
Считают, что как только клетка микроорганизма прикрепляется к поверхнос-
ти нерастворимого в кислоте сульфида металла (пирита FeS2, молибденита MoS2,
тангстенита WS2), ион трехвалентного железа (Fe3+), содержащийся во внеклеточном
экзополимерном слое, начинает непрямую атаку (действие) на сульфид металла соглас-
но следующей реакции:
FeS2 + 6Fe3+ + 3H2O = 7Fe2+ + S2O3
2- + 6H+
Тиосульфат является начальным промежуточным продуктом, который далее пре-
вращается в последующие промежуточные продукты (тетратионат, тритионат) с форми-
рованием сульфата в качестве конечного продукта общей реакции [24]:
S2O3 2- + 8Fe3+ + 5H2O = 8Fe2+ + 2SO4
2- + 10H+
В последние годы появились новые исследования о роли микроорганизмов в про-
цессе биовыщелачивания, а именно, в образовании внеклеточных полимерных соеди-
нений (ВПС), которые считаются местом начала процесса выщелачивания [10]. Форми-
рование экзополимерного материала является важным условием прикрепления клеток
к минералу и последующего его растворения. Железо, содержащееся в ВПС, прида-
ет клетке положительный заряд, обеспечивая электростатическое притяжение меж-
ду микробной клеткой и отрицательно заряженной поверхностью пирита. Более того,
Fe3+ участвует в первой стадии разрушения пирита, что обусловливает необходимость
присутствия определенного количества Fe3+ в культуральной среде в начале процесса
биовыщелачивания (≥ 0.2 г/л).
На основании вышеизложенного можно предположить три механизма в процессе
биовыщелачивания:
1) непрямое биовыщелачивание: микроорганизмы не прикрепляются к поверхности
минерала, и их действие ограничено возобновлением выщелачивающего агента – Fe3+;
2) контактное биовыщелачивание: микроорганизмы прикрепляются к поверхности
минерала, способствуя его электрохимическому растворению с помощью Fe3+, содержа-
щегося в ВПС; экзополимеры производятся клеткой для прикрепления ее к твердой по-
верхности минерала;
3) кооперативное биовыщелачивание: микроорганизмы, прикрепленные к минераль-
ной поверхности, кооперируют со свободными клетками из раствора; прикрепленные
бактерии высвобождают окисляемые металлы, которые служат источником энергии для
микроорганизмов в растворе.
Бактериальное выщелачивание, называемое в промышленности биогидрометал-
лургией, в нашем веке является признанным способом переработки сульфидных руд
для получения цветных металлов и урана. В технологии биовыщелачивания широко ис-
пользуются представители мезо- и умеренно термофильных ацидофильных эубактерий:
Acidithiobacillus thiooxidans, Ac.ferrooxidans, Ac.caldus (тионовые бактерии); Zeptospirillum
ferrooxidans, Z.thermoferrooxidans, Z.ferriphilum (железобактерии); грамположительные
эубактерии, принадлежащие к родам Alicyclobacillus, Sulfobacillus; мезо- и умеренно
термофильные ацидофильные археи порядка Thermoplasmales, а также представители низ-
ших грибов: Aspergillus flavus, A.terreus, Penicillium oxalicum, P.spimelosum, P.brevicompactum
[21-23, 25-26, 28-30].
Таким образом, проблема микробиологической адсорбции и бактериального
выщелачивания приобретает важное значение в связи с развитием нового направления
в технологии добычи полезных ископаемых и охраны окружающей среды. Особую акту-
альность технология биовыщелачивания представляет для украинских урановых руд со
средненизким содержанием урана в породе, что обусловливает их специфику.
Использование селективных микроорганизмов позволит получить дополнитель-
ное количество цветных металлов в тех промышленно развитых районах, в которых име-
ются «законсервированные» отработанные месторождения, за счет утилизации «хвос-
тов» обогатительных фабрик, шламов и отходов металлургических производств, а также
123
перерабатывать бедные и некондиционные руды для полноты и эффективности исполь-
зования минерального сырья.
1. Агеева С. Н., Кондратьева Т. Ф., Каравайко Г. И. Плазмидные профили штаммов Acidithibacillus
ferrooxldans, адаптированных к разным субстратам окисления // Микробиология. 2003. Т. 72. № 5. С.
651-657.
2. Адамов Э.В., Панин В.В., Полькин С.И. Бактериальное и химическое выщелачивание металлов из руд.
Итоги науки и техники. Обогащение полезных ископаемых // ВИНИТИ, 1974, т.8, с. 5-67.
3. Алмазова Н.А., Потапченко Н.Г., Чемерис Л.М. Микробиологическое выщелачивание руд. //Инф. Бюл.
Кировской экспедиции, 1974, Киев. № 26, с.29-45.
4. Бруинстейн А. Применение микробиологических методов при подземном выщелачивании урановых
руд. // Биогеотехнология металлов. Труды Межд. Семинара и Межд. Учебных курсов. М., 1985. С. 326-
339.
5. Вольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1993, 400 с.
6. Головачева Р. С., Голышина О. В., Каравайко Г. И., Дорофеев А. Г., Пивоварова Т. А., Черных Н. А. Но-
вая железоокисляющая бактерия Leptospirillum thermoferrooxidans sp. nov. //Микробиология. 1992. - Т.
61. №6. - С. 1056-1065.
7. Головачёва P.C., Каравайко Г.И. Sulfobacillus — новый род термофильных спорообразующих бактерий
// Микробиология. 1978. - Т. 74. Вып. 5. - С. 815-822.
8. Каравайко Г.И., Кузнецов С.И., Голомзик А.И. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов. М.:
Наука, 1972, 272 с.
9. Кузнецова Э.Г., Алмазова Н.А., Потапченко Н.Г. Использование микроорганизмов в процессе извлече-
ния металлов из руд. //Реф-библ. Бюл. ВИМСа, № 30, 1976, с.99.
10. Кузякина Т.И., Хайнасова Т.С., Левенец О.О. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд.
//Вестник Краунц. Науки о Земле, 2008. № 2. Вып. 12, с.76-86.
11. Кулебакин В.Г. Бактериальное выщелачивание сульфидных минералов. -Новосибирск: Наука, 1978.-
264 с.
12. Лисицын А.К., Кузнецова Э.Г. О роли микроорганизмов в образовании восстановительных геохими-
ческих барьеров на выклинивании зон пластовой лимонитизации. //Изв. АН СССР, Сер. Геол., 1967, №
1, с.31.
13. Лисицын А.К. «Значение биохимических процессов в осаждении урана на восстановительном геохи-
мическом барьере» в кН. А.И. Перельмана «Гидрогенные месторождения урана», 1980, М., Атомиздат,
с.67-71.
14. Маркосян Г.Е. Новая железоокисляющая бактерия — Leptospirillum ferrooxidans. nov. gen. nov. sp. // Ми-
олог, журн. Армении — 1972. — T.35, №2. — С. 26-29.
15. Панин В.В., Каравайко Г.И., Полькин С.И. Механизм и кинетика бактериального окисления сульфидных
минералов. / В трудах Международного семинара и Международных учебных курсов. М., 1985. С. 203-
221.
16. Пивоварова Т.А., Кондратьева Т.Ф.,. Каравайко Г.И. Археи рода Ferroplasma и их роль в окислении
сульфидных минералов // Тезисы 4-го Московского Международного конгресса «Биотехнология: со-
стояние и перспективы развития». М.: 2007.-Ч. 2.-С. 323.
17. Полькин С.И., Адамов Э.В., Панин В.В. Технология бактериального выщелачивания цветных и редких
металлов. М.: Недра, 1982. - 288 с.
18. Brierly C.L., Briggs A.P. Selection and sizing of biooxidation equipment and circuits. // Mineral Processing plant
design, practice and control: proceedings. Vancouver, British Columbia. -2002. -V. 2. P. 1540-1568.
19. Brierley JA Response of microbial systems to thermal stress in heap-biooxidation pretreatment of refractory gold
ores. //Hydrometallurgy,2003, V. 71:13-19.
20. Brown A.R.G.,Van Aswegen P.C., The BIOX® Process: A solution to the treatment of refractory gold ores. Paper
presented at the Mineral Processing and the Hydrometallurgy Plant Design Conference World's Best Practice,
Australia, Perth, 1998.
21. Colmer A.R., Hinkle M. E. The Role of Microorganisms in acid Mine Diainage: A Preliminary Report // Science
1947 V. 106. №2751. P. 253-256.
22. Devasia P., Natarajan K.A. Bacterial ecaching. Biotechnology in the Mining industry//Ann.Review of
Microbiology, 2004,vol.17, pp. 65-91.
23. Gericke, M. and A. Pinches. Bioleaching of copper sulphide concentrate using extreme termophilic bacteria. //
Minerals Engineering, 1999, 12:893.
24. Guay R., Silver M. Thiobacillus acidophilus sp.nov.; isolation and same' physiological characteristics // Can. J.
Microbiol. 1975 - Vol. 21, N 3. - P. 281-288
25. Hefnawy M.A., El-Jaid M. Fundal Zeaching of Uranium from its Geological Ores in Alloga Area, West Central
Sinai, Egypt.//Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006, vol. 21, pp. 41-48.
26. Kelly D.P., Wood A.P. Reclassification of some species of Thiobacillus to the newly designated genera
Acidithiobacillus gen. now., Halothiobacillus gen. now. and Thermithiobacillus gen. now // Int. J. Evol. Microbiol.
2000. V. 50. P. 511-516.
27. Logan T.C., Seal Т., Brierley J.A. Whole-Ore Heap Biooxidation of Sulfidic Gold-Bearing Ores // Biomining.
Ed. by Douglas E. Rawlings and D. Barrie Johnson. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. - P. 113-138.
28. Mishra A., Pradhan N. Microbiol recovery of uranium using native fundal strains.// Bioresour. Technol., 2006,
vol. 97, 1876-1883.
29. Xie J.Y., Gao J.C., Jin S.B., Han X.G. Bio-oxidation Plants of Refractory Gold Concentrate in China //
Proceedings of XXIV IMPC, Beijing, China. 2008. - P. 2737-2740.
30. Wen J.K., Ruan R.M., Yao G.C., Liu X., Zang H. Bioheapleaching Pilot Plant Tests on Nickel Sulphide Ore. //
Proceedings of XXIV International Mineral Processing Congress. Science Press: Beijing 2008. - P. 2611-2615.
124
Мусич О.Г., Деміхов Ю.М. БІОВИЛУГОВУВАННЯ МЕТАЛІВ З ГІРСьКИХ ПОРІД ТА
ВІДВАЛІВ: ПРОБЛЕМИ ТА ПЕРСПЕКТИВИ
В короткому огляді відображені доцільність отримання металів з руд мето-
дом бактеріально-хімічного вилуговування та роль мікроорганізмів у вирішенні деяких
екологічних проблем.
Musych O.G., Demihov Y.M. BIOLOGICAL LEACHING OF METALS FROM ROCKS AND
DUMPS: PROBLEMS AND PROSPECTS
In a brief review reflects the desirability of obtaining metals from ores way bacterial - chemical
leaching and the role of microorganisms in addressing some environmental problems.
|