Лекция 14- Пайдалы қазбалар өндірудегі қолданылатын микроорганизмдер

1. 
   Бактериялардың геологиялық әрекеті
   
2. 
   Тионды бактериялар топтары
   
3. 
   Бактериалды шаймалау процесін қолдану
   

Бактериялардың түрлі пайдалы қазбалар мен кендердің, минералдар мен тау жыныстарының қалыптасып бұзылуына алып келетін процестер мен жеке элементтер миграциясын іске асуында орны ерекше. Сондай-ақ микробиологиялық процестер пайдалы қазбалар өндірісінде маңызы зор болып табылады.

Биосферадағы химиялық элементтердің айналымында, шоғыралнуында немесе шашырауында микроорганизмдердің аса үлкен ролі жайлы В.И.Вернадский айтқан болатын. С.И. Виноградский, М. Бейеринк, Ф. Клюйвер, Ван-Ниль, Б.Л. Исаченко еңбектерінде азот, күкірт және басқа элементтер айналымындағы бактериялардың маңызы қарастырылған.

Көміртек айналымына алуан түрлі бактериялар қатысса, пайдалы қазбалар кенінде күкірт немесе сульфидті рудалар сияқты химиялық элементтердің ауысып шоғырлануында автотрофты бактериялардың, мұнайкен орындарында сульфидтердің түзілуінде сульфатредукциялаушы бактериялардың маңызы зор. Күкірт кендеріндегі бактериялардың тотықтырғыштық әрекеті руданың мыңдаған тонналарының жарамсыз болып қалуына алып келеді. Мұнай кен орындарында күкіртсутектің түзілуі мұнай құрылғыларын коррозиясын туғызып, мұнай мен жанар газдың сапасын едәуір төмендетеді.

Табиғатта минералдар мен тау жыныстарына әсер ететін гетеротрофты микроорганизмдер кеңінен тараған. Олар қаттылығы жоғары болып саналатын силикаттар мен алюмосиликаттардың өзін фдфратып, қышқылды не сілтілі метаболиттік өнім түзуге қабілетті. Кейбір бактериялар және балдырлар бірқатар элементтермен кешенді байланыс түзе алатын шырыштар бөліп шығарады. Біраз микроорганизм түрлерінің белгілі жағдайларда ерімейтін минералды қосылыстарды ерігіш күйіне ауыстыру қасиетін соңғы жылдары тау-кен өндірісінің қатты қалдықтарында қалған құнды компоненттерді бөліп шығаруда пайдаланады.

Темір бактериялары бұрыннан белгілі. Бұл микроорганизмдерде клетка бойында темір гидрооксидін жинақтау қабілеті тән. Олардың клеткаларының сыртында 3 валентті темір гидрооксидінен тұратын қабығы болады. Эренберг 1836 жылы бұл микроорганизмдердің батпақты және шымқыртысты темірдің пайда болуына әсер ететіндігі туралы тұжырым жасады. Ферробактерияларды лабораториялық жағдайда дақылдау қиын болғандықтан олардың физиологиясы толық зерттелмеген. Темір бактерялары әртүрлі таксономиялық топтарға жататын хемосинтездеуші микроорганизмдер б.т. Олардың арасында автотрофтар (галлионелла мен тиобациллдер) да гетеротрофтар (лептотрикс пен магнитті бактериялар) да бар. Жіпшетәрізді Leptothrix, Sphaerotilus және Gallionella түрлері батпақты рудалардың қалыптасуына, су тораптарының, құбырларының ластануына алып келеді. Бұл бактериялардың темірді жинақтау процесін органотрофты алмасу кезіндегі асқынтотықтардың ыдырау процесімен қатар жүретін құбылыс деп қарайды. Thiobacillus ferrooxidans, Leptospira ferrooxidans темірді қышқыл ортада тотықтырады, олар екі валентті темірдің тотығу энергиясын СО2 автотрофты ассимиляциясына жұмсайды. Metallogenium сияқты бактериялар сондай-ақ марганец тотықтарын да жинақтай алады. Көне су тоғандарында темір бактерияларының тіршілік етуінің арқасында темірдің жинақталып, темір рудаларының пайда болуына жағдай жасалды. Топырақ пен су құрамында темір айналымын зерттеу нәтижелері атаулы МО Ғе-дің ОХ/Red жетекші орын алатындығын дәлелдейді.

Микроорганизмдердің Мn-ң айналымына қатысуы бұл металдың 2-валентті формасына дейін тотықсыздануы мен тұнбаға түскіш қосылыстарына дейін тотығуынан көрінеді. Мn тотықсыздануын көптеген бактериялар іске асыра алады, бірақ солардың ішінде қабілеті жоғары микроағзаларға Bacillus circulans, Вас. polymyxa және сульфатототықсыздандырғыш бактерияларын ерекше атауға болады. Марганец конкрецияларының түзілуінде маңызы зор бактериялар тобына Metallogenium сияқты бактериялар жатады. Марганец бактериалды жолмен түзілген қышқылдар көмегімен еріп, артынша ферменттер немесе күкіртсутек әсерінен тотықсызданады. Бактериялалардың бөлетін заттарының әсерінен атаулы металдың таралуы іске асады.

Күкірттің органикалық және бейорганикалық формалары микроорганизмдер әсерінен топырақта түрлі өзгерістерге ұшырайды. Күкірт қосылыстарының трансформациялану бағыты қоршаған орта факторларының әсерімен реттеледі. Күкірттің органикалық қосылыстары ыдырап минералдануы мүмкін. Кейбір жағдайда тотықсызданған тотықсызданған бейорганикалық күкірт қосылыстары микроорганизмдер әсерінен тотығып, кейде керісінше тотыққан формалары тотықсыздануы мүмкін. Күкірт қосылыстарына әсер етуші микроорганизмдерді 4 топқа бөлуге болады:

1) тионды бактериялар- Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus туыстары жатады;

2) бірклеткалы және трихома түзуші жіпшетәрізді бактериялар- Achromatium, Thiobacterium, Thiospira,Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca туыстары жатады

3) Фотосинтездеуші пурпурлы және жасыл сұр бактериялар, кейбір цианобактериялар

4) Bacillus, Pseudomonas тобына жататын хемоорганогетеротрофты организмдер мен актиномицеттер жатады

Бірінші топ микроорганизмдері топырақта, жіпшелі формалар батпақты жерлерде, ал фотосинтездеуші бактериялар негізінен сула ортаны мекендейді.

Тионды бактериялар – облигатты анаэробтар, бірақ олардың ішіндегі Т. Denitrificans нитрат қатысында анаэробты жағдайда да тіршілік ете алады.Соңғы жылдары орта рН 2-3 болған жағдайда және 70-75 С температурада тіршілік етіп, 90 С дейін өз тіршілігін жоймайтын күкірттотықтырғыш бактериялар анықталды. Оларға термоацидофильді, факультативті хемолитоавтотрофты Sulfolobus архебактериялары жатады. Олар тек қана термалды күкірт қайнарларында болады.

Тионды бактерияларға жататын Thiobacillus туысы табиғатта кең тараған. Оларды тұңғыш рет 1902ж- Натансон және Бейеринк ашқан. Бұл МО тиосульфат, күкіртсутек, сульфидтер, тетратионаттармен тиоционаттарды тотықтырады. Олардың ішінде Т. thiooxidans, Т. thioparus, Т. novellus,T. denitrificans, Т. ferrooxidans түрлері маңызды болып есептеледі. Thiobacillus туысына жататын бактериялар споратүзбейтін грамтеріс таяқшалар болып табылады. Көбінесе қозғалмалы, полярлы талшығы арқылы қозғалады. Көмірсутек синтезіне СО2 және бикарбонаттарды пайдаланады. Т. novellus  түрінен басқасы облигатты хемолитоавтотрофтар, яғникүкірттің бейорганикалық қосылыстарын тотықтыру барысында түзілетін энергия есебінен тіршілік етеді. Sulfolobus sp. және Thiobacillus ferrooxidans күкіртті тотықтырумен қатар FE2+ темірді де тотықтыра алады.

Ahromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospira туыстарына жататын бірклеткалы түссіз күкіртті бактериялар пішіні домалақ, сопақша, таяқшатәрізді, иілген, арасында қозмалмалы және қозғалмайтын формалары, грамтеріс түрлері де бар. Жіпше тәрізді көпклеткалы күкіртті бактерияларға Beggiatoa, Thiop1оса, Thiothrix микроорганизмдері жатады. Олар күкіртсутекті тотықтырып кәдімгі күкіртке айналдырады, ол бактерия клеткасының ішінде жиналады. Күкіртті қосылыстарды сондай-ақ фотолитоавтотрофты қощқыл қызыл және жасыл бактериядар іске асырады. Олар күкірт сутек бар жерде кездеседі, топырақта маңызы елеусіз. Bacillus, Pseudomonas, актиномицетер мен саңырауқұлақтардың біразы күкіртті органикалық қосылыстар қатысында тотықтырады. Ол кезде көп мөлшерде энергия жылу түрінде бөлінеді. Бірақ тотығу жылдамдығы төмен.

Күкірттің бейорганикалық қосылыстарын тотықтыратын бактерияларды пайдалы қазбалар кендерін өңдеу кезінде пайдаланады. Thiobacillus (Т. ferrooxidans)туысына жататын бактериялар сульфидтері аз руданы шаймалау мақсатында пайдаланылады. Іс жүзінде минералдардан күкіртпен қосылған мысты шаймалаудың микробиологиялық әдісі жақсы меңгерілген. Сол сияқты тиобацилдерді құрамында күкірті бар минералдардан алуантүрлі және сирек металдарды өндіруде қолданады. МО кен өндірісінде пайдалану экономикалық тұрғыдан тиімді болады, сол себепті бұл әдіс әр елдерде кең қолданыс тапты.

Бактериалды шаймалау дегеніміз көпкомпонентті қосылыстар ішінен химиялық элементтерді таңдамалы түрде микроорганизмдердің көмегімен сулы ерітіндіге ауыстыру арқылы бөліп алу әдісі. Рудалардың құрамынан түрлі элементтерді бөліп шығару мақсатында пайдаланылатын микроорганизм түрлері алуан түрлі. Алайда өндірісте бұл мақсатта негізінен 2 валентті темірді 3-валентті формасына дейін және сульфидті минералдарды тотықтыруға қабілетті тионды бактериялар мен темір бактериялар пайдаланылады. Олар клекалық массасын ауадағы немесе кендегі СО2 сіңірілген көміртек пен судан құрайды. Бұл МО-ң тіршілігі үшін қажетті энергия металлдардың бейорганикалық қосылыстарының, элементті күкірттің тотығу реакцияларының нітижесінде алынады. Шаймалау процесінің қарқыны ортада бактериялар болған кезде едәуір жоғарылайды. Мыс, Thiobacillus ferrooxidans тионды бактериялары мыс, никель, цинк, мышьяк, кадмий, алтын, т.б. металлдарды өндіру үшін пайдаланылады.

Темір бактериялары сульфидті минералдарды тотықтырып, сульфаттарға тура немесе жанама жолмен ауыстырады. Th. Ferrooxidans бактериясының сульфидтерді тотықтыру қасиеті олардың көмегімен аз құрамды рудаларды өңдеуге жағдай жасайды. Қазіргі кезде бұл процесс дәстүрлі әдістермен өңделуі тиімсіз мыс кендерін байытуда қолданылады.Мыс кендерін өңдеу үшін темір сульфаты мен күкірт қышқылының негізіндегі сулы ерітінді дайындалып, реакция тионды бактериялар қатысында және ортаға Аl₂(SO₄)₃, FeSO₄ қосу арқылы жүргізіледі. Реакция кезінде мыс сульфиді ерігіш күйге ауысып, алынған тотияйын ерітіндісі темір қалдықтарымен өңделеді, нәтижесінде құрылғыдан мыс концентрат күйде бөлініп шығады. Оның құрамындағы метал үлесі 80 % жетеді. Қазіргі кезде көптеген елдерде МО мыс, уран,т.б металдарды өңдеу үшін қолданады.

Бактериалды шаймалау- үйінділік және чанды деп бөлінеді. Үйінділі әдіспен шаймалау кезінде руда кесектерін цементті алаңшаға үйіп қышқыл бактериалды ерітінділермен суландырады, мыс тотияйын күйінде су ерітіндісіне бөлінеді. Чанды шаймалау әдәсін концентраттарды байыту мақсатында қолданады. Чанды шаймалау қалайы және мыс концентраттарының мышьяктан бөліп алу үшін тиімді. Әдетте ондай концентраттарда мышьяк Th. Ferrooxidans көмегімен тез тотығатын сульфидті формада –арсенопирит күйінде болады.

Табиғатта сульфидтер сирек кездесетін бағалы металдармен қатар жүреді. Мысалы пирит, арсенопирит, антимонит сынды сульфидті қосылыстар құрамында майда алтын түйіршіктері болады. Олар бактериалды шаймалау кезінде ерітіндіге өтеді.

Сонымен бактериялар алтын сияқты инертті металмен де әрекеттесе алады екен. Онымен қоса, алтынмен суда-ерігіш комплекс түзе алатын қосылыстарды синтедеуге қабілетті МО түрлері бар. И. Паре құрамында пепто мен органикалық қышқылдар тұздары бар орталарда табиғаты белгісіз алтынды ерітіп жіберетін қосылыстарды синтездейтін гетеротрофты бактерияларды ашқан. Вас. firmus және Вас. Sphaericus деп табылған бактериялар әсерінен ерітіндіге 10 мг/л мөлшерде алтын өтетіні байқалған.

Бактериалды шаймалау отқа төзімді рудаларды өңдеу проблемасын шешуде аса маңызды болып табылады. Алтынды ерігіш күйге ауыстыру қасиеті бар МО-ге Bacillus, Bacterium, Chromobacterium туыстары, мутагенез арқылы алынған Bac. mesentericus niger 12 және 129 штамдары жататындығы анықталған. Микроскопиялық саңырауқұлақтар керісінше ерітіндіде еріген алтынды бойына жинақтауға қабілетті. Ең эффективті түрлерге

Aspergillus niger және Aspergillus oryzae жатқызылады.

Бактериалды шаймалау барысында микробты синтез өнімдері аса маңызды. Микробты аминқышқылдары, пептидтер мен белоктар, НҚ шаймалау реакцияарына қатысады. Тәжірибе жүзінде белоктар қышқыл ортада алтын түнбаға түсірсе, сілтілі ортада ерітеді. Bacillus, Bacterium, Chromobacterium, Pseudomonas, Micrococcus, Sarcina, Thiobacillus микроорганизмдерінің метаболиттерінің ортада болуы алтынның шаймалануын жеделдетеді. Алтынға қатысты белсенділік танытатын бактерияларға Aeromonas тобы да жатады.

Бактериалды шаймалау құрылғыларының қарапайымдығы, бактериялардың тез көбеюі пайдалы қазбалардың технология құнын төмендетіп,шикізат ресурстарын кеңінен қолдануға, кен аймағында экологиялық ластану дәрежесін төмендетуге м.мкіндік жасайды.