Биотехнологическая переработка минерального сырья

канд. биол. наук
Алешина Е.С.,
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра микробиологии

в электрохимически активные соединения, окисляющиеся на электродах. В этой системе

микроорганизмы на основе ряда субстратов (углеводы, метан, спирты и пр.) непрерывно генерируют водород, который далее окисляется в элементе «водород-кислород» с образованием электроэнергии;
– генерация электрохимического потенциала на электродах, находящихся непосредственно в культуральной среде: образующиеся в ходе конверсии субстрата продукты обмена могут обладать определенной электрохимической активностью;
– перенос электронов с топлива на электрод катализируют ферменты, в том числе иммобилизованные.

электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода —

анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

на пилусы-нанопровода.
В биопленке Geobacter sulfurreducens клетки, контактирующие с электродом, передают

электроны посредством цитохрома, а клетки, удаленные от электрода, могут использовать сеть нанопроводов.

Цель – создание высокоэффективных преобразователей энергии на основе иммобилизованных ферментов.
Важнейшей

проблемой при этом является сопряжение ферментативной и электрохимической реакций, то есть обеспечение активного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод.

Решение:
1) при использовании медиаторов (низкомолекулярных диффузионно подвижных переносчиков, способных акцептировать электроны с электрода и отдавать их активному центру фермента)
S + E →P + E°; Eo + M → E + M°; M° → M + e–,
где E и E° – окисленная и восстановленная формы активного центра фермента;
M и M° – окисленная и восстановленная формы медиатора.
2) при прямом электрохимическом окислении-восстановлении активных центров фермента, то есть в прямом переносе электронов с активного центра фермента – на электрод (или обратно); Этот механизм переноса реализован в реакции электрохимического восстановления кислорода до воды при участии медьсодержащей оксидазы, а также в реакциях электровосстановления водорода с помощью гидрогеназы.
3) при использовании ферментов, включенных в матрицу органического полупроводника.
По этому принципу реализованы некоторые электрохимические реакции, в том числе электрохимическое окисление глюкозы при участии глюкозооксидазы.

а - медиаторный перенос
, б - прямой перенос
Схема биоэлектрокатализа

концентратов, горных пород и растворов вод воздействием микроорганизмов (продуктов их

жизнедеятельности). Составными частями биогеотехнологии являются:
биогидрометаллургия, или бактериальное выщелачивание; 2) биосорбция металлов из растворов, 3) обогащение руд.

Достоинства биогеотехнологии
разработка сравнительно небогатых и трудноперерабатываемых месторождений.
не отравляет воздух и не загрязняет водоемы стоками в отличие от добычи ископаемых открытым способом, при котором значительное количество земельных площадей разрушается.
позволяет получить дополнительное количество цветных металлов за счет утилизации «хвостов» обогатительных фабрик, шламов и отходов металлургических производств, а также переработки так забалансовых руд, извлечением из морской воды и стоков.
интенсифицирует процессы добычи минерального сырья, удешевляет их, при этом исключает необходимость применения трудоемких горных технологий.

из шахтных дренажных вод микроорганизмы, окисляющие двухвалентное железо и восстанавливающие

серу - Thiobacillus ferrooxidans

Литотрофные микроорганизмы (а- Thiobacillus ferrooxidans,
б - Leptospirillum ferrooxidans

Окисляют сульфидный и сульфитный ионы, двухвалентное железо, сульфидные минералы меди, урана. Спириллы не окисляют сульфидную серу и сульфидные минералы, окисляют двухвалентное железо в трехвалентное, а некоторые штаммы окисляют пирит

а)

б)

Процесс окисления железа и серы бактериями является прямым окислительным процессом:
4 FeSO4 + O2 + 2 H2SO4 → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O,
S8 + 12 O2 + 8 H2O → 8 H2SO4.
В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4
и сфалерит: ZnS + 2 O2 → ZnSO4.
Ион трехвалентного железа, образующийся в результате окисления бактериями двухвалентного железа, служит сильным окисляющим агентом, переводит в раствор многие минералы
уранит: UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2 SO4 + 2 FeSO4.

Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe3+, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называется непрямым окислением.

окисления сульфидного минерала)
А -анод, К - катод, Д - диффузионный

слой

Диффузионный слой:
FeAsS →Fe2+ + As3+ + S°+7e–;

3.5 O2 + 14 H+ + 7 e– → 7 H2O.

Бактерии окисляют Fe2+ и S0
до конечных продуктов
4Fe2+ + O2 + H+ бактерии→ 4 Fe3+ 2 H2О,
G = –74.4 кДж моль –1.

S0 + 4 H2O +бактерии→(SO4)2– + 8 H+ 6 e–.
.

Взаимодействие иона трехвалентного железа с минералами:
FeAsS + Fe2 (SO4)3 + 1.5 H2O + 0.75 O2 → 3 FeSO4 + S0 + H3AsO3
и серой:
S0 + 6 Fe3+ + 4 H2O → 6 Fe2+ + SO4
2– + 8 H+.
.

штате Нью-Мексико (США) выщелачивание отвалов дает суточную добычу меди около

45–50 т; себестоимость меди, получаемой таким способом, в 1.5–2.0 раза ниже, по сравнению с обычными методами гидро- и пирометаллургии.

железо до трехвалентного, которое окисляет четырехвалентный уран до шестивалентного, переводя

его в раствор:
UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2SO4 + 2 FeSO4.
Возможно также прямое окисление урана бактериями:
2 UO2 + O2 + 2 H2SO4 → 2 UO2SO4 + 2 H2O.

извлечения урана, золота, серебра, меди и других металлов из окисных

руд или упорных сульфидных концентратов

зерен из микробных клеток и носителя размером 0.3–0.8 мм. Сорбент

используют в установках, работающих на ионообменных смолах; емкость составляет 5 мг урана на 1 г клеток (максимальная емкость – до 120 мг).
производство сорбентов на основе микробных полисахаридов
осаждение металлов в виде сульфидов
Сульфатредуцирующие микроорганизмы выделяют сероводород осаждение,полнота извлечения достигает 98.5 %.
восстановление шестивалентного хрома
Известны бактерии, в анаэробных условиях восстанавливающие шестивалентный хром в бытовых сточных водах, до трехвалентного, осаждающегося в виде Cr(OH)3 - Bacterium dechromaticans

на обогащение руд и концентратов. Весьма эффективным представляется применение для

этих целей сульфатредуцирующих бактерий, с помощью которых можно разработать новые процессы и улучшить существующие

При проведении процессов флотации окисленных минералов свинца и сурьмы применение сульфатредуцирующих бактерий повышает на 6–8 % извлечение минералов в результате сульфидизации окислов; в процессах флотации церуссита (PbCO3) извлечение свинца возрастает на 20–25 %. Применение сульфатредуцирующих бактерий для десорбции ксантогената с поверхности некоторых минералов после флотации позволяет селективно разделить некоторые минералы (CuFeS2 и MoS2, PbS и ZnS)

Desulfovibrio desulfuricans

Desulfotomaculum reducens

Archaeoglobus fulgidus