Микробная сульфатредукция в окисленных осадках хвостохранилищ добычи металлов

Финансирующая организация: Российский Фонд Фундаментальных Исследований (РФФИ)

Руководитель проекта: Ольга Викторовна Карначук

Добыча и переработка сульфидов металлов сопровождается образованием большого количества различных отходов. Извлеченные на поверхность сульфиды взаимодействуют с насыщенной кислородом водой и окисляются, в результате чего образуют стоки с кислой реакцией среды, обогащенные сульфатами, металлами и металлоидами.В результате выщелачивания Fe-содержащих  минералов, таких как пирит, марказит(FeS2), пирротит (Fe1-xS) и макинавит ((Fe,Ni)9S8), формируются так называемые кислые шахтные дренажные воды, которые представляют собой одну из самых серьезных проблем окружающей среды.

Микробные процессы играют важнейшую роль, как в окислении сульфидных минералов, так и в противоположном процессе вторичного осаждения сульфидов. Диссимиляционная сульфатредукция – важный механизм образования сульфидов металлов и повышения рН среды в местах, подверженных влиянию кислых дренажных вод.


  • Сульфатредуцирующие прокариоты (СРП) используют органические вещества (CH2O) или водород в качестве донора электрона и сульфат в качестве акцептора электрона при получении энергии.
  • Конечный продукт сульфатредукции, сероводород, реагирует с ионами металлов, осаждая их в виде практически нерастворимых сульфидов.
  • Эти реакции лежат в основе многих  in-situ и ex-situ технологий для снижения уровня загрязнения сточных вод и кислых шахтных дренажных вод  ионами металлов.


2CH2O + SO42- + 2H+ -->  2CO2 + H2S + 2H2O

Me2+ + H2S --> MeS + 2H+ 

(Me2+ = Fe2+; Cu2+; Ni2+; Co2+; Cd2+; Zn2+; Pb2+)

  • Микробная сульфатредукция традиционно рассматривалась, как анаэробный процесс и ранние исследования активности и разнообразия сульфатредуцирующих бактерий были сфокусированы на восстановленных, нижележащих слоях хвостохранилищ, мест складирования отходов переработки руды.
  • Наши представления о микробной сульфатредукции существенно изменились в течение последних двух десятилетий. Стало известно, что многие СРП толерантны к кислороду и растут в присутствии кислорода в концентрации, близкой к атмосферной. Более того, некоторые СРП не только восстанавливают сульфат, но и используют кислород в качестве конечного акцептора электрона.
  • Целью настоящего проекта является изучение активности и разнообразия СРП в окисленном поверхностном горизонте хвостохранилища добычи золота, характеризующегося экстремально низким рН и высокими концентрациями растворенных металлов.
 
Место исследования

Добыча золота из шахты в поселке Новый Берикуль (Мартайга, Кузбасс) осуществлялась в короткие периоды с  1933 по 1941 и с 1949 по 1951 годы. Технологические процессы измельчения, флотации и цианирования руды для добычи золота располагались на берегу реки Мокрый Берикуль. Здесь же осуществлялась переработка руды из золотых шахт, расположенных в поселке Старый Берикуль. Отходы собирались на берегу реки, в хвостохранилище, отгороженном дамбой. Часть отходов была вывезена в конце 1990х годов, а остатки хвостохранилища засыпаны пустой породой. Однако оставшиеся отходы в виде мелкоизмельченных сульфидов металлов продолжают окисляться. На территории бывшего хвостохранилища существуют многочисленные высачивания поровых растворов, заметные по желто-оранжевому цвету воды. Вода в этих ветландах характеризуется экстремально низким рН и высокой концентрацией растворенных металлов.  Существует постоянный сток из высачиваний в реку Мокрый Берикуль. Окисленные осадки хвостохранилища мы выбрали в качестве модельного объекта для изучения сульфатредукции и СРП.

 

Содержание ионов металлов (методами TCP-MS, TCP-AES) и сульфата (методом ионной хроматографии) (в мг/л)в воде высачиваний на территории хвостохранилища в Новом Берикуле (Кузбасс)

  РЕЗУЛЬТАТЫ

  • Скорость сульфатредукции, измеренная с радиоактивным сульфатом 35SO4 достигала 60 нмоль/см3/сутки в окисленных осадках;
  • С помощью молекулярного клонирования установлено, что единственными бактериями, способными к диссимиляционному восстановлению сульфата в окисленных и кислых осадках, являются спорообразующие Firmicutes. Представители Deltaproteobacteria не были обнаружены ни одним из примененных методов (молекулярное клонирование генов 16S рРНК и dsrAB, денатурирующий градиентный гель-электрофорез фрагментов генов 16S рРНК и культивирование).
  • Молекулярное клонирование гена dsrAB, функционального маркера на сульфатредукцию, и последующий филогенетический анализ позволили выявить три различные группы клонов. Две из них не имеют ближайших культивируемых родственников и не могут быть отнесены ни к одному из известных таксонов, включающих микроорганизмы с известной способностью к диссимиляционной сульфатредукции. Третья группа наиболее близка к Грам-положительным Desulfosporosinus.
 

Филогенетическое дерево, построенное методом ближайшего соседа (neighbor-joining) и основанное на  последовательностях 16S рРНК бактерий из баз данных, и на DGGE фрагментах  (511-560 bp). Названия последовательностей, выделенные жирным шрифтом - последовательности, полученные в ходе разделения методом DGGE.

ПУБЛИКАЦИИ

 

  1. Карначук О.В., Герасимчук А.Л., Бэнкс Д., Френгстад Б., Стыкон Г.А., Тихонова З.Л., Каксонен А.Х., Пухакка Я.А., Яненко А.С., Пименов Н.В. Бактерии цикла серы в осадках хвостохранилища добычи золота в Кузбассе // Микробиология. – 2009. – Т. 78, № 4. – С. 535-544.
  2. Kaksonen, A. H., Dopson, M., Karnachuk, O., Tuovinen, O. H., and Puhakka, J. A. 2008. Biological iron oxidation and sulfate reduction in the treatment of acid mine drainage at low temperatures. In: Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology, Eds. R. Margesin et al., pp. 429-454, Springer Verlag, Berlin.

  3. Karnachuk, O.V., Pimenov, N. V., Yusupov, S. K., Frank, Y. A, Kaksonen, A. H., Puhakka, J. A., Ivanov, M.V., Lindström,  E. B., and Tuovinen, O. H. 2005. Sulfate reduction potential in sediments in the Norilsk Mining area, Northern Siberia. Geomicrobiol. J. 22, 11-25.