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.

  • 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.

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

Me2+ + H2S --> MeS + 2H+

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

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.

  1. 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.

    1. 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.