Микробиологи заставили бактерии добывать золото

«В XV веке люди научились получать медь из голубых ручейков, которые вытекают из-под горных массивов. А вот поняли механизм выщелачивания цветных металлов из сульфидных руд намного позже, уже в XX веке, — рассказывает Infox.ru заведующая лабораторией хемолитотрофных микроорганизмов Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН (ИНМИ РАН) Тамара Кондратьева.

— Основную роль в этом процессе играют ацидофильные хемолитотрофные бактерии. Они используют в качестве источника энергии закисное железо, элементную серу и ее восстановленные соединения. Этот процесс идет при значениях pH 2−3, то есть в достаточно кислой среде, и в диапазоне температур 4−80°С. Среди них есть мезофильные, то есть пик активности которых наблюдается при 28−30°С, есть умеренно термофильные, для которых оптимум 45−55°С, и термофилы (любители тепла), это в основном археи, предпочитающие жить при температуре выше 60°С. Встречаются универсалы, которые могу окислять все субстраты. Это, например, такая грам-отрицательная бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans.

Есть бактерии, которые могут окислять только железо или только сульфидный компонент. Все эти бактерии в природных экосистемах образуют сообщества. Они ответственны за закисление водоемов, загрязнение их ионами тяжелых металлов. Также они разрушают месторождения серы, превращая их в серную кислоту. То есть с одной стороны, они приносят вред человеку. А с другой — люди научились их использовать для получения ценных металлов».

«Мы изучаем физиологию, морфологию, генетику подобных бактерий, — продолжает доктор Кондратьева. — За последние годы мы выделили новое семейство ацидофильных хемолитотрофных архей. Его представитель — очень интересная архея, растет при довольно низких температурах и окисляет железо, в то время как большинство подобных архей окисляет серу. Также мы открыли несколько бактерий рода Sulfobacillus, например Sulfobacillus sibiricus и Sulfobacillus olympiadicus. Причем мы описали их первыми, а сейчас их выделяют в различных географических зонах, в разных субстратах и в разных технологических процессах. При этом мы показали, что видовое разнообразие не очень велико, зато очень велико штаммовое разнообразие. Также мы описали ключевые факторы, отвечающие за это разнообразие. Это энергетический субстрат и концентрации тяжелых металлов.

При изменении факторов среды микроорганизмы начинают к ним приспосабливаться. Как правило, изменения обратимы, но в случае возникновения необратимых изменений в структуре хромосомной ДНК можно говорить об экспериментальном получении новых штаммов. Основную роль в образовании новых штаммов играют непостоянные элементы генома, например плазмиды — молекулы ДНК вне хромосом. Также мы изучаем применение бактерий в гидробиометаллургических технологиях, то есть совершенствуем уже имеющиеся, а также создаем новые, экономически выгодные и экологически безопасные».
Технологии

«Сначала, конечно, нужно изучать метаболизм микроорганизмов в лабораторных условиях, — продолжила для Infox.ru рассказ Кондратьевой кандидат биологических наук Анна Журавлева. — Это помогает понять, как ведут себя микробные сообщества при определенных концентрациях кислорода, температуре. Открываются и интересные свойства микроорганизмов: например, сульфобациллы, окисляющие серу и железо при высоких температурах, эволюционно выработали свойство питаться еще и органическим субстратом».

«Все фундаментальные исследования, которые ведутся в нашей лаборатории, имеют важное прикладное значение, — пояснила Infox.ru кандидат технических наук Наталья Фомченко. — Сейчас цветные металлы получают из сульфидных руд пирометаллургическим способом, то есть обжигом. Это влечет за собой большое количество выбросов пыли, диоксида серы и других парниковых газов. Поэтому во всем мире возрос интерес к гидрометаллургическим процессам. Особенно интересны биогидрометаллургические процессы, то есть процессы в водной среде с участием микроорганизмов. Мы предлагаем концепцию двустадийного биоокисления сульфидных концентратов, содержащих цветные металлы и золото.

Процесс разделяется на химическую и биологическую стадию, на каждой из которых создаются оптимальные условия для процессов. В такой конфигурации он может конкурировать с пирометаллургическим не только по экологическим, но и экономическим показателям. Образующийся на стадии биоокисления окислитель направляется на стадию химического выщелачивания концентратов сульфидных руд. Так получается безотходный высокоэффективный процесс, позволивший в опытных условиях получить цинк и медь. Для золота такой подход тоже подходит. Раньше золото на территории России добывали из рассыпных руд, но поскольку их запасы истощились, то работа идет с коренными рудами, содержащими неокисленные сульфиды. Бактерии могут перерабатывать руды, которые ни по какой другой технологии переработать невозможно».