Исследование влияния СВЧ-излучения на ацидофильные хемолитотрофные бактерии

© А.В. Киореску, 2016

УЛК 550.72 А.В. Киореску

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА АЦИДОФИЛЬНЫЕ ХЕМОЛИТОТРОФНЫЕ БАКТЕРИИ

Проведено исследование по воздействию электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на ацидофильные хемолитотрофные бактерии, выделенные из сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка). Установлено, что облучение культуры бактерий СВЧ-излучением способствует как повышению, так и угнетению окислительной активности микроорганизмов, в зависимости от параметров облучения. Так, скорость окисления Ре(И) популяцией бактерий, облучение которой происходило в течение 10 секунд, оказалась выше на 11 %, по сравнению со скоростью окисления железа необлученной бактериальной культурой. При 20-секундном облучении наблюдалось снижение окислительной активности бактерий на 17 % по сравнению с необлученной популяцией микроорганизмов.

Ключевые слова: хемолитотрофы, ацидофильные микроорганизмы, СВЧ, микроволновое излучение, неионизируюшее излучение.

В России и за рубежом в последние годы наблюдается устойчивая тенденция к истощению запасов богатой и легкообогатимой руды, что приводит к необходимости вовлечения в переработку упорного и низкосортного минерального сырья. В связи с этим все большее внимание уделяется технологии бактериально-химического выщелачивания (БХВ), основные преимущества которой заключаются в низких затратах потребляемой электроэнергии, в высокой экологической безопасности, в простоте эксплуатации и в возможности применения к низкосортным рудам, которые не могут быть обработаны с помощью традиционных методов. Тем не менее, технология БХВ имеет и некоторые недостатки, связанные со слабой окислительной активностью микроорганизмов, участвующих в процессе выщелачивания ценных компонентов из минерального сырья [1-3].

На данный момент существует два способа повышения эффективности работы микроорганизмов, участвующих в биохимическом выщелачивании: метод адаптации и метод индуцированного мутагенеза [4].

Как правило, адаптация микроорганизмов малоэффективна и требует больших временных затрат, поэтому все чаше используют наиболее простой и более эффективный метод индуцированных мутаций с применением физических и химических агентов [5].

В данной работе было исследовано влияние электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне спектра на биологическую активность железо- и сероокисляюших бактерий, применяемых в технологии БХВ.

Материалы и методы

Бактериальная культура

Объектом исследования послужило сообшество хемолито-трофных ацидофильных микроорганизмов, выделенное из образца сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка).

По данным ПЦР-диагностики, в состав данного сообшест-ва входили АсЮЬюЬасШиБ ¡етгоохСапз, А. ШоохСапв, БиИоЬасШиз эр.

Бактериальная культура нарабатывалась в биореакторе при температуре 30°С с дополнительной аэрацией и перемешиванием со скоростью 90 об/мин.

Полученная биомасса была сконцентрирована методом центрифугирования до плотности клеток 109 мл-1 и разлита в пробирки типа Эппендорф в объеме 1 мл.

Процесс облучения

Облучение проводилось в СВЧ-печи. Частота облучения составляла 2,45 ГГц, что соответствует длине волны 12,2 см, мошность была равна 440 Вт. Для минимизации теплового эффекта пробирки были помешены на лед. Время облучения составляло 10, 20 и 30 секунд.

Культивирование

Бактериальное окисление Ге(11) проходило в колбах объемом 250 мл, содержаших стерильную среду 9К с добавлением Ге(11) при температуре 22°С без дополнительной аэрации и перемешивания. На протяжении всего эксперимента производился подсчет клеток, измерялись параметры рН и БЬ, а также определялась степень окисления железа. Контролем служила необлученная культура бактерий.

Результаты и их обсуждение

Максимальная плотность биомассы (4,8х108 мл-1) была достигнута в популяции бактериальных клеток, продолжительность облучения которой составила 10 секунд (рис. 1). Количество клеток в популяции необлученных бактерий достигало значения 4,5х108 мл-1. Наименьшая скорость роста клеток наблюдалась в колбе с бактериями, облученными в течение 20 секунд, где максимальная плотность составляла 1,3х108 мл-1.

По графикам изменения параметров рН и БЬ (рис. 2, 3) видно, что с более высокой кинетикой идут процессы в колбе, содержащей бактерии, облученные СВЧ-волнами в течение 10 секунд. Напротив, в колбах с облученными в течение 20 и 30 секунд бактериями кинетика процессов ниже, по сравнению с контролем. К 15 суткам, в колбе с облученной в течение 10 секунд бактериальной культурой, значение редокс-потенциала было равно 435 мВ; в контроле - 427 мВ; в колбе с облученными в течение 20 секунд бактериями - 411 мВ; в колбе с облученными в течение 30 секунд бактериями - 425 мВ.

Самая высокая окислительная активность наблюдалась в популяции бактерий, облучение которых происходило в течение 10 секунд. К15 суткам ими было окислено 54 % всего двухвалентного железа, в то время как в контрольной колбе к этому же времени было окислено всего лишь 43 %. Более слабая кинетика окислительных процессов (27 % окисленного Бе2+) была у бактерий, продолжительность облучения которых составляла 20 секунд. В колбе, с облученными в течение 30 секунд бактериями, было окислено 41 % железа (рис. 4, 5).

Рис. 1. Изменение количества бактериальных клеток

О 2 4 б 8 10 12 14

Сутки

Рис. 2. Изменение показателя рН в растворе

О 2 4 6 8 10 12 14

Сутки

Рис. 3. Изменение показателя БИ в растворе

Рис. 4. Изменение концентрации Бе3+ в растворе

Рис. 5. Изменение концентрации Бе2+ в растворе

Исходя из результатов проведенного исследования, можно сделать заключение о перспективе применения микроволновой энергии с целью повышения биоактивности микроорганизмов, участвующих в окислительных процессах, в том числе в бактериально-химическом выщелачивании. Это позволит сократить время, необходимое для извлечения целевых компонентов из минерального сырья. Однако требуются дополнительные исследования для определения оптимальных параметров облучения, позволяющих получить популяцию бактерий с максимальной окислительной активностью. Полученная в данной работе культура бактерий в дальнейшем будет использована в эксперименте по бактериально-химическому выщелачиванию целевых металлов из медно-никелевой руды в проточном режиме.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Киореску A.B. Особенности воздействия микроволнового излучения на ацидофильные хемолитотрофные бактерии с целью интенсификации бактериально-химического выщелачивания // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - №. 63. - с. 340-345.

2. Киореску A.B., Мусихин B.O., Хомченкова A.C. Исследование процессов проточного бактериально-химического выщелачивания сульфидных медно-никелевых руд месторождения Шануч (Камчатка) // Горный информационно-аналитический бюллетень № 11. - 2016. Специальный выпуск 31. -C. 272-279.

3. Хайнасова T.C., Певенец O.O. Бактериально-химическое выщелачивание как экологически безопасный способ переработки сульфидной ко-бальт-медно-никелевой руды // Разведка и охрана недр (научно-технический журнал). - ФГУП ВИМС, 2015. - № 1. - С. 49-54.

4. Kang J. et al. Bioleaching of chalcocite by mixed microorganisms subjected to mutation //Journal of Central South University of Technology. - 2009. - T. 16. - С. 218-222.

5. Xia L. et al. Comparison of three induced mutation methods for Acidio-thiobacillus caldus in processing sphalerite //Minerals Engineering. - 2007. - T. 20. - №. 14. - С. 1323-1326. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Киореску Александр Вадимович - аспирант, младший научный сотрудник, nigtc@kscnet.ru, Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской Академии Наук.

UDC 550.72

EFFECT OF MICROWAVE RADIATION ON ACIDOPHILIC CHEMOLITH-OTROPHIC BACTERIA

Kioresku A.V., PhD student, junior scientist, nigtc@kscnet.ru, Research Geotech-nological Center, Far Eastern Brunch of Russian Academy of Sciences.

A study of the effects of electromagnetic radiation in the microwave band on Chemo-lithotrophic acidophilus bacteria isolated from sulfide copper-nickel ore of the Shanuch deposit was carried out. It was determined that the bacterial cultures exposure by microwave radiation contributes to both increase and inhibition of oxidation ability of microorganisms, depending on the exposure parameters. Thus the oxidation rate of Fe (II) by bacteria population, which exposure occurred within 10 seconds, was higher by 10.5 % compared with the control. However, a 20-second irradiation promoted the reducing of oxidizing efficiency by 17 % compared with the non-irradiated bacteria population.

Key words: chemolithotrophs, acidophilus microorganisms, microwave, microwave radiation, non-ionizing radiation.

REFERENCES

1. Kioresku A.V. Osobennosti vozdeystviya mikrovolnovogo izlucheniya na acidofilnye hemolitotrofnye bakterii s celyu intensifikacii bakterialno-himicheskogo vyshchelachivaniya (Features of influence of microwave radiation on chemolithotrophy acidophilus bacteria with the purpose of intensification of bacterial-chemical leaching) // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten nauchno-tekhnicheskij zhurnal. 2015. No. 63, pp. 340-345.

2. Kioresku A.V., Musikhin V.O., Homchenkova A.S. Issledovanie processov pro-tochnogo bakterialno-himicheskogo vyshchelachivaniya sulfidnyh medno-nikelevyh rud mestorozhdeniya Shanuch (Kamchatka) (Study of the processes of the flow of bacterial-chemical leaching of sulfide copper-Nickel ore deposits chanoch (Kamchatka)) // Gornyj in-formacionno-analiticheskij byulleten No 11. 2016. Specialnyj vypusk 31, pp. 272-279.

3. Khainasova T. S., Levenets O. O. Bakterialno-himicheskoe vyshchelachivanie kak ekologicheski bezopasnyj sposob pererabotki sulfidnoj kobalt-medno-nikelevoj rudy (Bacterial-chemical leaching as an environmentally safe method of processing of sulphide cobalt-copper-Nickel ore) // Razvedka i ohrana nedr (nauchno-tekhnicheskij zhurnal). FGUP VIMS, 2015. No 1, pp. 49-54.