Исследование иммобилизации микроорганизмов и окисления железа иммобилизованной биомассой клеток

© Т.О. Хайнасова, A.A. Балыков, О.О. Левенец, 2016

УДК 550.72

Т.С. Хайнасова, A.A. Балыков, О.О. Левенец

ИССЛЕДОВАНИЕ ИММОБИЛИЗАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОМАССОЙ КЛЕТОК

Представлены результаты исследования иммобилизации биомассы железоокисляюших бактерий на активированный кокосовый уголь и окисления двухвалентного железа иммобилизованными клетками. Ключевые слова: иммобилизация, активированный кокосовый уголь, биоокисление, двухвалентное железо, железоокисляюшие микроорганизмы.

Благодаря обеспечению целого ряда преимуществ, таких как высокая концентрация, активность и стабильность работы микроорганизмов, возможность применения в непрерывных и полунепрерывных автоматизированных условиях, биотехнологические процессы, основанные на использовании иммобилизованной биомассы клеток, получили активное развитие в течение последних 30 лет, в том числе и в области бактериально-химического выщелачивания [1, 2].

Целью настоящей работы являлось исследование иммобилизации микроорганизмов и окисления двухвалентного железа иммобилизованной биомассой клеток.

Материалы и методы

Все процессы осуществлялись на лабораторной установке, представленной на рис. На первом этапе для наработки биомассы железоокисляющих бактерий использовали культуру хе-молитотрофных микроорганизмов, ранее принимавшую участие в процессах биовыщелачивания сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч в проточном режиме в каскаде реакторов. Культивирование микроорганизмов проводили в среде Сильвермана-Люндгрена с концентрацией Ре2+ 15 г/л в емкости 3 объемом 20 л до достижения необходимой концентрации клеток (107-108 кл/мл). На момент посева соотношение объема инокулята к объему питательной среды составляло 1:10 (1,5 л культуры бактерий и 15 л питательной

среды). Температура культивирования микроорганизмов -30 °С. рН раствора регулировали добавлением 10Н Н2304 и поддерживали на уровне 1,70. Аэрацию производили с помощью аквариумного компрессора.

На втором этапе проводили иммобилизацию бактерий в колонне с уплотненным слоем носителя объемом 3,6 л 1. В качестве субстрата для иммобилизации была использована фракция активированного кокосового угля (ЛХ-102) размером 2,5-4 мм, которую предварительно промывали дистиллированной водой и высушивали. Культуру микроорганизмов, наработанную на первом этапе, несколько раз прокачивали через колонну с углем посредством перистальтического насоса 4 со скоростью 0,68 л/ч при комнатной температуре (20 °С). При этом бактериальный раствор продолжали насыщать воздухом с помощью компрессора 6. рН раствора на выходе регулировали 10Н Н2Б04, поддерживая на уровне 1,70.

На третьем этапе осуществляли окисление железа путем прокачивания питательной среды Сильвермана-Люндгрена с концентрацией Ре2+ 15 г/л из отдельной емкости 7 через колонку с углем и иммобилизованной на нем биомассой бактерий. Первоначальная скорость протока - 1,485 л/сут. С целью установления оптимального значения данного параметра скорость подачи раствора изменяли с 1,485 до 32,8 л/сут. Температура процесса - 20 °С.

Производительность колонки рассчитывали по формуле:

(С2 ~ С1 )^протока

24 ,

где с2 - концентрация двухвалентного железа в растворе на входе в колонку с иммобилизованной на угле биомассой клеток (г/л); С1 - концентрация двухвалентного железа в растворе на выходе из колонки с иммобилизованной на угле биомассой клеток (г/л); упротока - скорость протока (л/сут).

Результаты и обсуждение

Анализ получения биомассы железоокисляющих бактерий обнаружил, что культивирование микроорганизмов в больших объемах увеличивается до 13 суток против обычных 4-7 дней при выращивании в малых емкостях (колбы или лабораторные

Рисунок. Лабораторная установка: 1 - биореактор с уплотненным слоем активированного угля; 2 -термостат; 3 - емкость для культивирования железоокисляющих бактерий; 4 - перистальтический насос; 5 - контроллер; 6 - компрессор; 7 -емкость для слива растворов.

1,5-литровые реакторы). Максимальная концентрация бактериальных клеток (2,06-108 кл/мл) была получена только на одиннадцатые сутки. После чего она стала снижаться. Изменения основных параметров процесса дополнительно представлены в табл. 1.

На тринадцатые сутки при концентрации клеток 6,1-107 кл/мл был запущен процесс иммобилизации. Раствор на первоначальном этапе характеризовался следующими параметрами: рН = 1,74, БЬ = 492 мВ, Ре3+ = 14,03 г/л, Ре2+ = 0,49 г/л, Реобщ = 14,52 г/л. Продолжительность иммобилизации заняла трое суток. Результаты процесса отражены в табл. 2. Концентрация биомассы после первых суток снижалась до 2,4-107 кл/мл, что указывало на успешность процесса иммобилизации. Однако на вторые сутки численность клеток в растворе обнаружила существенный прирост (до 1,98-108 кл/мл), что, вероятно, было связано с положительным влиянием активированного угля на развитие микроорганизмов. На данном этапе количество иммобилизованных клеток адекватно оценить было невозможно по причине учета только свободных бактерий. На третьи сутки концентрация клеток снизилась с 1,98-108 до 3,5-107 кл/мл. Таким образом, исходя из учета разницы в концентрации микроорганизмов в начале и в конце процесса иммобилизации, количество иммобилизованной биомассы составило минимум

2.5-107 кл/мл, что в пересчете на массу угля соответствует

1.6-107 кл/г.

Таблица 1

Параметры процесса получения культуры железоокисляюших бактерий

№ пробы Время, сут рН Eh, мВ Расход 10N H2SO4, мл N-108, кл/мл Fe3+, г/л Fe2+, г/л Feoáirn г/л

0 0 1,96 360 50 0,03 1,83 12,41 14,24

1 1 1,88 365 20 0,03 2,09 12,29 14,38

2 2 1,79 372 0 0,05 2,51 11,94 14,45

3 3 1,84 379 15 0,13 3,07 11,38 14,45

4 4 1,89 389 50 0,10 4,47 10,05 14,52

5 5 1,79 400 10 0,06 5,58 8,77 14,35

6 6 1,80 409 15 0,14 6,77 7,68 14,45

7 7 1,81 416 15 0,22 7,82 6,70 14,52

8 8 1,79 422 10 0,72 8,93 5,73 14,66

9 9 1,81 431 30 0,35 10,05 4,40 14,45

10 10 1,79 442 20 0,43 11,03 3,28 14,31

11 11 1,76 449 10 2,06 12,63 2,35 14,98

12 12 1,73 467 0 1,64 13,26 1,26 14,52

13 13 1,78 492 15 0,61 14,03 0,49 14,52

Таблица 2

Параметры процесса после пропускания раствора через колонну с активированным кокосовым углем

№ пробы Время, сут рН Eh, мВ Расход 10N H2SO4, мл N-108, кл /мл Fe3+, г/л Fe2+, г/л Feoáin, г/л

1 1 1,92 461 50 0,24 11,45 1,11 12,56

2 2 1,72 480 - 1,98 12,15 0,62 12,77

3 3 1,65 485 - 0,35 11,59 0,69 12,28

После иммобилизации осуществляли окисление раствора двухвалентного железа в концентрации 15 г/л. Его прокачивали через термостатированную колонну с иммобилизованной клеточной биомассой, изменяя скорость протока. Общая продолжительность окисления составила 19 суток. Параметры процесса отражены в табл. 3. В ходе исследования был показан диапазон изменения производительности установки от 0,89 до 3,63 г-л/ч и установлено, что максимальная скорость окисления закисного железа достигала при скорости протока 6,955 л/сут. При большей скорости протока (32,8 л/сут) производительность снижалась.

Таблица 3

Параметры раствора в процессе окисления двухвалентного железа иммобилизованной биомассой бактерий

№ пробы Время, сут pH Eh, мВ Скорость протока питательной срелы, л/сут N-108, кл/мл Fe3+, г/л Fe2+, г/л г/л т, °с Производительность, г/л-ч

1 1 1,67 502 1,485 0,035 13,33 0,46 13,79 20,91 0,89

2 2 1,74 497 1,34 0,078 13,65 0,34 13,99 21,61 0,81

3 3 1,65 505 1,62 0,026 14,38 0,49 14,87 20,77 0,97

4 4 1,61 505 2,25 0,022 14,52 0,70 15,22 21,29 1,33

5 5 1,68 481 2,28 0 14,38 0,84 15,22 21,74 1,33

6 6 1,61 485 2,58 0,026 14,24 1,12 15,36 22,00 1,48

7 7 1,61 476 2,56 0,031 13,54 1,19 14,73 21,43 1,46

8 8 1,64 464 3,32 0,022 13,12 1,75 14,87 21,90 1,84

9 9 1,60 467 3,25 0,026 13,19 1,75 14,94 22,18 1,79

10 10 1,71 464 2,99 0 14,42 1,68 14,10 24,80 1,65

11 11 1,73 472 3,225 0,013 13,09 1,15 14,24 24,90 1,85

12 12 1,80 481 3,18 0,026 13,40 0,84 14,24 24,91 1,86

13 13 1,90 477 3,85 0,200 14,06 0,7 14,76 24,93 2,27

14 14 1,70 498 4,13 0,181 13,96 0,59 14,55 24,93 2,47

15 15 1,72 493 4,75 0,180 13,96 0,56 14,52 24,94 2,84

16 16 1,82 508 5,005 0,510 13,96 0,42 14,38 24,95 3,02

17 17 1,70 459 6,955 0,350 12,98 2,23 15,23 24,99 3,63

18 18 1,67 462 6,86 0,39 12,49 2,24 14,73 24,99 3,58

19 19 1,64 403 32,8 0,0914 6,84 10,36 17,2 24,99 2,76

Выводы

Продолжительность процесса иммобилизации бактерий на активированный кокосовый уголь составила 3 суток, в течение которых удалось подвергнуть иммобилизации не менее 1,6-107 кл/г угля.

При скорости протока 6,955 л/сут была отмечена максимальная интенсивность окисления закисного железа - 3,63 г/л-ч. При значительно более высокой скорости протока (32,8 л/сут) производительность снижалась. Поэтому научный интерес представляет исследование производительности установки в диапазоне скорости протока от 7 до 32 л/сут.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хайнасова Т.С., Левенец О.О., Трухин Ю.П. Применение иммобилизации микроорганизмов в биовыщелачивании // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) №11. Специальный выпуск № 31 «Камчатка-3». М.: Горная книга, 2016. - С. 235-246.

2. Левенец О.О., Хайнасова Т.С., Балыков A.A., Трухин Ю.П. Высокотемпературное выщелачивание сульфидной руды месторождения Шануч растворами трехвалентного железа // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) № 11. Специальный выпуск № 31 «Камчатка-3». М.: Горная книга, 2016. - С. 254-259. ВШЭ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, khainasova@yandex.ru,

Балыков Анатолий Анатольевич - научный сотрудник, ana-bio-z@yandex.ru, Левенец Ольга Олеговна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, levenets@yandex.ru,

Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИГТЦ ДВО РАН).

UDC 550.72

INVESTIGATION OF MICROORGANISM'S IMMOBILIZATION AND OXIDATION OF IRON BY IMMOBILIZED BIOMASS OF CELLS

Khainasova T.S., Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, khainasova@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,

Balykov A.A., Researcher, ana-bio-z@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,

Levenets O.O., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, levenets@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.

The results of investigation of immobilization of iron-oxidizing bacteria on absorbed coconut carbon and oxidation of ferrous iron by immobilized cells are presented in the article.

Key words: immobilization, absorbed coconut carbon, biooxidation, ferrous iron, iron-oxidizing microorganisms. REFERENCES

1. Hajnasova T.S., Levenec O.O., Truhin Ju.P. Primenenie immobilizacii mikroorganizmov v biovyshhelachivanii (Application of immobilization of microorganisms in bioleaching) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). Special'nyj vypusk № 31 «Kamchatka-3». Moscow: Gornaja kniga, 2016. No 11. pp. 235-246.

2. Levenec O.O., Hajnasova T.S., Balykov A.A., Truhin Ju.P. Vysokotemperaturnoe vyshhelachivanie sul'fidnoj rudy mestorozhdenija Shanuch rastvorami trehvalentnogo zheleza (High temperature leaching of sulfide ore deposits Sanus solutions of ferric iron) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). Special'nyj vypusk No 31 «Kamchatka-3». Moscow: Gornaja kniga, 2016. No 11. pp. 254-259.