Характер взаимодействии бактерий с металлическими сульфидами

Почти с момента обнаружения бактерий в рудничных водах обсуждались два альтернативных механизма окисления сульфидов: прямой и непрямой. Первый механизм допускает наличие бактериальных клеток, закрепленных непосредственно на поверхности металлического сульфида и окисляющих минерал с помощью ферментов (в присутствии кислорода) до сульфата и катиона металла (М).

В настоящее время при описании процесса биоокисления сульфидов общепринятым является другой механизм - непрямого взаимодействия, при котором проявляется окислительное воздействие ионов Fe3+, растворяющих металлсодержащий сульфид (MS). В результате этого химического взаимодействия образуются ионы Fe2+ и элементная сера, затем биологически окисляющиеся до Fe3+ и сульфат- иона. Этот механизм не требует непосредственного присоединения бактериальных клеток к сульфидному минералу. Ниже приведены реакции, характеризующие процесс биоокисления пирита [24]:

В 1964 г. Сильверман и Эрлих показали, что роль бактерий заключается не только в реализации реакции (3.33), но и в увеличении скорости окисления пирита по сравнению с химической реакцией

(3.32) при одинаковых условиях [25]. Это влияние было объяснено каталитическим воздействием секреций ферментного окислителя, внеклеточного полимерного вещества (ВПВ) (рис. 3.3) [26]. Такое «контактное» взаимодействие характеризуется реакцией

Отсюда видно, что при непрямом взаимодействии [реакции (3.32) и

Механизм бактериального увеличения скорости растворения пирита (vFeS =k[Fe]°'/[H]')

Рис. 3.3. Механизм бактериального увеличения скорости растворения пирита (vFeS2 =k[Fe3+]°'5/[H+]0'5)

(3.33) ] минерал окисляется за счет Регионов, а при контактном - биологическим веществом. Поэтому в 1967 г. Сильверман расширил классификацию [27], включив в нее непрямое взаимодействие, непрямой контактный механизм и прямой контакт (рис. 3.4). При непрямом механизме (рис. 3.4, а) бактерии в объеме раствора окисляют Fe2+ до Fe3+, в свою очередь окисляющего минерал. При непрямом контактном взаимодействии (рис. 3.4, 6) бактерия окисляет двухвалентное железо внутри ВПВ-слоя, а образующийся в слое ион Fe3+ окисляет сульфидный материал.

На рис. 3.4, в показан прямой контактный механизм, в соответствии с которым бактерия окисляет минерал биологическим путем без какого-либо участия ионов Fe или Fe .

Биоокисление металлических сульфидов определяется растворимостью образующихся продуктов взимодей- ствия (Н+-концентрацией раствора) и последующим использованием нескольких механизмов, приводящих к разрушению химических связей

Способы воздействия бактерий Г. ferrooxidans на сульфидные минералы

Рис. 3.4. Способы воздействия бактерий Г. ferrooxidans на сульфидные минералы:

а - непрямой контакт; б - непрямой контактный механизм; в - прямой контактный механизм

в кристаллической решетке данного сульфида. Эти механизмы включают [28]: во-первых, «извлечение» электронов и разрушение химических связей ионами Fe3+; во-вторых, извлечение серы путем образования полисульфидов и комплексов железа [Y+], являющихся активными реагентами, и, в-третьих, электрохимическое растворение за счет поляризации сульфида (при высокой концентрации Fe3+).

Таким образом, химико-каталитический процесс, с помощью которого бактерии окисляют сульфиды, в общем виде может быть представлен реакцией [28]

где X = Н+(кислое выщелачивание) или X = Fe3+ (окисление), 2Х = Y + + Н+ (перенос энергии). В результате каталитические реакции могут протекать самопроизвольно с участием различных переносчиков энергии или бактерий.

Все эти механизмы реализуются при массообмене между сульфидами и железоокисляющими бактериями; в результате их совместного воздействия происходят разрушение минерала и рециркуляция ионов Н+, Fe3+ и У + (за счет бактериального метаболизма).

Так как циклическое бактериальное окислительное воздействие на минерал является непрямым, бактерии испытывают трудности, связанные с получением необходимого количества химической энергии от сульфида.

Варианты биовыщелачивания металлического сульфида [14]

Рис. 3.5. Варианты биовыщелачивания металлического сульфида [14]

В частности, у пирита электронообменная способность определяется координационным механизмом, поэтому передача электронов приводит не к разрушению химических связей, а к повышению окислительного состояния железа на межфазной границе [28]. В связи с этим бактерии «выбрали» альтернативную стратегию, заключающуюся в образовании между оболочкой бактерии и сульфидом ВПВ-слоя, обеспечивающего необходимый контакт с поверхностью сульфида. Бактерия не может «ориентироваться» на химические соединения, доступные ей в природных условиях, однако может вырабатывать в слое переносчик энергии Y + или искусственно увеличивать концентрацию ионов Fe3+, присоединяющих электроны у поверхности пирита.

В случае использования бактерий Т. ferrooxidans повторяющиеся циклы, сопровождающиеся переносом энергоносителя (Y+) через ВПВ-слой, разрушают пирит, в то время как L. ferrooxidans накапливают ионы Fe до таких значений потенциала, которые приводят к деполяризации пирита и определяют возможность электрохимического окисления серы до сульфаг-иона. Виды бактериального выщелачивания металлического сульфида: непрямого, контактного и кооперативного показаны на рис. 3.5. Под кооперативным выщелачиванием понимается наличие части бактерий у поверхности сульфида в ВПВ-слое, а другой части - в виде суспензии в растворе, где жизнедеятельность бактерий поддерживается переносчиками энергии - веществами, образовавшимися при биоокислении [29].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >