Как получают полезные ископаемые из бактерий
Полезные ископаемые очень редко встречаются в чистом виде и в большинстве случаев заточены внутри различных горных пород. На протяжении многих веков люди занимались их извлечением вручную, но потом выяснили, что микробы с этой задачей справляются гораздо лучше. Например, в 1940-х годах ученые извлекали медь из горных пород при помощи так называемых железобактерий — такой подход сохранил массу денег и человеческих сил. Логично предположить, что такой же способ добычи полезных ископаемых должен применяться на Марсе и других планетах, но станут ли микробы выполнять свою работу при слабой силе тяжести?
На данный момент ученые почти не знают, как себя ведут микробы вне земных условий. Однако, им хотя бы известно, что в условиях невесомости бактерии образуют на различных объектах толстые и разнообразные по своей форме пленки. Вполне возможно, что это свойство позволит микробам извлекать полезные химические элементы гораздо быстрее и эффективнее, чем а Земле. Правдивость этого предположения скоро будет проверена в рамках эксперимента внутри Международной космической станции.
Добыча полезных ископаемых
В ночь с 25 на 26 июля на космическую станцию будет отправлен грузовой корабль Dragon от компании SpaceX. Его запуск уже должен был состояться, однако его перенесли на другую дату из-за плохих погодных условий. Внутрь капсулы погружено около 2,5 тонн груза для проведения десятков экспериментов. Одним из самых интересных исследований будет BioRock — именно в его рамках экипаж станции попытается добыть полезные вещества из вулканической горной породы под названием базальт в условиях невесомости.
Добыча ископаемых будет происходить внутри этих реакторов
Ученые выбрали базальтовые породы по двум причинам. Во-первых, базальт считается одним из самых распространенных в Солнечной системе пород, поэтому в будущем космические путешественники наверняка с ним столкнутся и попытаются добыть из него нужные им вещества. Во-вторых, вулканическая порода имеет множество микроскопических отверстий, внутри которых микробы будут чувствовать себя максимально комфортно.
Пленка из микробов на куске базальта
В ходе эксперимента экипаж МКС планирует извлечь из твердой породы более 20 химических элементов. Собранные материалы впоследствии будут отправлены на Землю, чтобы исследователи оценили чистоту добытых элементов. Разумеется, в ходе эксперимента ученые также будут тщательно следить за поведением микробов и подмечать действия, которые кажутся им странными.
Это интересно: Что нужно пить и есть, чтобы выжить на Марсе?
Как добываются полезные ископаемые?
Технология извлечения металлов из твердых пород при помощи бактерий, как и говорилось выше, довольно стара. В самом начале процесса горную породу тщательно измельчают и смешивают с кислотой. Затем в этот раствор добавляют группу бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности начинают отделять химические вещества от породы и вымывать их в раствор. Собрать отделенные вещества затем можно путем электролиза — пропускания электрического тока через жидкость.
Читайте также: Подземные микробы практически достигли бессмертия
В ходе извлечения металлов бактерии не получают никакого вреда, потому что вымывание компонентов твердого материала в раствор — это естественный для них процесс. В природе железобактерии встречаются в пресных и соленых водах и играют огромную роль в круговороте железа в природе. Благодаря им, например, на дне болот и морей образуются железная руда и марганец.
Полезные бактерии
Возможно, в будущем мы сможем добывать полезные ископаемые даже на астероидах, где силы тяжести практически нет. В этом случае для микробов придется создать специальные капсулы, которые поддерживают оптимальную для их жизни температуру и давление. Взамен бактерии позволят нам сильно экономить на космических перевозках — на Землю будут доставляться только сами полезные ископаемые, а кусочки тяжелого грунта останутся в космосе.
Добычей полезных ископаемых займутся Sphingomonas desiccabilis и другие бактерии
Все это выглядит весьма многообещающе и теперь остается надеяться, что в космических условиях бактерии работают так же хорошо, как и на Земле. На нашей планете остается все меньше ресурсов, поэтому добыча полезных ископаемых на других планетах это всего лишь дело времени.
Если вам интересны новости науки и технологий, обязательно подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!
Эксперименты на борту Международной космической станции показали, что бактерии могут добывать полезные ископаемые в космосе с эффективность до 400% от земной нормы. Благодаря им у человечества появится способ добывать из астероидов магний, железо и редкоземельные минералы, которые мы широко используем в электронике и сплавах.
Добывать минералы в космосе может быть немного проще, чем мы думали — и помогут нам в этом микробы
На Земле бактерии играют очень важную роль в извлечении минералов из земли. Они участвуют в естественном выветривании и разрушении горных пород, высвобождая содержащиеся в них вещества. Способность по выщелачиванию металлов из окружающей среды уже используется в горнодобывающих предприятиях — это так называемый биомайнинг, который обладает рядом преимуществ. Например, он помогает снизить зависимость от цианида при добыче золота. Бактерии также могут способствовать обеззараживанию загрязненной почвы.
В космических средах, таких как астероиды, Луна и даже Марс, добыча полезных ископаемых будет ценным инструментом. Доставка материалов с Земли стоит невероятно дорого; даже использование самого дешевого на сегодняшний день варианта, Falcon Heavy от SpaceX, обойдется в $1500 за килограмм полезной нагрузки. Поэтому исследователи активно изучают технологию биодобычи в космосе.
«Микроорганизмы очень разнообразны. Так что, по мере того, как мы будем осваивать космос, их можно использовать для выполнения множества процессов», — пояснила астробиолог Роза Сантомартино из Эдинбургского университета в Великобритании.
За 10 лет команда разработала небольшое устройство размером со спичечный коробок, названное «реактором биоразработки», которое можно перевезти и установить на МКС. В июле 2019 года 18 таких реакторов были отправлены на космическую станцию для экспериментов.
Каждый реактор биодобычи содержал бактериальный раствор, внутри которого находился небольшой кусок базальта, вулканической породы, в изобилии встречающейся на Луне. В течение трехнедельного периода базальт в каждом реакторе подвергался воздействию бактериального раствора, чтобы определить, могут ли бактерии выполнять функцию выщелачивания горных пород в условиях низкой гравитации.
Моделируя гравитацию Марса, Земли (с использованием центрифуги) и условия микрогравитации, команда провела эксперименты с отдельными растворами трех разных бактерий: Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis и Cupriavidus Metallidurans. Контрольный раствор без бактерий использовали в качестве отправной точки и сравнительного образца.
Исследователи обнаружили, что эффективность бактериального выщелачивания при изменении силы тяжести изменялась незначительно. Для B. subtilis и C. Metallidurans уровень извлечения редкоземельных минералов был чуть ниже нормы. Только раствор S. desiccabilis показал, что бактерии извлекли из базальта значительно больше редкоземельных минералов, чем их сородичи в контрольном растворе.
Ученые пришли к выводу, что при достаточном количестве питательных веществ биодобыча возможна даже условиях силы тяжести, отличной от земной. «Наши эксперименты подтверждают научную и техническую осуществимость биологически усиленной добычи элементарных ресурсов в Солнечной системе. Хотя добывать эти элементы в космосе для того, чтобы доставлять их на Землю, экономически нецелесообразно, космическая биоминерация потенциально могла бы поддерживать колонии людей на других планетах», — заявил астробиолог Чарльз Кокелл из Эдинбургского университета.
Использование микроорганизмов для извлечения металлов из руд долгое время считалось недостаточно эффективным. Но теперь ситуация начинает меняться.
Цены на золото, медь, никель и многие другие металлы за последние годы выросли настолько, что некоторые методы их добычи, считавшиеся ранее недостаточно экономичными и потому отвергнутые, теперь снова становятся предметом дискуссий и научных исследований. К этим методам относится, в частности, и так называемое бактериальное выщелачивание, то есть извлечение тех или иных химических элементов из руд, концентратов и горных пород с помощью бактерий или продуктов их жизнедеятельности. А бактерий таких немало. Профессор Аксель Шипперс (Axel Schippers), геомикробиолог, научный сотрудник Федерального ведомства по геонаукам и сырью в Ганновере, собрал в своей лаборатории более полутора тысяч штаммов разных бактерий, которые могут найти применение в процессе обогащения руд.
Микробный зоопарк
Собрание ученого – не база данных в привычном понимании этого слова и не коллекция, а нечто вроде “зоопарка” микробов, все обитатели которого находятся в глубокой зимней спячке, поскольку хранятся в условиях крайне низких температур, при минус 140 градусах. “Так получается менее трудоемко, – поясняет ученый. – Но все равно время от времени эти культуры приходится размораживать и пробуждать к жизни, чтобы убедиться, что они по-прежнему активны и не загрязнены”.
Хотя в “зоопарке” профессора Шипперса имеются, конечно, и весьма экзотические микроорганизмы, подавляющее большинство его обитателей составляют разные штаммы хорошо известных так называемых тионовых бактерий, получающих энергию за счет окисления практически всех сульфидных минералов, серы, а также соединений железа, меди, селена, сурьмы, урана и некоторых других элементов. Именно эти микроорганизмы представляют наибольший интерес с точки зрения их использования в бактериальном выщелачивании металлов из руд.
Для этого горную породу измельчают, смешивают с кислотой, а затем в раствор добавляют культуру подходящих бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности и переводят металл в раствор. Извлечь его оттуда можно, например, методом электролиза. Бактериальное выщелачивание считается относительно экологичной технологией. Во всяком случае, оно обходится без выбросов двуокиси серы в атмосферу и требует меньших энергозатрат, чем традиционная пирометаллургия с полным расплавлением шихты и разделением расплава на металл и шлак.
Каждому минералу – свою бактерию!
Использование микроорганизмов для выщелачивания металлов из руд уходит корнями в давние времена, когда о самом существовании бактерий никто еще не подозревал. Осмысленно и целенаправленно эта технология развивалась в прошлом столетии, но ближе к концу века утратила популярность. “Отчасти наша работа начинается теперь там, где мы ее прекратили 20-30 лет назад”, – говорит профессор Шипперс. Это связано с тем, что, с одной стороны, резко выросли цены на металлы, а с другой – с тем, что исследователи обнаружили немало новых видов бактерий. “30 лет назад было известно всего несколько микроорганизмов, игравших роль в выщелачивании металлов, – поясняет ученый. – Сегодня их не менее трех десятков, и это число продолжает расти. Поэтому сейчас мы можем для каждого минерала подобрать оптимальный вид бактерий”.
При добыче меди и золота метод бактериального выщелачивания применяется уже довольно широко: на его долю приходится несколько процентов мировой добычи этих металлов. Тут лидерами являются Австралия, страны Латинской Америки и Африки. А в Финляндии с помощью особого штамма бактерий удалось наладить добычу никеля, кобальта и цинка на одном из местных месторождений.
Нет пророка в своем отечестве
Однако бактериальную технологию, эффективную на одном месторождении, далеко не всегда можно перенести на другое: отличия в составе горных пород допускают использование только местных штаммов бактерий, а у каждого такого штамма – свои “привычки” и свои “потребности”. “С этим у нас сейчас проблемы, – сетует профессор Шипперс. – Что касается совершенствования технологий извлечения металлов из руд, у нас есть интересные лабораторные наработки, выполненные в ходе прежних исследований, но испытать их в Германии в крупном масштабе и проверить на экономическую рентабельность у нас нет возможности”.
Зато некоторые наработки находят практическое применение в международном масштабе. Так, в сотрудничестве с Клаустальским техническим университетом профессор Шипперс доказал, что с помощью бактерий можно будет санировать гигантские отвалы бедной руды на одной из шахт в Перу, причем продажа извлеченного металла позволит полностью окупить это мероприятие. А еще ученый намерен использовать некоторых обитателей своего микробного “зоопарка” для бактериального выщелачивания металлов из шлаков, отходов обогащения, свалок и так далее.
Человек научился использовать бактерии для извлечения полезных ископаемых из недр земли, в том числе золота. Этот метод, без понимания сути происходящего, люди использовали 2000 лет назад, ещё в Римской империи. Тогда не знали, что это микроорганизмы обеспечивали перевод металлов из сульфидов руды в раствор. И только с середины прошлого века стало известно, что растворы в рудных месторождениях обогащаются металлами, главным образом благодаря бактериям. Процесс перевода металлов в раствор называют бактериальным выщелачиванием. Он происходит в природе везде, где создаются условия для роста и деятельности хемоавтотрофных организмов – сульфидные руды, наличие кислорода воздуха и влага. Бактериальное выщелачивание (биовыщелачивание, БВ) основано на разложении сульфидов специальными бактериями. Эти бактерии питаются энергией, которую они получают в результате окисления сульфидов. После бактериального вскрытия сульфидов золото значительно легче извлекается цианированием. Современные технологии позволяют многократно ускорить те же процессы, которые миллионы лет в присутствии бактерий происходят в естественных условиях.
В 70-80 е годы прошлого столетия в СССР были разработаны основные положения биотехнологии, а в 1974 году была запущена первая в мире опытная установка по биогидрометаллургической переработке упорных золотосодержащих концентратов.
В настоящее время для бактериального выщелачивания используют такие способы как подземное, кучное и чановое выщелачивание. Бактериальное выщелачивание может быть организовано для первичных руд и для концентратов.
Сегодня все российское минеральное золотосодержащее сырьё, с которым мы имеем дело, разделяется на 2 типа: то, что лежит на поверхности, это окисленная часть месторождения (окисленные сульфидные руды), и более глубокая часть этого месторождения – коренные сульфидные руды. Коренные сульфиды на золотых месторождениях представлены арсенопиритом, пиритом, пиротином, халькопиритом и другими минералами, в которых находится золото. А на поверхности месторождения находятся те самые окисленные руды, в образовании которых активное участие принимали бактерии. Это те же руды, которые в течение миллионов лет прошли процесс бактериального окисления. При бактериальном выщелачивании сульфидных мышьяковистых руд, которые встречаются на месторождениях в Якутии и на Камчатке, тионовые бактерии путем окисления разрушают кристаллическую решетку сульфидов и вскрывают пирит или аресенопирит, обеспечивая реагентам доступ к вкраплениям золота. Тионовые бактерии (от греч. theion — сера), это серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.). Кроме того, бактерии при этом поглощают и обезвреживают ядовитые соединения, защищая окружающую среду. При современном промышленном бактериальном выщелачивании обеспечивается высокая степень извлечения золота, около 90%, тогда как без предварительной бактериальной обработки упорных руд выщелачивание золота не превышает 30-50%. В процессе окисления бактерии являются катализаторами, и в природных условиях этот процесс шел бы миллионы лет, в то время как в современных технологических условиях процесс окисления специально интенсифицируется, увеличивается скорость выщелачивания в тысячи и миллионы раз, по сравнению с тем, что происходит в природе.
В настоящее время основной запас российских руд, в том числе и золотосодержащих, находится в коренных месторождениях. В данном случае коренные – это сульфиды. Зона окисления сульфидов обычно не очень велика – десятки и первые сотни метров. Основная же часть запасов находится в более глубоких горизонтах, находящихся на глубине нескольких сотен метров до километра и более. Эти сульфидные руды представляют собой самые большие источники минерального сырья, как для благородных так и для цветных металлов. Поэтому учёные и занялись изучением бактерий применительно к золотым рудам, потому что возникла проблема извлечения золота из этих сульфидных руд. В упорной сульфидной руде золота не видно даже под микроскопом, хотя там может быть 5-10 грамм золота на тонну. Но золото там невидимое, так как находится в микронниках. Размер частиц составляет от десятков до тысячных долей микрона. Микронное золото при измельчении руды, даже до 20-ти микронной крупности, обычным цианированием не извлекается. И к таким упорным труднообогаимым рудам нашли подход с помощью бактерий, которые помогают такое золото извлекать.
Технология заключается в том, что бактерии окисляют сульфиды, и золото высвобождается, переходя в самородную форму. А уже затем это освобождённое золото извлекают с помощью цианирования в сернокислой среде (сами бактерии, окисляя сульфиды, образуют серную кислоту). На разных месторождениях используются различные штаммы бактерий похожие на аборигенных бактерий, которые обитают на этих месторождениях. Выявлено, что наиболее сильной растворяющей способностью обладают бактерии, отобранные на самих золотоносных месторождениях. Их развивают, увеличивают массу и затем используют в сернокислом растворе 2-3 до 5 грамм бактерий на литр. При промышленном извлечении золота в чане используется соотношение 1:4 или 1:5 – одна часть сернокислой жидкости (пульпы) и 4 или 5 частей твердой массы. Автоматически в процессе обеспечивается поступление ингредиентов.
Интересно отметить, что именно в золоторудных месторождениях России были открыты новые группы микроорганизмов, играющих ключевую роль в технологическом процессе, например, бактерии рода Sulfobacillus, включая Sulfobacillus olympiadicus и Sulfobacillus sibiricus.
Уже в недалёком будущем упорные руды станут основными в добыче. Если все запасы золота всех месторождений в России принять за 100% , то первичные (коренные) сульфидные руды в них составляют 64%, а упорных из них около 40%. При оценке положения в будущем не только России, но и всего мира, основное сырьё будет в виде упорных руд. Наша дальнейшая перспектива в будущем (примерно тридцатые годы столетия) – это переработка упорных руд. В настоящее время таких упорных руд в мире добывается 20-25%. В России технология переработки упорных руд началась с 70-х годов прошлого столетия.
Более широкое применение имеет технология чанового бактериального выщелачивания концентратов. Биовыщелачивание этим методом производят в специальных емкостях (чанах). После разложения сульфидов и специальной обработки, извлечение золота из концентрата обычно производят цианированием. Руду сначала перерабатывают на обычной золотоизвлекательной фабрике (ЗИФ): измельчают, обогащают и получают золотосодержащий сульфидный концентрат, с использованием, например, флотации. Бактериальной обработке при чановом выщелачивании подвергается только концентрат. Поддерживать условия для активной жизнедеятельности бактерий в ограниченных емкостях значительно проще, чем на открытых площадках, поэтому чановое бактериальное выщелачивание в настоящее время используют довольно широко в разных странах (ЮАР, Австралия, Китай, Россия, Казахстан, Бразилия и др.)
В отличие от подземного и кучного методов выщелачивания, эффективность которых сильно зависит от внешних факторов окружающей среды, чановое выщелачивание проходит в полностью управляемых условиях.
Четыре цеха “Полюса”
Первая полупромышленная установка по биологическому выщелачиванию была построена именно в России (в СССР) в 1975 г. Технология совершенствовалась, и в настоящее время по этой технологии ведется с 2000 года добыча золота из упорных руд на Олимпиаднинском месторождении в северных условиях Красноярского края. Используется чановый метод биовыщелачивания. В этих условиях на месторождении добывается около 30 тонн золота в год. Технология переработки упорных золотосодержащих руд Олимпиаднинского месторождения по технологии биовыщелачивания находится на самом высоком мировом уровне. На месторождении работают в промышленном режиме 3 установки чанового биовыщелачивания: «Био-1» (пять линий по шесть реакторов емкостью 450 м3 каждый), «Био-2» (три линии по шесть биореакторов емкостью по 1000 м3), и «Био-3» (одна линия из шести биореакторов емкостью 1000 м3 каждый). Многоступенчатое биоокисление позволяет извлекать 94-97% золота.
В настоящее время строится цех “Био-4”. Его пуск запланирован на конец 2017 года. Особенностью установки является открытое размещение реакторов. Основные физико-химические параметры процесса выведены на мониторы системы управления.
С течением времени добываемые руды становятся беднее. При использовании бедных руд (менее 1г золота на тонну), чановый метод из-за высокой энергоёмкости, требующей очень тонкого помола, становится малорнентабельным, поэтому для бедных руд используется метод кучного биовыщелачивания.
В этом методе используется дроблёная руда (крупность до 1см), где тонкий энергозатратный помол уже не требуется. Его технология заключается в том, что на непроницаемое основание насыпают кучу (штабель). Сверху через систему орошения пропускается тот же биораствор с бактериями.
Кучное биовыщелачивание происходит на природе, на открытом воздухе. Если в чанах процесс выщелачивания проходит за 5 суток, то на кучное биовыщелачивание требуется уже более 100 суток. Но из-за дешевизны процесса это всё-равно рентабельно.
Кроме того, на всех месторождениях за многие годы накопилось миллиарды тонн техногенного сырья (с содержанием золота 1-1,5 г/т), пригодного для кучного биовыщелачивания, которое можно применять на любом месторождении.
Это сырьё нашего будущего. Когда истощаются запасы богатых золотосодержащих руд, кучное биовыщелачивание позволяет вовлекать в переработку бедные и забалансовые руды, руды маломощных месторождений, отходы горнообогатительного производства и др. Это позволяет значительно увеличить сырьевую базу и добычу благородных металлов. В настоящее время метод кучного выщелачивания (КВ) широко используется при золотодобыче в Австралии, США, Канаде, Бразилии, Мексике, Саудовской Аравии, Индонезии, Новой Гвинеи, Чили, Зимбабве, Гане и др. Более 40 % мировой золотодобычи приходится на технологию КВ.
Таким образом, бактериальное биовыщелачивание подходит для концентратов чанового биовыщелачивания, обработки бедных руд, техногегнного сырья на месторождениях.
Иван Золотов
← вернуться в раздел