Регистрация / Вход
Прислать материал

Получение штаммов-продуцентов сульфидов металлов из окисленных осадочных отложений хвостохранилищ добычи полиметаллических руд с использованием микробиологических, биохимических и геномных технологий.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
сульфатредуцирующие бактерии, ацидофилы, сульфиды металлов, устойчивость к металлам у микроорганизмов, аэротолерантность, метагеномика, отходы сульфидных руд

Цель проекта:
1. Получение новых штаммов и/или консорциумов (сообществ) сульфатредуцирующих бактерий, сохраняющих активность при низких значениях рН (<6), высоких концентрациях металлов и кислорода. Разрабатываемый научный задел cтанет основой ОТР по разработке новых эффективных биотехнологий извлечения металлов из отходов горнодобывающей и металлообрабатывающей отраслей промышленности и ОКР по созданию биореакторов для осаждения металлов сульфидогенными микроорганизмами. 2. Разработка биотехнологического метода извлечения металлов из отходов горнодобывающей промышленности на основе новых штаммов ацидофильных сульфидогенных микроорганизмов.

Основные планируемые результаты проекта:
Разрабатываемый в ходе НИР научно-технический задел ориентирован на создание новых биотехнологий получения сульфидов металлов, основанных на чистых культурах и консорциумах ацидофильных сульфатредуцирующих бактерий, идентифицированных и охарактеризованных методами микробиологии, биохимии и метагеномики. Состав и филогенетическое разнообразие анализируемых микробных сообществ осадочных отложений хвостохранилищ горнодобывающих предприятий (не менее одного) будут охарактеризованы высокопроизводительным секвенированием фрагментов генов 16S рибосомной РНК и суммарного метагенома, по результатам которого будут идентифицированы штаммы, способные осуществлять сульфатредукцию, и охарактеризован их метаболический потенциал.
На основе данных о метаболическом потенциале идентифицированных молекулярными методами штаммов из осадочных отложений хвостохранилищ горнодобывающих предприятий Новокузнецкого бассейна будут выделены чистые культуры сульфатредуцирующих бактерий, сохраняющих сульфидогенную активность в условиях периодического воздействия кислорода, постоянно высоких величин окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и значениями рН не выше 3, а также содержанием ионов металлов в поровых водах не ниже 0,5 г/л. Штаммы-продуценты должны обеспечивать образование сульфидов металлов при концентрациях кислорода в газовой фазе не менее 0,02% и обладать относительной устойчивостью к продуктам неполного восстановления кислорода за счет наличия в клетках ферментов антиокислительной защиты, а также обеспечивать образование сульфидов металлов при начальных значениях рН не превышающих 3,0. Осаждение сульфидов металлов новыми изолятами и/или консорциумами штаммов микроорганизмов должно происходить в растворах, содержащих ионы тяжелых металлов, что позволит разработать принципиально новый одностадийный процесс биотехнологического извлечения металлов из отходов горнодобывающей промышленности.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Методом высокопроизводительного пиросеквенирования будет охарактеризован состав и филогенетическое разнообразие микробных сообществ ацидофильных аэротолерантных сульфатредуцирующих бактерий из осадочных отложений хвостохранилищ горнодобывающих предприятий Новокузнецкого бассейна, и охарактеризован их метаболический потенциал. Из образцов осадочных отложений, где по физико-химическим, радиоизотопным и молекулярно-биологическим данным регистрируется активные процессы сульфатредукции будут выделены в чистую культуру и охарактеризованы новые ацидофильные штаммы сульфатредуцирующих бактерий, устойчивые к окислительному стрессу.
С использованием чистых культур или микробных консорциумов будут созданы основы для разработки принципиально новой технологии одностадийного процесса биотехнологического извлечения металлов из отходов горнодобывающей промышленности.
2. В ходе выполнения проекта будут задействованы самые современные методы и подходы, которые в настоящее время используются в ведущих лабораториях мира для поиска и выделения из природных и антропогенных мест обитания новых микрорганизмов с заданными свойствами. Особо следует отметить, что выделение и дальнейшее исследование штаммов новых ацидофильных сульфидогенных микроорганизмов будет проводиться из образцов осадков хвостохранилищ, в которых молекулярно-биологическими методами (метагеномный анализ) выявлено присутствие целевых групп микроорганизмов.
3. Нидерландская компания Paques является мировым лидером в области создания биотехнологий осаждения металлов под действием сульфидогенных микроорганизмов. Разработанная этой компанией технология основана на использовании двухстадийного осаждения тяжелых металлов, где на первой стадии консорциумом СРБ образуется сероводород, а на второй стадии в другом биореакторе происходит химическое осаждение сероводородом из раствора растворенных тяжелых металлов. Филогенетический состава СРБ, входящий в консорциум компания не раскрывает, но используемые микроорганизмы не могут осуществлять процесс в кислых условиях, поэтому и предложен двухстадийный процесс. Получение в ходе выполнения проекта ацидофильных и/или ацидотолерантных сульфидогенных штаммов, устойчивых к металлам, кислороду и повышенной концентрации протонов, позволит создать одностадийный однореакторный процесс вместо двухстадийного у Paques, что определяет новизну, меньшую себестоимость и эффективность разрабатываемой биотехнологии.
4. Успешное выделение новых ацидофильных/ацидотолерантных сульфатредуцирующих бактерий, обладающих высокой устойчивостью к окислительному стрессу, ионам тяжелых металлов, способных осуществлять процесс сульфидогенеза при низких значениях рН, основано на большом опыте исполнителей проекта, имеющих многолетний опыт молекулярно-биологических, микробиологических и биохимических исследований сложных микробных сообществ и отдельных групп анаэробных микроорганизмов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
На настоящий момент в России не разработаны и не внедрены технологические процессы извлечения металлов из сточных вод хранилищ отходов горнодобывающей и металлургической промышленности. При этом в регионах России, являющихся центрами металлургии (Урал, Красноярский край, Кемеровская область и др.) остро стоит проблема переработки различных отходов металлургии как с целью расширения сырьевой базы предприятий ГМК, так и с целью снижения техногенной нагрузки на окружающую среду. Результаты выполнения проекта могут быть использованы предприятиями ГМК РФ, в том числе «Норильский никель», Кольской горно-металлургической компанией, ОАО «Полюс Золото», ОАО «Уральская горно-металлургическая компания», ЗАО НПО РИВС, ООО Урское и др.
Создание пилотных и промышленных установок по осаждению в виде сульфидов ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод приведет к значительному улучшению экологической обстановки в районах действующих горно-добывающих предприятий. Наряду с практической значимостью, комплексное изучение новых штаммов ацидофильных сульфидогенов представляет несомненный интерес для понимания молекулярных механизмов устойчивости анаэробных прокариот к окислительному стрессу и высоким концентрациям тяжелых металлов.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта из двух хвостохранилищ, расположенных в Тисульском районе Кемеровской области были отобраны пробы для последующего метагеномного анализа и выделения сульфатредуцирующих бактерий. Предварительно в указанных пробах радиоизотопным методом выявлена заметная активность процесса сульфидогенеза. По данным молекулярного анализа большинство сульфидогенных бактерий относились к дельта-протеобактериям (Desulfobulbus,Desulfopila, Desulfocapsa, Desulfatirhabdium, Desulfovibrio, Desulfobacca, Desulfomonile) и их суммарная доля составляла около 9%. Также обнаружена вторая группа сульфидогенных бактерий, относящаяся к филуму Firmicutes и представленная родом Desulfosporosinus. Доля этой группы микроорганизмов составляет около 1%. Метагеномный анализ выявил присутствие генов устойчивости к тяжелым металлам, характерных для многих сульфидогенных микроорганизмов. На различных субстратах (лактат, этанол, ацетат) при стартовых рН в среде 2,5 получены устойчиво пересеваемые накопительные культуры сльфатредуцирующих бактерий, включающие по результатам ДГГЭФ несколько разных сульфидогенных микроорганизмов. В чистую культуру выделены два штамма, полученные из накопительных культур, выращенных на этаноле. Секвенирование фрагментов гена 16S рРНК показало разную филогенетическую принадлежность полученных культур: штамм О1 был отнесен нами к роду Desulfovibrio, а штамм ОР – к роду Desulfosporosinus. Дальнейшие исследования выделенных организмов показали их высокую устойчивость к тяжелым металлам, а также окислительному стрессу. Биохимическими методами установлено, что выделенная сульфатредуцирующая бактерия рода Desulfovibrio обладает как супероксиддисмутазой, так и пероксидазой, причем их активность при окислительным стрессе возрастает на 30-40%. Анализ генома выделенного штамма Desulfovibrio sp. показал наличие в нем основных генов антиокислительной защиты, характерных для многих СРБ – кодирующих супероксиддисмутазу (sodB), десульфоферродоксин (dfx), рубреритрины (rbr1 и rbr2), рубредоксин-кислород оксидоредуктазу (roo), цитохром d убихинолоксидазу (cydA), цитохром с оксидазу (cox), тиоловую пероксидазу (tpx) и алкилгидропероксидредуктазу (ahp).
Данные измерения влияния разных концентраций металлов на скорость роста выделенных штаммов подтверждались результатами поиска генов устойчивости к тяжелым металллам в их геномах. Так в геноме штамма Desulfosporosinus sp. обнаружено присутствие двух оперонов, кодирующих комплекс RND-MFP. Оба оперона (WP_045573056/KJR49082 и WP_045573879/ KJR48138) могут быть связаны с транспортом Co, Cd и Zn и гомологичны паре CzcA/CnrA из Clostridium metallidurans, а также несколько цинковых/кадмиевых АТРаз. Был проведен анализ химического состава образующихся сульфидов металлов при культивировании штаммов ацидофильных сульфидогенных микроорганизмов в присутствие повышенных концентраций железа и меди (до 500 мг/л). Основными минералами, обнаруженными в осадке, были ковеллит, CuS, макинавит, FeS, и вивианит, Fe3(PO4)2×8H2O.
В настоящее время проводятся работы по завершению описания новых штаммов ацидофильных сульфатредуцирующих бактерий (Desulfovibrio О1 и Desulfosporosinus OP), которые удалось выделить в чистую культуру из образцов осадочных отложений хвостохранилищ, а также отработка их культивирования при различных условиях с целью добиться максимальной скорости сульфидообразования. В ближайшее время по результатам работы в печать будет сдана статья, а также подготовлен патент.
Публикации по результатам работы.
Пименов Н.В., Д.А. Ивасенко, А.Л. Герасимчук, Е.Е. Захаровой, А. Марданова, О.В. Карначук. Активный процесс сульфатредукции в кислых осадках хвостохранилища добычи золота. Микробиология. 2015. Т.84(3). С. 386-388.
Булаев А.Г., Пименов Н.В. Биотехнологические методы очистки сточных вод цветной металлургии. Биотехнология. 2015. №3. С. 8-29.