Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Совершенствование способов переработки коллективных сульфидных концентратов с применением биовышелачивания является актуальной задачей. Одним из направлений в технологии выщелачивания сульфидных концентратов является селективное выщелачивание минералов с низким электродным потенциалом, (например, сфалерита (ZnS), пентландита (Ni,Fe)9S8)) при концентрировании в твердой фазе минералов с высоким электродным потенциалом (например, халькопирита (CuFeS2)). Для определения влияния использования различных сообществ термоацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов на эффективность, а также взаимного влияния сульфидных минералов на биообогащение медно-никелевых концентратов представляло интерес исследование биовыщелачивания в различных температурных режимах, а также биовыщелачивание концентратов с разным содержанием в них меди и никеля. В продолжение развития двухстадийного процесса окисления сульфидного сырья цветных металлов, представляющего собой комбинацию химического окисления раствором трехвалентного железа на первой стадии и доокисление сульфидов и регенерацию окислителя на второй биологической стадии, одной из задач работы было сравнение эффективности окисления сульфидных минералов в коллективных сульфидных концентратах культуральной жидкостью, содержащей трехвалентное железо, при относительно высокой температуре. Исследовано биоокисление сульфидного медно-никелевого концентрата с использованием различных сообществ ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмах в трех температурных режимах – 35, 40 и 50 С. Установлено, что наиболее перспективным температурным режимом биовыщелачивания являлось биовыщелачивание при 40 С. Оно позволяло с относительно высокой степенью окислить минералы никеля и оставить большее количество меди в виде халькопирита в осадке выщелачивания. Проведение биовыщелачивания при 35 С характеризовалось меньшим окислением сульфидных минералов, в то время как при 50 С в большей степени окислялся халькопирит, что не позволяло считать полученный осадок медным концентратом. Исследовано биовыщелачивание трех коллективных сульфидных концентратов с различным соотношением минералов меди и никеля при 40 С. Показано, что изменение соотношения сульфидных минералов не влияло на скорость выщелачивания цветных металлов, в отличие от ранее полученных данных для медно-цинковых концентратов. Однако, исходное содержание халькопирита в концентрате обуславливает возможность получения из него медного концентрата после биовыщелачивания. Обобщая полученные данные о составе ацидофильных микробных сообществ, сформировавшихся при биовыщелачивании медно-никелевых концентратов, можно заключить, что качественный состав сообществ зависел от температуры, а варьирование состава концентратов по соотношению медь- и никель-содержащих сульфидных минералов при оптимальной для процесса температуре 40 °C не влияло на качественный состав сообществ микроорганизмов. Ключевая роль в биовыщелачивании медно-никелевых концентратов принадлежала миксотрофным и гетеротрофным ацидофилам. В то же время микробное сообщество при 40 °C (как исходное, так и сообщество, сформировавшееся к концу процесса биовыщелачивания) оказалось наиболее разнообразным по родовому и видовому составу среди всех исследованных сообществ при различных условиях процессов. Химическое выщелачивание трех коллективных концентратов биораствором, содержащим трехвалентное железо, полученным с использованием сообщества ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов, также показало отсутствие влияния соотношения сульфидных минералов на скорость выщелачивания цветных металлов. Несмотря на то, что конечная степень выщелачивания никеля из концентратов была относительно низкой при химическом выщелачивании, этот процесс рассматривался как первая стадия двухстадийного процесса, при котором на второй стадии сульфидные минералы будут подвергнуты биоокислению сообществами микроорганизмов. Изучению второй стадии процесса будут в том числе посвящены исследования второго года проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследования режимов (био)выщелачивания медно-никелевого концентрата, проводимые в отчетном году, являются продолжением и развитием ранее полученных результатов. В текущем году проведено исследование эффективности выщелачивания медно-никелевого концентрата в традиционных процессах биовыщелачивания либо химического выщелачивания, а также в так называемом двухстадийном комбинированном процессе, который подразумевает химическое выщелачивание концентрата биологически синтезированным раствором, содержащим трехвалентное железо, с последующим биоокислением полученного материала ацидофильными микроорганизмами. Объектом исследования служил медно-никелевый концентрат, полученный при флотационном обогащении в лабораторных условиях сульфидных руд Шанучского рудного поля (Камчатский край, Россия). Содержание элементов в концентрате (%): Ni - 16,6, Cu - 1,73, Fe - 20,7, S - 23,1. Содержание минералов (%): пентландит – 25, виоларит – 27, халькопирит - 3, пирротин – 5, пирит - 7, минералы пустой породы - 33. Химическое выщелачивание концентрата раствором, полученным биоокислением сульфата двухвалентного железа консорциумом ацидофильных микроорганизмов, было проведено в периодическом режиме в следующих условиях: концентрация Fe3+ в выщелачивающем растворе – 10 г/л, плотность пульпы – 10%, температура – 80 °С, pH 1,1-1,3. Выщелачивание проводили циклически с продолжительностью первого цикла 1.5 ч, второго – 2.0 ч, третьего – 2.5 ч, четвертого – 3.0 ч, пятого – 4.0 ч. Таким образом, общая продолжительность химического выщелачивания составила 13 ч. При выходе осадка выщелачивания после 5 циклов процесса, равном 80.94%, в нем оставалось 41.1% никеля и 65.03% меди от их количества в исходном концентрате. При этом содержание никеля в нем составило 8.43, а меди – 1.39% соответственно. Показано полное удаление из концентрата пирротина и никельсодержащего минерала виоларита, значительное окисление пентландита, а также образование продуктов окисления сульфидов – ярозита (39%) и элементарной серы (9%). Биоокисление концентрата и осадка его химического выщелачивания проводили в периодическом режиме консорциумом микроорганизмов при 50 °С и плотности пульпы 10% в течение 22 сут. С учетом времени химического выщелачивания, равного 13 часам, общее время эффективного процесса выщелачивания составило около 14.5 сут, а эффективное время выщелачивания исходного концентрата – 22 сут. Таким образом, проведение химического выщелачивание с последующим биоовыщелачиванием позволило сократить общее время процесса примерно на 7.5 суток и увеличить извлечение цветных металлов в жидкую фазу. После биовыщелачивания осадка химического выщелачивания содержание никеля в нем снизилось до 0.22%, а меди – наоборот повысилось до 1.93%. В осадке биовыщелачивания исходного никелевого концентрата цветных металлов оставалось значительно больше – 1.06% никеля и 3.24% меди. При этом суммарное конечное извлечение никеля и меди из концентрата после его химического выщелачивания с последующим биовыщелачиванием было выше примерно на 1.5% и 11.5 % соответственно. Исследованы закономерности окисления двухвалентного железа в растворе после химического выщелачивания медно-никелевого концентрата. После химического выщелачивания был получен раствор с концентрацией Ni2+ 1.66 г/л, Cu2+ 0.097 г/л, Fe3+ 2.8 г/л, Fe2+ 6.16 г/л, рН 1.16, Еh 630 мВ. Было проведено 7 последовательных циклов биорегенерации трехвалентного железа. В первом посеве сообщества средняя скорость окисления была самой низкой и составила 64 мг/(л ч) за время полного окисления Fe2+. После пересева полученной после биорегенерации культуры микроорганизмов на следующую порцию регенерируемого раствора скорость окисления Fe2+ повысилась до 110 мг/(л ч), а далее - до 280, 330, 370, 450, 500 мг/(л ч) соответственно в каждом последующем цикле биорегенрации. Анализ исходного сообщества ацидофильных микроорганизмов показал, что в нем преобладали хемолитотрофные бактерии вида Leptospirillum ferriphilum (80,7% от общего числа последовательностей гена 16S рРНК в сообществе) и Aсidithiobacillus caldus (7,9%), а также представители нескольких видов рода Sulfobacillus. В конце процессов биоокисления концентрата и осадка химического выщелачивания соотношение членов сообщества существенно менялось. Так, ключевая роль принадлежала сероокислителю A. caldus (57,2–58,4%), а доля железоокисляющей бактерии L. ferriphilum снижалась до 4,4 и <1% в конце процессов биоокисления концентрата и осадка химического выщелачивания соответственно. Кроме A. caldus в процессе биоокисления осадка химического выщелачивания в сообществе преобладали штаммы вида S. thermosulfidooxidans (35,4 и 5,9%), которые являются активными серо- и железоокислителями с факультативно хемолитотрофным типом метаболизма. Для одного из образцов никельсодержащего сульфидного продукта был получен метагеном сообщества ацидофильных микроорганизмов. Были идентифицированы четыре кластера, три из которых принадлежали археям, а один смешанный кластер содержал три генома бактерий рода Acidithiobacillus. В метагеноме сообщества были идентифицированы новый вид архей, наиболее близкий к Cuniculiplasma divulgatum (сходство нуклеотидных последовательностей гена 16S рРНК — 94%), Thermoplasma sp. (новый род; сходство с T. acidophilum — 91.4%), Ferroplasma sp., а также 3 вида бактерий рода Acidithiobacillus. При этом один из представителей рода Acidithiobacillus являлся также новым видом (сходство с ближайшим филогенетическим родственником A. caldus — 94,5%). Полученные геномы были секвенированы и аннотированы. Анализ аннотированных геномных последовательностей показал наличие генетических детерминант устойчивости у исследованных микроорганизмов. Идентифицированные гены кодировали компоненты систем резистентности к ионам никеля и другим тяжелым металлам, включая АТФ-связывающие кассеты подсемейства В (откачивающие помпы); MFS транспортеры; АТФазы, экспортирующие ионы никеля; АТФ-связывающие белки, пермеазы и субстрат-связывающие белки транспортной системы пептидов/никеля и другие белки.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В чистую культуру выделен сероокисляющий штамм A1 нового вида “Acidithiobacillus sulphureus”. Изучены фенотипические и генотипические характеристики выделенного штамма, состав жирных кислот в липидах мембран. Геном ацидитиобациллы включает хромосому размером 2 580 937 т.п.н. и плазмиду (92 165 т.п.н.). Функциональный анализ генома выявил гены, кодирующие компоненты центральных путей метаболизма углеводов, глюконеогенеза и биосинтеза гликогена, а также карбоксисомы, содержащие Рубиско I типа. Пути метаболизма серы включают SOX-комплекс, участвующий в окислении восстановленных соединений серы (тиосульфата) до сульфата. Обнаружены гены резистентности к тяжелым металлам/металлоидам, супероксиддисмутаза, гены устойчивости к антибиотикам и гены, кодирующие компоненты систем хемотаксиса, кворум-сенсинга и образования биопленок. Анализ последовательности плазмиды обнаружил систему секреции IV типа для конъюгативного переноса плазмиды (T4SS). Система стабилизации плазмиды относится к токсин-антитоксиновой системе II типа (белки HipAB). Белок HipA штамма А1 может потенциально участвовать в образовании внеклеточного матрикса (биопленок). Из метагенома сообщества ацидофильных микроорганизмов были проанализированы геномы двух архей. Они были отнесены к новому виду Cuniculiplasma sp. и новому роду Thermoplasmatales sp. Функциональный анализ геномов выявил гены, кодирующие пути углеводного метаболизма: гликолиз, неокислительный этап пентозофосфатного пути и глюконеогенез. Цикл трикабоновых кислот неполный, с отсутствием генов, кодирующих ферменты сукцинатдегидрогеназу и 2-оксоглутаратдегидрогеназу. В случае Cuniculiplasma sp. идентифицированы гены, кодирующие все ферменты альтернативного глиоксилатного пути, включая ключевые ферменты изоцитратлиазу и малатдегидрогеназу. Изучен процесс биовыщелачивания медно-никелевой руды в зависимости от плотности пульпы. Показано, что повышение плотности твердой фазы при биоокислении исследуемой руды практически не влияло на эффективность процесса. Несмотря на высокое извлечение никеля в жидкую фазу – 93,0 и 90,4%, содержание никеля в твердой фазе, полученной после выщелачивания, достигало 0,97–0,72%, а меди – 0,99–0,88%, что не позволило считать полученный продукт отвальным по содержанию в нем цветных металлов. Увеличение продолжительности процесса с 15 до 32 сут при плотности 10% позволили значительно снизить содержание никеля в осадке выщелачивания – до 0,26% при его извлечении 97,4%. Однако содержание меди в этом осадке было достаточно высоким – 0,88% при ее извлечении 39,0%. Повышение температуры в конце биовыщелачивания позволило повысить как извлечение никеля, так и меди по сравнению с контрольным вариантом. Изучено влияние вида используемого выщелачивающего раствора на извлечение меди и никеля из сульфидных минералов. Извлечение меди в раствор при выщелачивании халькопирита химическим и биологическим реагентами трехвалентного железа показало, что химический реагент лучше окислял халькопирит по сравнению с биологическим. Результаты извлечения меди и никеля при выщелачивании сульфидного медно-никелевого концентрата при использовании химического и биологического реагентов трехвалентного железа свидетельствуют о том, что, как и в случае с чистым халькопиритом, разрушение этого минерала было более выражено при использовании химического реагента. Выщелачивание никеля имело иной характер – разрушение пентландита и виоларита не зависело от типа используемого реагента. При этом выщелачивание происходило преимущественно из виоларита, который был окислен более чем на 70%, в то время как пентландит практически не подвергался окислению. Таким образом, различия в выщелачивании металлов из сульфидных минералов при использовании химического или биологического реагентов трехвалентного железа зависят прежде всего от типа минерала, а причина полученных различий заключается в наличии в среде экзометаболитов микроорганизмов и продуктов термического лизиса их клеток. Впервые получены данные, позволяющие прояснить механизм, лежащий в основе сниженной эффективности выщелачивания металлов из сульфидных минералов биологическим раствором железа по сравнению с использованием химического реагента. Метаболомный анализ биорастворов выявил 44 метаболита, охарактеризованных молекулярными формулами, 15 из которых удалось отнести к известным соединениям. Результаты по биовыщелачиванию медно-никелевых концентратов с разным химическим составом, и, соответственно с разным количеством медных и никелевых минералов, позволили выбрать два концентрата для биогидрометаллургической переработки с использованием сообществ ацидофильных микроорганизмов. В каждом из выбранных концентратов содержание меди превышало содержание никеля и составило 15,7 и 19,1%, а содержание никеля в них было соответственно 7,5 и 4,6%. Показано, что после проведения биовыщелачивания каждого концентрата содержание никеля в осадке было очень низким (0,27%), а содержание меди повысилось в первом концентрате с 15,7 до 17,4%, а во втором почти не изменилось (19,1 и 18,7%). На основании проведенных исследований предложена технологическая схема переработки исследуемых концентратов с применением биогидрометаллургии, позволяющая получить медный концентрат с высоким содержанием меди (до 22%) и низким содержанием никеля (0,27). Все планируемые в отчетный период работы выполнены полностью, а запланированные результаты достигнуты.