1. Металлургияда қолданылуы

Металдардың биогеотехнологиясы дегеніміз – микроорганизмдердің геохимиялық қабілеттіліктерін тау-кен өндірісінде тиімді пайдалануды көздейтін сала. Металдардың биогеотехнологиясы – бұл өндірістің қалдық суларынан, жұтаң келетін кен көздері мен қалдық рудаларынан сілтісіздендіру арқылы және ерітінділерден микроорганизмдер немесе олардың метаболиттерін жоғарғы атмосфералық қысым мен 5-тен 90⁰С-қа дейінгі температураны пайдалана отырып бөліп алуды, тас көмірлерін десульфидтеу, пирит немесе құрамында пириті бар жыныстарын тотықтыру сияқты тиімді әдістерін өндірісте қолдану жолдарын зерттейді. Кейбір микроорганизмдер тотығу-тотықсыздану үдерістерінде катализдік қызмет атқара алады. Мысалы, суда Fe мен Mn тотықтыру, құрамында күкірттері бар қосылыстардың тотығуы, азотты заттардың тотығуы мен қайтадан қалпына келуі тағы да басқаларын айта аламыз. Аэробты бактериялар өздерінің тіршілік нәтижелерінде темір, мыс, сульфаттар бөле алады.

Кейбір биогеотехнологиялық үдерістердің ерте замандарда – XVI ғасырда пайдаланыла бастағандығы туралы мәліметтер бар. Мысалы, бұрынға мадиярлардың (Венгрия) мыс алу үшін қазылып алынған кен үйіндісін арнайы сулармен суғаратыны жөнінде мәліметтер әдеби деректерде келтіріледі. Бұл қарапайым технологиялық әдіс – қазіргі қолданылып жүрген руда үйінділеріндегі темірлерді бактериялды-химиялық әдіспен сілтісіздендірудің бастапқы формалары екендігінде дау жоқ. Әрине ол кездерде мысты алу үшін қолданатын бұл әдістің негізінде микробиологиялық үдеріс жататыны жөнінде ешкім білмеген еді.

Бұл әдістің мазмұны 1922 жылы неміс ғалымдары Рудольф және Хельброннер еңбектерінен кейін ғана мәлім болды. Сондықтан осы мезгілді биогеотехнологияның ресми пайда болған уақыты деп есептеуге болады. Биогеотехнологяның дамуы бірқалыпты жүрмегенмен ХХ ғасырдың 80-ші жылдарының басына толықтай қалыптаса бастады. Осы мезгілдерде металдарды бактериалды сілтісіздендіру әдістерімен бірге, биогеотехнологияның басқа да бөлімдері, атап айтқанда көмір құрамынан күкірттерді бөлу, көмір шахталарындағы метандармен күресу, жыныстардан алынатын мұнай шығымдылығын арттыру сияқты бағыттарда кеңінен қолданыла басталды.

Микробтық технологияның бұл бағыты өте аз жарияланған және әлі де дұрыс бағаланбай келеді. Қазіргі кезде әлемде, құрамында бағалы металдары кем, кедей кен орындарынан химиялық элементтердің бір түрін бөліп алуға мүмкіндік беретін, бактериялық сілтіздендіру үдерістері кеңінен қолданылуда. Көбінесе бактерияларды мысты ерігіш күйге айналдыру мақсатында пайдаланады. Минералдардың құрамы мен құрылымына тәуелді болып электрохимиялық коррозия заңы бойынша жүретін және сульфидті минералдардың бактериялық тотығуына негізделетін бактериялық сілтіздендіру үдерістері келесі күрделі сатылардан тұрады:

• минералдар бетіне микроорганизмдердің адсорбциялануы;

• минералдардың кристалдық торын деструкциялау;

• тотығушы элементтердің бактериялық жасушаға тасымалдануы;

• сол элементтердің ферменттік тотығуы.

Гидрометаллургияда көбінесе тиобактерияларды, әсіресе 1947 ж. Колмер мен Кинкелдер ашқан тионды бактериялары Thiobacillus ferrooxidans және Thiobacillus thiooxidans штаммдарын қолданады. Олар энергия көзі ретінде – құрамында сульфиді және сульфитті иондары, күкірт тиосульфаты және екі валентті темір болатын, бейорганикалық субстраттардың тотығу реакциясын пайдаланатын облигатты автотрофтар болып келеді. Тотығудың соңғы өнімі сульфат-ионы және үш валентті темір – екіншілік минералдардан мысты сілтісіздендіруде негізгі тотықтырғыштың ролін және күкіртті қышқыл ертінділерде еритін уранның 4 валентті атомының 6 валентке айналуында маңызды қызмет атқарады. Атап айтқанда, Thiobacillus ferrooxidans бактериясы өзінің құрамындағы сульфиттерді өңдеу арқылы бөліп шығаратын өнімі – күкірт қышқылы арқылы табиғи кен құрамындағы темір, мыс, мырыш, уран және басқа да металдардың қорытылып шығарылуына әсер етеді. Олар қазіргі кезде белгілі металл сульфиттерінің барлығын тотықтыра алады. Тиобактериялар, өсу үшін қажетті көміртегі ретінде, көмірқышқыл газын пайдаланады. Бұл бактериялардың және бір физиологиялық ерекшеліктері – олар өте қышқылды ортаны жақсы көреді. Бұл бактериялар орта жағдайы рН 1 ден 4,8 дейін, (оптималды рН =2-3 ортада), ал температура көрсеткіштері 3-тен 40°С-қа дейінгі (оптималды температура 28°С) аралықтарында дами алады.

Тионды бактериялар табиғатта кең таралған. Олар су қоймаларында, топырақтарда, тас көмірлі және алтынды кен орындарында жиі ұшырасады. Бұлар күкіртті және сульфидті кен қойнауларында көп мөлшерде кездеседі. Бірақ табиғи кен қойнауларында кездесетін тионды бактерияларының белсенді түрде қызмет етуіне, жер астындағы оттегінің болмауы кедергі келтіреді. Сульфидті кен орындарын игере бастаған кезде рудалар оттегімен байытылуы себепті, оның құрамындағы микробиологиялық үрдістер оянып, металдардың сілтісіздендірілуіне мүмкіндік ашылады. Осы табиғи үдерісті арнаулы биотехнологиялық әдістерді қолдану арқылы жеделдетуге болады.

Thiobacillus thiooxidans бактериялары болса, кен құрамынан алтынды қорытып, бөліп шығарады. Сондықтан, топырақ құрамында пайдалы қазбалары өте аз мөлшерде болып келетін кен орындарында, әртүрлі микроорганизмдерді пайдалана отырып қажетті металдарды өндіру экономикалық жағынан тиімді екендігін көрсеткен. Мысалы АҚШ-да 1 тонна топырақ құрамында не бары 1 кг никель рудасы бар кен орындарында, осындай биотехнологиялық жолмен өңдеу арқылы көп мөлшерде қажетті өнім алуға қол жеткізілген.

Гидрометаллургиялық өндірістің соңғы мақсаты – ерітінділерден металдарды бөліп алу болып табылатындықтан, бұл сұрақтың шешімін табудың жаңа бір жолы – биоодсорбция болып есептелінеді. Әртүрлі микроорганизмдер (бактериялар, ашытқылар, мицеллиалды саңырауқұлақтар және балдырлар) көмегімен сұйытылған ерітінділерден түрлі элементтерді бөліп алуға болады. Өйткені, микроорганизмдер металдарды жасуша қабырғасына байланыстыру арқылы адсорбциялауға, немесе оларды жасуша ішінде жинауға қабілетті. Соңғы кездердегі зерттеулер нәтижелері мұндай мақсатта Xanthomonas campestris бактериясының жасушадан тыс полисахаридін – ксантанды пайдаланса жақсы нәтиже беретінін көрсеткен.