Біогеотехнологія

Деякі мікроорганізми можуть каталізувати певні окисно-відновні реакції – окислення Fe й Mn у воді, окислення сульфурвмісних сполук, окислення-відновлення азотовмісних сполук. Аеробні бактерії можуть виділяти залізо, мідь, сульфати.

Біогеотехнологія – використання геохімічної діяльності мікроорганізмів у гірничодобувній промисловості. Це екстракція й концентрування металів при біологічному очищенні стічних вод підприємств гірничодобувної промисловості й флотаційних процесах: вилужування бідних і відпрацьованих руд, десульфування кам'яного вугілля, окислення піритів і піритвмісних порід.

Своїм корінням біогеотехнологія йде в геологічну мікробіологію. Мікроорганізми приймали й беруть активну участь у геологічних процесах. Біологічні властивості різних груп мікроорганізмів й особливості їхньої життєдіяльності в родовищах корисних копалин складають наукові основи біогеотехнології.

Біогеотехнологія стихійно зародилася ще в XVI в. До нас дійшли відомості про те, що в ті далекі часи в Угорщині для одержання міді добуту руду зрошували водою. Цей нехитрий технологічний прийом виявився прообразом сучасного бактеріально-хімічного методу купчастого вилужування металів з руд. Зрозуміло, тоді ще не знали, що даний процес одержання міді за своєю природою є мікробіологічним. Це стало відомо тільки в 1922 р. завдяки роботам німецьких учених Рудольфа й Хельброннера. Очевидно, 1922р. варто вважати офіційною датою народження біогеотехнології. Надалі біогеотехнологія розвивалася нерівномірно й свого повноліття досягла до початку 80-х років ХХ століття. До цього часу поряд з бактеріальним вилужуванням металів сформувалися й інші розділи біогеотехнології – видалення сульфуру з вугілля, боротьба з метаном у вугільних шахтах, підвищення нафтовіддачі нафтоносних шарів.

Біогеотехнологія вилужування металів – основана на використанні, головним чином, тіонових (окислюючих сірку й сірковмісні сполуки) бактерій для екстракції металів з руд, рудних концентратів і гірських порід. При переробці бідних і складних руд тисячі й навіть мільйони тонн коштовних металів губляться у вигляді відходів, шлаків, «хвостів». Відбуваються також викиди шкідливих газів в атмосферу. Бактеріально-хімічне вилужування металів зменшує ці втрати. Основу цього процесу становить окислення сульфідних мінералів, що містяться в рудах, тіоновими бактеріями. Окислюються сульфіди міді, заліза, цинку, олова, кадмію й т.д. При цьому метали з нерозчинної сульфідної форми перетворюються на сульфати, добре розчинні у воді. Із сульфатних розчинів метали добуваються шляхом осадження, екстракції, сорбції. Одним з можливих шляхів добування металів з розчинів є адсорбція металів клітинами живих мікроорганізмів, так звана біосорбція металів. Метали включаються до складу специфічних білків – металотіонеїнів. Корисними для біогеотехнології видобутку металів властивостями володіє цілий ряд мікроорганізмів. Але основним з них, безумовно, є відкритий в 1947 р. Колмером і Кінкелем вид тіонових бактерій – Thiobacillus ferrooxidans. Необхідну для росту енергію ці бактерії одержують при окисленні відновлених сполук сірки й двовалентного заліза в присутності вільного кисню. Вони окислюють практично всі відомі на цей час сульфіди металів. Джерелом вуглецю для росту бактерій служить при цьому вуглекислий газ. Характерною рисою їхньої фізіології є потреба в дуже кислому середовищі. Вони розвиваються при рН від 1 до 4,8 з оптимумом при 2 – 3. Інтервал температур, у якому можуть розвиватися бактерії цього виду, становить від 3 до 40°С с оптимумом при 28°С. Тіонові бактерії широко поширені в природі. Вони живуть у водоймах, ґрунтах, вугільних і золоторудних родовищах. У значних кількостях зустрічаються вони в родовищах сульфатних і сульфідних руд. Але в умовах природного залягання таких руд активність тіонових бактерій стримується відсутністю кисню. При розробці сульфідних родовищ руди вступають у контакт із повітрям, і в них розвиваються мікробіологічні процеси, що призводять до вилужування металів. Застосовуючи певні біотехнологічні заходи, цей природний процес можна прискорити.

Основною технологічною операцією цього способу є зрошення відвалів добутої руди розчинами, що містять сульфатну кислоту, іони двох- і тривалентного заліза, а також життєздатні клітини тіонових бактерій. Іноді для посилення процесів вилужування усередину відвалу подають повітря. У таких умовах цей розчин фільтрується через товщу руди й у результаті мікробіологічних і хімічних процесів збагачується металами, що видобувають із руди. Потім цей розчин збирають за допомогою системи колекторів, і з нього добувають метали одним із фізико-хімічних методів. Щорічно у світі таким способом добувають сотні тисяч тонн міді, або приблизно 5% від її загального видобутку. У ряді країн цим способом одержують також значні кількості урану.

Біогеотехнологія видалення сульфуру з вугілля основана на використанні тіонових бактерій для видалення сульфурвмісних сполук із вугілля. Як буре, так і кам'яне вугілля нерідко містять значні кількості сульфуру. Загальний зміст сірки у вугіллі може досягати 10 – 12%. При спалюванні вугілля сірка, що міститься в ньому, перетворюється в сірчистий газ, що надходить в атмосферу, де з нього утворюється сульфатна кислота. З атмосфери сульфатна кислота випадає на поверхню землі у вигляді сульфатнокислотних дощів.

За наявним даними, у деяких країнах Західної Європи в рік на 1 га землі з дощами випадає до 300 кг сульфатної кислоти. Неважко собі представити, який збиток наносять кислотні дощі здоров'ю людини, його господарській діяльності й навколишній природі. Крім цього, високосірчисте вугілля погано коксується й тому не може бути використане у кольоровій металургії. Мікробне видалення сірки з вугілля, на думку фахівців, є економічно вигідним, і з ним пов'язують надії на вирішення проблеми сульфатнокислотних дощів.

Перші досліди по спрямованому видаленню сірки з вугілля з використанням мікроорганізмів були виконані в 1959 р. у СРСР С.М. Зарубіною, Н.Н. Ляліковою й Е.І. Шмук. У результаті цих дослідів за 30 діб за участю бактерій Th. Ferrooxidans з вугілля було вилучено 23 – 30% сірки. Пізніше кілька робіт по мікробіологічному видаленню сірки з вугілля було опубліковано американськими дослідниками. Їм удалося за допомогою тіонових бактерій знизити вміст піритної сірки в кам'яному куті за 4 доби майже на 50%.

Цей метод супроводжується попутним вилужуванням різних металів. Відомо, що в помірних кількостях містяться у вугіллі германій, нікель, берилій, ванадій, золото, мідь, кадмій, свинець, цинк, марганець. Попутне одержання коштовних металів при десульфуризації вугілля дає додатковий економічний ефект.

Роботи з видалення піритної сірки з вугілля мікробіологічним шляхом проводиться зараз у багатьох країнах світу. За останніми повідомленнями в лабораторних умовах вдається знизити вміст сірки у вугіллі шляхом мікробіологічного вилужування за 5 діб майже на 100%. Мікробіологічний спосіб десульфуризації вугілля розглядається як досить перспективний.

Біогеотехнологія й боротьба з метаном у вугільних шахтах – використання метанокислюючих бактерій для зниження концентрації метану у вугільних шарах і вироблених пустотах.

У шарах кам'яного вугілля міститься величезна кількість метану, яка досягає сотні кубометрів на 1 т вугілля. При цьому, чим глибше залягає вугілля в надрах землі, тим більше метану він містить. При підземному видобутку вугілля метан з розроблювальних вугільних шарів й вироблених пустот, які при цьому утворюються, надходить в атмосферу шахт. Скупчення цього вибухонебезпечного газу в гірських виробленнях створює постійну погрозу для життя шахтарів. Відомі випадки великих вибухів метану у вугільних шахтах світу, які забрали сотні людських життів.

Традиційні засоби боротьби з метаном у вугільних шахтах (вентиляція, вакуумна дегазація, зволоження шарів водою) в умовах постійної інтенсифікації гірських робіт і переходу на усе більш глибокі вугленосні пласти часто вже не можуть забезпечити одночасно високий рівень вуглевидобутку й безпечні умови праці. В основі біогеотехнологічних способів боротьби з метаном лежить процес поглинання цього газу метанокислюючими бактеріями у вугільних шарах і вироблених пустотах. На даному рівні розвитку науки цей процес являє собою єдину можливість руйнування молекули метану при температурах розроблювальних вугленосних пластів.

Ідея про використання метанокислюючих бактерій для боротьби з метаном у вугільних шахтах належить радянським ученим. У 1939 р. О.С. Юровский, Г.П. Капілаш і Б.В. Мангубі запропонували застосовувати ці бактерії для зниження виділення метану з вироблених пустот. Незважаючи на широке поширення метанокислюючих бактерій у природі, у вугільних шарах і прилягаючих породах вони відсутні. Тому необхідну кількість активних метанокислюючих бактерій вирощують у ферментерах й у вигляді суспензії в поживному середовищі додають у поровий пласт вугільних шарів і вироблені пустоти. Робоча суспензія виготовляється безпосередньо в шахті. У рудничну воду додають задану кількість біомаси метанокислюючих бактерій і відсутні для їхньої активної життєдіяльності мінеральні солі. Як правило, це мінеральні сполуки азоту й фосфору. У вугільний шар робоча суспензія нагнітається насосами через шпари, пробурені у вугіллі або з підземних пустот, або з поверхні землі: 1 т вугілля може прийняти 20 – 40 л робочої суспензії. У вугіллі мікроорганізми розподіляються по тріщинах і порам.

Таким шляхом здійснюється насичення вугілля метаноокислюючими бактеріями. Але для розвитку цих бактерій необхідний вільний кисень, якого немає у вугільних шарах. Тому в насичений метанокислюючими бактеріями ділянки вугільного шару через ті ж шпари компресором постійно прокачується повітря. У таких умовах бактерії споживають метан, що міститься у вугіллі, і за рахунок цього відбувається зменшення вихідної газоносності вугільного шару. Мікробіологічні способи боротьби з метаном були неодноразово випробувані у вугільних шахтах. Надходження метану як з вугільних шарів, так і з вироблених пустот у ході цих випробувань було знижено в середньому в 2 рази. За інших рівних умов це дозволяє підвищувати видобуток вугілля приблизно в 1,5 рази.

Біогеотехнологія й підвищення нафтовіддачі – використання різних груп мікроорганізмів для збільшення вторинного видобутку нафти.

Нафта, як відомо, є в цей час основною енергетичною й хімічною сировиною. Однак за деякими прогнозами світові запаси нафти можуть бути вичерпані вже протягом найближчих 50 років. Разом з тим існуюча технологія дозволяє видобувати тільки половину нафти, яка міститься в родовищах. Це обумовлено міцними зв'язками нафти з породами, які її містять. Підвищення нафтовіддачі на 10 – 15% було б рівносильним відкриттю нових родовищ. У зв'язку із цим у цей час помітно зріс інтерес до пошуку шляхів і засобів підвищення вторинного видобутку нафти.

Один зі способів припускає використання комплексу вуглеводеньокислюючих і метанутворюючих бактерій для збільшення нафтовіддачі який оснований на активації геохімічної діяльності цих мікробів у нафтовому покладі, куди вони попадають разом із поверхневими водами, що закачуються через скважину. Активація цих мікробіологічних процесів досягається шляхом аерації води і додавання в них мінеральних солей азоту й фосфору. Недостатня кількість цих хімічних елементів найчастіше лімітує активність мікрофлори в природних умовах. Нагнітання в нафтовий поклад збагаченої киснем і мінеральними солями води приводить до утворення аеробної зони в нафтоносному шарі навколо нагнітальної скважини. Тут починають інтенсивно відбуватися процеси руйнування нафти аеробними веглеводеньокислюючими мікробами. Це супроводжується нагромадженням вуглекислого газу, водню й низькомолекулярних органічних кислот, які надходять в анаеробну зону нафтового покладу. Тут вони перетворюються метаноутворюючими бактеріями в метан. Руйнування нафти й утворення газів приводять до розрідження нафти й підвищенню газового тиску в нафтоносному шарі, що й повинно супроводжуватися збільшенням видобутку нафти з видобувних скважин.