Биоэкстрактивная металлургия.

Из всех микробиологических технологий меньше всего рекламируется и больше всего недооценивается применение микроорганизмов для экстракции металлов из минералов, для концентрирования и извлечения драгоценных металлов из растворов, а также для получения новых промышленных биоматериалов.

Еще за 1000 лет до н.э. римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В конце XYII в. валлийцы в Англии и в XYIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии.

Лишь в 50-е и 60-е гг. XX в. выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Thiobacillus ferrooxidans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серусодержащие соединения и некоторые металлы.

Вскоре оказалось, что бактерия участвует и в переводе меди из рудных минералов в раствор.

Сейчас известны и другие микроорганизмы, активно участвующие в извлечении металлов из минералов:

Leptospirillum ferrooxidans – этот организм впервые был выделен в Армении, однако сейчас известно, что он встречается во многих местах, где осуществляется выщелачивание. Он может расти при 40 ⁰С и при рН 1,2 на пирите (Fe S₂) и, по-видимому, окисляет только железо, не затрагивая серу. Этим он отличается от Thiobacillus ferrooxidans,который окисляет серу так же хорошо, как железо.

Thiobacillus thiooxidans– эти ацидофильные организмы окисляют только серу и ее соединения. Они могут участвовать в окислении серы, образующейся в результате химической реакции между ионами трехвалентного железа и сульфидами меди.

Обнаружены различные термофильные, окисляющие пирит, железо и серу бактерии, которые лучше всего растут при температуре около 50 ⁰С. Эта группа умеренных термофилов включает факультативных гетеротрофов и автотрофов, причем обнаруживаются все новые и новые организмы этого класса. Данные организмы могут играть существенную роль в выщелачивании саморазогревающихся минералов и угольных отвалов. Все упомянутые выщелачивающие бактерии переводят металлы в раствор различными путями. Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа:

4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄→2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

и окисление серы:

S₈+12O₂+8H₂O→8 H₂SO₄

Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примером может быть окисление пирита:

4FeS₂+15O₂+2H₂O→2Fe₂(SO₄)₃+2H₂SO₄

Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности.

В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия, или биоэкстрактивная металлургия, применяются в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.

Методы, использовавшиеся в XYIII в. для извлечения меди из руд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней.

Выщелачивание отвалов развивается в США; оно используется для получения меди из бедных руд (содержание <0,4% меди по весу), а также из отвальных материалов с очень низким содержанием меди.

Такие отвальные материалы накапливаются при крупномасштабной открытой разработке руды. Отвалы, образующиеся в результате работы землеройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров.

Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0, путем ее распыления, полива или иньекции через трубы, помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель» просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Thiobacillus ferrooxidans превышает 10⁶ клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающегося раствора.

Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявлению необходимой активности микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода.

Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75-2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае создают условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция:

CuSO₄+Fe⁰↔Cu⁰+FeSO₄

«Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В последние годы для получения меди из раствора начали применять экстракцию растворителями. Ионы меди из водной фазы экстрагируют органическими жидкостями, только частично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из органического растворителя.

Биополимеры.

Термин «биополимеры» относится ко многим высокомолекулярным соединениям (например, к нуклеиновым кислотам, полисахаридам и липидам), синтезируемым самыми разными организмами.

Более подробно рассмотрим образование полисахаридов.

Полисахариды служат источником энергии и структурными компонентами клеточных стенок и внеклеточных капсул. Многие из этих полимеров, имеющих коммерческую ценность как промышленные клеи, были получены из растительных тканей (экстракты семян и морских водорослей). Способность таких полисахаридов изменять свойства воды (вызывая образование геля и влияя на свойства водных растворов) привели к их широкому промышленному использованию в самых различных ситуациях.

Полисахаридные гидроколлоиды часто применяются в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, нефтяной, бумажной и текстильной промышленности. Например, из красных водорослей производят в промышленных масштабах каррагенан и агар, а из бурых – альгинаты. Однако получение полисахаридов из растений и водорослей обладает своими недостатками:

1. Химический состав полисахаридов зависит от метаболических потребностей синтезирующих их организмов, связанных в свою очередь с изменениями внешних условий (например, сезонные изменения, разные циклы развития растений, время их сбора и т.д.). Поэтому при производстве сырья невозможно обеспечить контроль за его качеством.

2. При переработке происходят изменение и разрушение продукта, поскольку такая переработка нередко включает грубые воздействия (щелочная экстракция, выщелачивание горячей водой, отбеливание). При этом конечный продукт может приобрести нежелательный запах и цвет.

3. Количество получаемого растительного продукта зависит от урожайности, погодных условий, заболеваний растений или загрязнения окружающей среды.

При получении полисахаридов из микроорганизмов обеспечивается контролируемый синтез полимеров и постоянство продукции. Кроме того, микробные полисахариды часто обладают уникальными физическими и химическими свойствами, улучшенными функциональными характеристиками. Микроорганизмы синтезируют множество полисахаридов в форме внеклеточных капсул или слизей, не связанных с клеточной стенкой. Как правило, в их состав входит небольшой набор моносахаридов (нейтральные гексозы, метилпентозы, кетосахара, аминосахара, уроновые кислоты), однако разное их сочетание дает полимеры с разнообразными физическими свойствами.

Необходимо отметить, что получение микробных полисахаридов – относительно дорогой процесс: для его осуществления требуются большие капиталовложения и энергетические затраты. Видимо, микробные полимеры не вытеснят окончательно крахмал и его производные из всех сфер их использования. Оценивая целесообразность промышленного производства того или иного полисахарида, следует учитывать следующие факторы:

1. Потенциальный объем годового производства продукта и спрос на него как в настоящее время, так и в будущем;

2. Уникальность свойств данного продукта по сравнению с другими микробными и растительными полисахаридами;

3. Экономичность производства и предполагаемую длительность применения продукта.

Для образования большого количества полимера требуется легкодоступный и дешевый источник углерода. Ферментация позволяет культивировать организм-продуцент в строго определенных условиях среды, контролируя, таким образом, процесс биосинтеза и влияя на тип продукта и его свойства. Специфически изменяя условия роста, можно менять молекулярную массу и структуру образующегося полимера.

Обычно углеводными субстратами служат глюкоза и сахароза, хотя полисахариды могут образовываться и при росте микроорганизмов на керосине, метаноле, метане, этаноле. Недостатком проведения процесса в фермертерах является то, что среда часто становится очень вязкой, поэтому культура быстро начинает испытывать недостаток кислорода. Необходимо также контролировать быстрые изменения рН среды. Проблемы последующей обработки конечного продукта при синтезе полисахаридов связаны прежде всего с удалением микроорганизмов, что крайне важно, если этот продукт применяется в пищевой промышленности. Для разрушения бактерий используют литические и протеолитические ферменты, что в свою очередь приводит к дальнейшему загрязнению среды.

В настоящее время осуществляется промышленное производство ряда микробных полисахаридов (декстран, ксантан, геллановая смола, политран). Получение многих других находится на стадии разработки.

Ксантан синтезируется Xanthomonas campestris при росте на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе. В качестве источников углерода могут использоваться промышленные отходы, например, сыворотка, образующаяся при выработке творога. Этот полимер построен из повторяющихся пятичленных блоков, содержащих Д-глюкозу, Д-маннозу, Д-глюкуроновую кислоту; к некоторым из них присоединены остатки уксусной и пировиноградной кислот. Молекулярная масса варьирует от 2•10⁶ до 15•10⁶. Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967г.). Уникальные свойства ксантана предопределили его широкое применение в самых разных отраслях промышленности в качестве стабилизатора и средства для контроля за состоянием суспензий, гелеобразованием и вязкостью. Свойства этого полимера в сочетании с устойчивостью к нагреванию, кислотам, щелочам и присутствию катионов обеспечивают ему преимущества над другими смазками, и ксантан широко используется при добыче нефти. Он применяется для повышения выхода нефти, где в сочетании с поверхностно-активными веществами и углеводородами служит в качестве агента, контролирующего вязкость жидкости, закачиваемой в нефтяные пласты.

В 1969 г. было разрешено использовать ксантан в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств консервированных и замороженных продуктов, приправ, соусов, быстро приготовляемых продуктов, заправок, кремов и фруктовых напитков.

Ксантан нашел применение в производстве кормов, например консервированного корма для домашних животных, где он конкурирует с агаром. Простые и сложные эфиры ксантана применяют в косметике и в текстильной промышленности.

Альгинат. Источником альгинатов издавна служили морские водоросли (например Laminaria), однако по природе своей этот источник непостоянен. Среди бактерий близкие к альгинату гетерополисахариды образуют микроорганизмы рода Pseudomonas и Azotobacter.

Этот процесс осуществляют в промышленном масштабе, выращивая Azotobacter в условиях избытка кислорода.

В настоящее время альгинаты из растительных источников используются в основном в пищевой промышленности в качестве загустителей или гелеобразующих агентов. Их применяют для стабилизации йогурта, для предотвращения образования кристаллов льда при получении мороженого, их добавляют в приправы для салатов, поскольку эти соединения образуют гели только при рН ниже 3.

Политран. Политран представляет собой линейный β-1-3-глюкан, выделяемый грибом Sclerotium glucanikum и близкими к нему видами. Политран обладает псевдопластическими свойствами в широком диапазоне рН и температуры и нечувствителен к различным солям. Его применяют для повышения нефтедобычи, в керамических глазурях, латексных и типографских красках. В настоящее время намечается возможность промышленного получения и многих других полисахаридов. За последние несколько лет в выделении и производстве различных полимеров наблюдается быстрый прогресс.