Внеклеточное осаждение

Металлы могут иммобилизовываться и накапливаться в почвах и в осадочных породах за счет связывания с продуктами метаболизма микробов или с накапливающимися органическими остатками. Эти процессы издавна использовались человеком при очистке сточных и промышленных вод. При обычной очистке сточных вод образующийся ил содержит целый набор металлов, перешедших из воды. Живые клетки и органические остатки, присутствующие в отстойниках или проточных прудах, будут накапливать эти металлы, которые впоследствии оказываются в осадках. Для удаления металлов из промышленных стоков или из рудничных вод в горнорудной промышленности используют пруды, в которых «цветут» водоросли (их усиленный рост стимулируется органическими или минеральными питательными веществами, которые содержатся в воде). Один из наиболее удачных примеров внеклеточного осаждения - перевод металлов в осадок путем осаждения сероводородом, образуемым сульфатредуцирующими бактериями. Эти бактерии обитают в анаэробных средах во всех частях земного шара (в озерных, океанических и некоторых речных осадках, бескислородных почвах, болотах и т. п.)‚ и с их помощью происходит сопряжение окисления органических веществ с восстановлением сульфатов до сульфидов:

Эта реакция может приводить к осаждению металлов в почвах и осадки, например в виде пирита (FeS₂). В масштабе геологического времени таким способом могут накапливаться большие массы сульфидов металлов, например CuS. К образованию сульфидов ведет разложение биомассы водорослей в осадочных породах.

Оба этих процесса осуществляются в природе и используются человеком в относительно небольших масштабах, если говорить об общем количестве загрязненной металлами воды, которая нуждается в очистке. Потенциальные возможности применения биотехнологии для бактериального восстановления сульфатов в целях очистки вод от металлов, а также для извлечения металлов из разбавленных растворов совершенно очевидны.

В одноступенчатой системе в хемостат с культурой сульфатредуцирующих бактерий непрерывно поступает раствор, загрязненный каким-либо металлом и содержащий сульфат и питательные вещества типа лактата или в зависимости от природы используемой бактерии углеводород либо органическую кислоту. Для одновременного разложения сложных органических остатков можно применять смешанные культуры бактерий, функционирующих в анаэробных условиях. При более строго контролируемом процессе для получения сероводорода следует использовать раздельные культуры сульфатредуцирующих бактерий; при этом сероводород необходимо прокачивать сквозь загрязненную металлом воду, протекающую через осадочный чан. Сульфид металла будет осаждаться, а поток свободной от металла (или по крайней мере сильно очищенной) воды - вытекать из резервуара. Потери избыточного сульфида можно контролировать, меняя соотношение между поступающими сульфатом и металлом. Однако некоторое количество избыточного растворимого сульфида все-таки неизбежно образуется. Его можно удалять путем спонтанного химического окисления, если поддерживать на соответствующем уровне количество растворенного сульфата. Альтернативным решением является окисление сульфида серообразующими фотосинтезирующими бактериями в трехступенчатом процессе. Далее возможно экономически выгодное получение элементарной серы. Излишки газообразного сероводорода легко вновь использовать в цикле.