В настоящее время биовыщелачивание является реальной альтернативой традиционным пиро- и гидрометаллургическим методам обогащения минерального сырья. Технология бактериально-химического выщелачивания представляет экономические, экологические и эксплуатационные преимущества из-за ее надежности и минимального использования химических веществ во время процесса [1].
Принцип биовыщелачивания основан на растворении металлов окисляющими агентами, которые продуцируют хемолитотрофные микроорганизмы. Бактерии, наиболее активные в биовыщелачивании, относятся к роду Thiohacillus. Это грамотрицательные, неспорообразующие палочки, которые растут в аэробных условиях. Большинство тиобацилл являются хемолитоавтотрофными видами, которые способны окислять двухвалентное железо и серу, а высвободившуюся при этом энергию используют для усвоения углерода из углекислого газа. Наиболее распространенными видами бактерий, используемых в промышленности, являются Acidithiobacillus caldus, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus ferrivorans, Leptospirillum ferrooxidans и Acidithiobacillus thiooxidans [2].
Бактериальная активность способствует солюбилизации металлов двумя основными механизмами: прямым и косвенным. При прямом механизме между бактериальной клеткой и поверхностью минерала образуется физический контакт, а окисление происходит с помощью ферментативно катализируемых реакций. Бесконтактный механизм представляет собой процессы окисления минеральных комплексов трехвалентным железом, которые продуцируют бактерий.
Несмотря на все преимущества, технология биовыщелачивания имеет существенный недостаток, заключающийся в высокой продолжительности технологического процесса. Причиной этому является слабая кинетика окислительно-восстановительных реакций, проходящих с участием микроорганизмов. В связи с этим поиск и изучение способов интенсификации окислительной активности хемолитотрофных микроорганизмов является актуальной задачей на сегодняшний день. В научных исследованиях наиболее распространенными методами воздействия на процессы роста бактериальных клеток и выработку ими ферментов является использование волновых излучений, таких как ионизирующее излучение, микроволновое излучение, УФ, инфракрасное излучение и ультразвук [3].
Целью данного исследования являлось исследование биологических откликов железо- и сероокисляющих микроорганизмов на воздействие микроволнового излучения при разных режимах облучения.
Долгое время считалось, что биологический эффект СВЧ-излучения проявляется вследствие локального нагрева за счет выделения тепла от трения молекул. Однако в последние годы было показано, что биологический отклик проявляется и при сверхмалых интенсивностях электромагнитного излучения, когда средний по объему нагрев тканей не является определяющим или пренебрежимо мал. Такие эффекты получили названия нетепловых или «специфических» [4].
В обзорной статье [5] приводятся сведения об изменениях в структуре ДНК, биологической мембраны и белков под действием микроволнового излучения низкой интенсивности. Изменения в генетическом аппарате оказывают влияние на экспрессию определенных генов, что выражается в изменениях продукции функциональных элементов – РНК и белков. Изменения в биологической мембране при воздействии микроволн способствуют изменению транспорта веществ между клеткой и окружающей средой. Изменения на молекулярном уровне способствуют проявлению нетепловых эффектов на более высоких уровнях организации живой материи. Ввиду этого исследования биологических откликов на воздействие микроволнового излучения вызывают научный интерес по сей день.
Материалы и методы исследования
Бактериальная культура
В эксперименте была использована культура хемолитотрофных ацидофильных микроорганизмов, выделенных из образца сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка). По данным ПЦР-диагностики, в состав данного сообщества входят Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Sulfobacillus sp [6].
Культивирование
Эксперимент был проведен в колбах Эрленмейера на 250 мл, содержащих 100 мл питательной среды 9К с добавлением Fe (II). Концентрация двухвалентного железа составляла 10 г/л. Колбы располагались на качалке (90 об/мин) в термостате, при постоянной температуре 28 °С. Каждые сутки на протяжении всего эксперимента определялось общее количество микроорганизмов методом прямого подсчета под микроскопом (МИКРОМЕД 3) и определялась степень окисления двухвалентного железа методом визуального колориметрического титрования. Также производилось измерение параметра pH и окислительно-восстановительного потенциала среды. Эксперимент проводился в трех повторах.
Процесс облучения СВЧ
Облучение проводилось в СВЧ-печи. Частота излучения составляла 2,45 ГГц, мощность 900 Вт. Во время облучения изменение температуры раствора не превышало 2 °C. Для проведения эксперимента были сформированы три экспериментальные группы:
СВЧ 5(I) – колбы подвергались облучению один раз в сутки. Время воздействия равнялось 5 с.
СВЧ 5 (II) – колбы подвергались облучению два раза в сутки. Время воздействия равнялось 5 с.
СВЧ 10 (I) – колбы подвергались облучению в течение 10 с один раз в сутки.
В качестве контроля служили колбы, не подвергаемые воздействию микроволнового излучения. Выбор параметров облучения обусловлен результатами проведенных ранее исследований [7].
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе эксперимента было установлено, что воздействие микроволн способствует повышению железоокислительной активности хемолитотрофных микроорганизмов (рис. 1, 2).
Рис. 1. Изменение концентрации двухвалентного железа в разных экспериментальных группах
Рис. 2. Изменение концентрации трехвалентного железа в разных экспериментальных группах
Рис. 3. Изменение процентного соотношения количества окисленного железа в разных экспериментальных группах
Рис. 4. Изменение численности свободноплавающих микроорганизмов в разных экспериментальных группах
Наилучшие показатели окисления железа регистрировались в колбах, облучение которых происходило в течение пяти секунд, дважды в сутки, с интервалами в 12 ч. К концу эксперимента в этой экспериментальной группе было окислено 96 % двухвалентного железа, в то время как в контрольном образце лишь 81 % (рис. 3).
Воздействие СВЧ-излучения раз в сутки в течение 10 с также способствовало повышению окислительной активности бактерий, но менее выражено, чем в группе СВЧ 5 (II). К концу эксперимента в этих колбах было окислено 89 % двухвалентного железа.
Количество окисленного железа в экспериментальной группе СВЧ 5 (I) составило 92 %, что несколько больше, чем при десятисекундном облучении. По всей видимости, эффект связан с повреждениями, вызванными локальным нагревом, при воздействии СВЧ в течение 10 с.
На рис. 4 изображен график изменения численности свободноплавающих микроорганизмов в разных экспериментальных группах. Видно, что воздействие микроволнового излучения при любых режимах облучения приводит к значительному повышению численности планктонных форм микроорганизмов. Данный эффект можно объяснить изменением механизмов адгезии в облученных клетках. В работе [8] на примере грамположительных бактерий продемонстрирована зависимость силы адгезии от параметров СВЧ-облучения.
Наибольшая концентрация клеток была зарегистрирована в экспериментальной группе СВЧ 5 (II) и равнялась (4,7 ± 0,2)·107 клеток в одном миллилитре раствора, что превосходит значения в контрольном образце более чем в два раза. Количество клеток в контроле равнялось (2,1 ± 0,1)·107мл-1.
Концентрация бактериальных клеток в миллилитре раствора в группах СВЧ 5 (I) и СВЧ 10 (I) равнялась (4,1 ± 0,2)·107 и (4,3 ± 0,2)·107 соответственно.
Заключение
В ходе проведенного эксперимента было установлено, что воздействие СВЧ-излучения на смешанную культуру хемолитотрофных микроорганизмов способствует повышению их окислительной активности. Наиболее выраженный результат был зарегистрирован в колбах, облучение которых проводилось дважды в сутки, а продолжительность воздействия составляла 5 секунд. В этой экспериментальной группе концентрация окисленного железа была на 15 % выше, по сравнению с контрольными образцами, которые не подвергались облучению.
Библиографическая ссылка
Киореску А.В. ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 11-2. – С. 343-347;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36950 (дата обращения: 20.04.2024).