Риддер-Сокольное месторождение находится на Рудном Алтае, на территории Казахстана. Открыто по следам древних «чудских разработок» в 1784 г. и с тех пор практически непрерывно эксплуатируется. Месторождение связано с девонской базальт-риолитовой формацией и размещается в пределах региональной вулкано-тектонической депрессии. Рудовмещающие эмсско-эйфельские вулканогенно-осадочные породы залегают на метаморфических сланцах нижнего палеозоя. Подрудная часть разреза сложена эффузивно-пирокластической толщей риолитового состава мощностью от 600 до 1100 м [6].
Целью данной работы является определение возможности использовать окислительную деятельность бактерий в процессах кучного выщелачивания сульфид содержащих руд месторождения Риддер-Сокольное.
Технологии кучного выщелачивания и прямого цианирования при относительно недорогих капитальных затратах позволяют получить в качестве конечного продукта сплав Доре – лигатурное золото, в дальнейшем направляемое на аффинажные предприятия для разделения металлов и их продажи. Одним из преимуществ данных технологий является возможность извлекать золото из руд с низким его содержанием [1].
Материалы и методы исследования
Изучение количественного и качественного состава микрофлоры исследуемых нами месторождений проводилось по общепринятым методикам. Пробы рудных вод при обследованиях отбирались стерильно, в соответствии с имеющимися руководствами [5].
Выделение новых микроорганизмов из рудничных месторождений и знание их физиологии позволит расширить применение микробиологических методов выщелачивания и обогащения руд, которые приобретают все большее значение в связи с истощением запасов богатых руд [2, 7].
Результаты исследования и их обсуждение
В табл. 1 и 2 приведены характеристики руд месторождения Риддер-Сокольное, на примере руды шахты 38, жила 8 и шахта 39, горизонт 130 м.
Таблица 1
Химический состав руд месторождения Риддер-Сокольное
|
Компоненты |
Массовая доля, в % |
Содержание, г/т |
|
Шахта 38 |
Шахта 39 |
|
|
SiO2 |
55,5 |
60,8 |
|
Al2О3 |
14,6 |
11,7 |
|
CaO |
4,7 |
4,1 |
|
MgO |
1,5 |
1,2 |
|
Cu |
– |
– |
|
Zn |
0,23 |
0,08 |
|
Pb |
– |
– |
|
Fe |
5,6 |
5,0 |
|
As |
– |
– |
|
Sb |
– |
– |
|
Sобщ |
2,9 |
2,4 |
|
Au |
9,7 |
11,4 |
|
Ag |
1,2 |
6,2 |
|
Плотность руды, г/м |
2,717 |
2,724 |
|
Насыпной вес г/ м |
1,455 |
1,428 |
Таблица 2
Распределение золота по классам крупности руды
|
Классы крупности, мм |
Выход % |
Свободное золото |
Общее золото |
||
|
Содержание г/т |
Распределение % |
Содержание, г/т |
Распределение % |
||
|
+ 0,21 |
0,11 |
372,7 |
4,8 |
461,3 |
3,3 |
|
– 0,21 + 0,15 |
0,82 |
174,4 |
16,9 |
176,4 |
8,7 |
|
– 0,15 + 0,1 |
6,59 |
11,8 |
9,4 |
13,0 |
11,7 |
|
– 0,1 + 0,07 |
10,56 |
7,7 |
9,8 |
9,8 |
14,2 |
|
– 0,07 + 0,04 |
38,77 |
18,8 |
33,9 |
20,8 |
51,2 |
|
– 0,04 |
43,15 |
0,53 |
2,8 |
1,83 |
10,9 |
|
Итого |
100,0 |
6,43 |
77,6 |
8,28 |
100,0 |
В шахтных водах выбранных горизонтов было исследовано распределение аммонифицирующих бактерий. Известно, аммонификаторы – это физиологическая группа бактерий, использующих белки и аминокислоты в качестве энергетических субстратов, что сопровождается выделением в среду аммиака. Среди аммонификаторов встречаются как спорообразующие формы (Bacillus), так и микроорганизмы, не образующие спор (Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Proteus).
Данные физико-химических характеристик указывают, что на участках, достаточно широко представленных в районе Риддер-Сокольного месторождения рудопроявлений и зон рассеянной золото-сульфидной минерализации, трещинные воды за счет растворения окисляющихся сульфидов обогащаются сульфатами, подвижными формами мышьяка, железа, марганца, а также незначительными количествами меди, свинца, цинка, кадмия и других микроэлементов. Минерализация трещинных вод может возрасти до 0,7–1 г/дм3 с переходом типа воды до сульфатно-натриевого по ионному составу. В связи с малым количеством сульфидов в водовмещающих породах и ограниченностью участков развития зон рудной минерализации, в сравнении с общей площадью распространения водоносного горизонта, качество трещинных вод участка остается высоким.
Численность аммонифицирующих бактерий колебалась в пределах 101–104 кл/мл (рис. 1). Наименьшая численность бактерий была отмечена в шахтной воде горизонтов 50 и 290, где вода имеет слабокислую (рН 5,8) среду. На этом горизонте трещинные воды Риддер-Сокольного рудника относятся к грунтовым водам зоны выщелачивания. Гидрохимические условия в водоносном горизонте определяются естественными природными факторами – содержанием водорастворимых солей в водовмещающих породах (химико-минералогическим составом), их проницаемостью и скоростью фильтрации подземных вод.
Ионно-солевой состав шахтных вод горизонтов 90, 330 формируется за счет процессов растворения и выщелачивания минеральной массы горных пород (продуктов гидролитического разложения силикатов, окисления сульфидов и углекислотного выветривания карбонатов). Вследствие интенсивного водообмена в водоносном горизонте формируются пресные маломинерализованные воды, гидрокарбонатные кальциево-натриевые по ионному составу, нейтральные или слабощелочные по величине рН с сухим остатком 0,2–0,4 г/дм3. Количество клеток аммонифицирующих бактерий в такой водной среде доходит до 104 кл/мл. В воде остальных горизонтов количество аммонификаторов колебалось в пределах 102–103 кл/мл. В период обследования воды имели преимущественно нейтральную и слабощелочную реакцию (рН 7,5–8,2).
Таким образом, процесс аммонификации в шахтных водах горизонтов золото-мышьяковистого месторождения сопровождается подщелачиванием среды. В результате аминокислоты дезаминируются с образованием органических кислот (пирувата, ацетата и других интермедиатов ЦТК) и в таком виде входят в цикл Кребса для полного окисления и получения клеткой энергии.
Рис. 1. Численность аммонифицирующих бактерий в шахтных водах
Анализ физиологических групп бактерий, участвующих в круговороте азота в различных типах пород, слагающих рудное тело, представлен на рис. 2. Учитывали аммонификаторы, нитрификаторы 1-й и 2-й фазы, денитрификаторы и азотфиксирующие микроорганизмы. В общем, численность представителей этих групп бактерий варьировала в пределах 102–107 КОЕ/г.
Наибольшее количество аммонифицирующих бактерий было отмечено в пробах песчаника верхней алевролито-песчаниковой толщи (3), в кремнистых образованиях (6) и в углисто-глинистого аргиллита (9) и составляло 106 КОЕ/г. В терригенно-осадочных породах (1) и рудах из горизонта кызыловской зоны смятия (4) количество аммонификаторов доходило до 105 КОЕ/г. В остальных исследуемых пробах их численность варьировала в интервале 103 и 104 КОЕ/г.
Как известно, нитрификаторы первой фазы осуществляют окисление аммония до азотистой кислоты (NH4+ →N02-) второй фазы – перевод азотистой кислоты в азотную (N02-→N03-). Максимальное количество нитрификаторов I-фазы наблюдается в пробах № 3, 6, 7 – 106 КОЕ/г. В остальных пробах их количество варьировало в пределах 102–104 КОЕ/г. Максимальное количество нитрификаторов II фазы отмечалось в пробах № 1, 3, 4, 6, 7 в количестве 105 КОЕ/г. В остальных пробах составляет 103–104 КОЕ/г.
Рис. 2. Численность бактерий, участвующих в круговороте азота в рудном теле
Учитывали также денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до молекулярного азота, в число которых входили как восстанавливающие нитраты до нитритов, так и доводящие восстановление до элементарного азота. Максимально количество денитрифицирующих бактерий было отмечено в пробах руды № 2, 3, 5, 9 и составляло 105 КОЕ/г. В остальных образцах их количество колебалось в пределах 102–104 КОЕ/г.
Численность азотфиксирующих бактерий, обладающих способностью усваивать молекулярный азот воздуха и переводить его в доступные для организма формы, варьировала в пределах 102–107 КОЕ/г. Наибольшее их количество отмечено в образцах № 4, 8, 9 – 106–107 КОЕ/г, наименьшее – в пробе № 2 – 102 КОЕ/г.
Таким образом, судя по полученным данным, наиболее интенсивно процессы круговорота азота осуществляются в пробах песчаника верхней алевролито-песчаниковой толщи (3), в кремнистых образованиях (6) и углисто-глинистого аргиллита и алевролита (9) с преобладанием процессов образования и утилизации аммиака до молекулярного азота. В последней пробе отмечена также активная азотфиксация. Обнаружение основных групп микроорганизмов практически во всех исследуемых образцах говорит об активном участии микроорганизмов в превращениях разнообразных органических веществ в шахтных водах и рудном теле Риддер-Сокольного месторождения.
Химический состав и качество вод изучаемой площади Риддер-Сокольного золотоносного месторождения характеризуется следующими данными.
Сухой остаток трещинных вод изменяется по площади и глубинам опробования, составляя 0,2–0,6 г/дм3, жесткость – 2,1– 5,3 мг-экв/дм3, рН 6,7–7,9. Химический состав вод гидрокарбонатный и гидрокарбонатно-сульфатный по анионам и кальциевый, кальциево-натриевый по катионам.
Содержание веществ группы азота (NO2, NO3, NH4) намного ниже нормативных уровней, перманганатная окисляемость по О2 низкая, концентрация железа не превышает 0,25 мг/дм3. Микроэлементы (Cu, Pb, Zn, As, F и др.) содержатся в количествах намного меньше допустимых пределов.
Тионовые бактерии A. ferrooxidans встречались в основном в воде, имеющей слабо кислую реакцию среды (рН 5,0 – 5,5). Наибольшее количество A. ferrooxidans было отмечено в пробах шахтной воды горизонта 170, численность варьировала в пределах 10–103 кл/мл воды, а также в рудничных водах горизонтов 210 и 290 с численностью до 102 кл/ мл воды (рис. 3).
В водах горизонтов 90 и 330 тионовые бактерии не обнаружены, что, видимо, связано с нейтральной реакцией шахтных вод и непродолжительным контактом руд с кислородом воздуха.
Распространение бактерий Тh. thiooxidans в природе зависит от наличия восстановленных соединений серы, используемых этими бактериями для хемоавтотрофного роста. Основная масса серы в природе связана с металлами в сульфатной и сульфидной форме, часть ее находится в виде самородных месторождений. Как известно, бактерий этой группы способны осуществлять процессы, приводящие к разрушению или образованию месторождений полезных ископаемых, минералов и горных пород, а также к миграции отдельных элементов. Изучение этих процессов важно для теоретических представлений о круговороте элементов, а также для добычи полезных ископаемых.
При обследовании стоячих вод и капежей месторождения Th. thiooxidans были обнаружены в пробах воды, имеющих слабокислую реакцию (рН 5,0–5,5), численность достигала 10–102 кл/мл (рис. 3). Было установлено, что температура рудного тела с увеличением глубины горизонта снижается c 12 до 6,5 ºС, рН колеблется в пределах 5,5–7,5.
Таким образом, обнаружение тионовых бактерий в шахтных водах на различных горизонтах и характеристика экологических условий их жизнедеятельности дают основание считать, что на месторождении Риддер-Сокольное они выступают в качестве окислителей рудных минералов.
Рис. 3. Численность бактерий, участвующих в круговороте азота и серы в шахтных водах
Анализируя данные о численности и характере распределения хемолитоавтотрофных бактерий A. ferrooxidans и Th. thiooxidans – основных показателей степени окислительно-востановительных процессов, необходимо отметить, что они встречались в шахтных водах редко и в незначительных количествах. С глубиной горизонта количество находок A. ferrooxidans значительно уменьшалось, распределение же Th. thiooxidans определялось наличием серы в нижних горизонтах шахтных вод. Ареалы распространения тионовых бактерий характеризуются слабокислой реакцией среды.
Рис. 4. Численность тионовых бактерий в рудном теле
Присутствие тионовых бактерий в рудном теле отмечалось во всех типах слагающих пород. Численность A. ferrooxidans колебалась в пределах 10–103 кл/г руды. Наибольшее количество бактерий было приурочено к осадочным и углисто-глинистым породам. Численность Th. thiooxidans была выше – 102–103 кл/г руды. Вскрышная глинистая порода, серые песчаники, пепловые туфы и кремнистые образования содержали наибольшее количество этих бактерий (рис. 4). Образцы пород с находками тионовых бактерий имели слабокислую реакцию.
Выводы
Таким образом, распространение тионовых бактерий в отдельных породах рудного тела свидетельствует о процессах бактериального окисления серы и других рудных элементов [3, 4]. Если сравнить эти данные с расположением рудного тела и золотовмещающих минералов по горизонтам, то можно отметить, что бактериальные окислительные процессы идут как в верхних, так и в нижних горизонтах. Это, в свою очередь, подтверждает присутствие достаточного количества влаги и кислорода в исследованных породах, а также их способность адсорбировать бактериальные клетки.