Метагеномный анализ и инженерия микробных консорциумов, осуществляющих процессы биовыщелачивания цветных металлов: 2020 г. этап 1

  • Марданов, Андрей Владимирович (руководитель)
  • Белецкий, Алексей (исполнитель)
  • Груздев, Евгений (исполнитель)
  • Булаев, Александр (исполнитель)
  • Муравьев, Максим (исполнитель)

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

4.3.7. Обоснование целесообразности выполнения заявки - в данной графе указываются следующие сведения:4.3.7.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является разработка подходов для повышения эффективности биогидрометаллургических технологий извлечения цветных и благородных металлов из сульфидных концентратов, основанных на направленной инженерии микробных консорциумов, осуществляющих процессы биовыщелачивания.4.3.7.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.Реакторное биоокисление (биовыщелачивание) является биогидрометаллургической технологией, которая успешно используется для извлечения цветных и благородных металлов из сульфидных концентратов и позволяет перерабатывать некондиционные и упорные продукты, в том числе, содержащие токсичные компоненты, такие как мышьяк. Данная технология основана на процессе деструкции сульфидных минералов микроорганизмами, использующими в качестве источников энергии двухвалентное железо и серу. Необходимым для дальнейшего развития данной технологии является повышение скорости и производительности технологических процессов. В промышленных реакторах процессы биоокисления сульфидных концентратов осуществляются консорциумами микроорганизмов, которые включают в свой состав виды, различающиеся по метаболическому потенциалу. На данный момент используемые для исследования микробных консорциумов реакторов биовыщелачивания методы и подходы позволяют судить, главным образом, о видовом разнообразии консорциумов и его зависимости от различных факторов, но фактически не позволяют говорить о какой-либо очевидной корреляции между эффективностью технологических процессов и составом консорциумов, а также метаболического потенциалов микроорганизмов, а значит и предложить методы повышения эффективности биогидрометаллургических технологий. Раскрытие генетического потенциала микробного консорциума в результате метагеномного анализа создает основу для направленного воздействия с целью его обогащения необходимыми для решения биотехнологических задач целевыми группами микроорганизмов, стимуляции их роста и реализации его функциональных возможностей.Поэтому актуальным является проведение исследований, направленных на понимание взаимосвязи между составом микробных популяций, метаболическим потенциалом отдельных микроорганизмов и эффективностью биогидрометаллургических процессов, так как это позволит разработать практические подходы, позволяющие управлять эффективностью процесса, базируясь, в том числе, на теоретических моделях, а не только на эмпирических закономерностях, что приведет, по сути, к созданию биогидрометаллургических технологий нового поколения.4.3.7.3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.Так как научной проблемой проекта является разработка подходов для повышения эффективности биогидрометаллургических технологий, основанных на направленной инженерии микробных консорциумов, то конкретной задачей в рамках проблемы будет проведение исследований и лабораторных испытаний для разработки методов управления окислительной активностью микробных консорциумов, осуществляющих процессы биоокисления сульфидных концентратов.Для достижения цели проекта планируется решить следующие научные и научно-технические задачи:1) Выделить из техногенных экосистем микробные консорциумы, используемые в процессах биовыщелачивания концентратов цветных и благородных металлов.2) С помощью метагеномного анализа определить состав микробных консорциумов, расшифровать геномы основных микроорганизмов-членов консорциума, на основе геномных данных определить возможности их метаболизма, функциональные взаимосвязи между ними, выявить группы микроорганизмов, осуществляющие целевые процессы. 3) Разработать методы управления микробными консорциумами для направленного обогащения их целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их роста, путем изменения условий проведения процесса и/или внесения специфических субстратов.4) Разработать и исследовать на лабораторном уровне способы повышения эффективности биогидрометаллургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов, осуществляющих биоокисление сульфидных минералов.4.3.7.4. Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.На данный момент принципы, на которых основаны биогидрометаллургические технологии, включая механизмы биоокисления сульфидных минералов микроорганизмами, достаточно хорошо изучены. Микробные сообщества, осуществляющие биогидрометаллургические процессы и закономерности их формирования также активно изучаются. При этом необходимо отметить, что с момента внедрения биогидрометаллургических технологий в промышленную практику, которое произошло еще в XX веке, подходы, которые могли бы обеспечить кардинальное повышение эффективности используемых технологий, фактически не предложены. Нужно отметить, что имеющиеся на данный момент сведения о микробном разнообразии в процессах биоокисления и метаболизме микроорганизмов, осуществляющих процессы биоокисления сульфидов, не позволяют предложить очевидные методы повышения эффективности биогидрометалургических технологий, и имеют скорее, фундаментально-научную ценность, а не прикладное значение. Прогресс, достигнутый в последние десятилетия в области изучения микробного метаболизма, состава микробных сообществ различных мест обитания и закономерностей их формирования в разных условиях, а также метаболического потенциала некультивируемых и малоизученных микроорганизмов, который был достигнут благодаря развитию молекулярно-биологических методов, в т.ч. высокопроизводительного секвенирования, позволил выйти на новый уровень изучения взаимодействий между микроорганизмами в микробных сообществах и выявить целый ряд новых групп микроорганизмов, играющих важную роль в биогеохимических процессах в разных местах обитания. Поэтому очевидно, что достижения в методах изучения микробных сообществ разных мест обитания могут быть использованы и для повышения эффективности биогидрометаллургических технологий. При этом достижение реального прогресса в усовершенствовании биогидрометаллургических процессов может быть достигнут только путем создания подходов, позволяющих управлять активностью микробных консорциумов, осуществляющих процессы биоокисления сульфидных концентратов, разработка которых, вероятно, может стать одним из трендов в развитии биогеотехнологии. Исполнители проекта имеют большой опыт в изучении микробных популяций с использованием методов, основанных на высокопроизводительном секвенировании (метагеномика, метатранскриптомика), а также проведения прикладных исследований в области биогидрометаллургии, в том числе в рамках договоров с действующими предприятиями, исрользующиимим биогидрометаллургические технологии. Полученные исполнителями в рамках предыдущих НИР результаты, а также анализ данных, представленных в литературе, указывают как на возможность направленного воздействия на состав микробных популяций, в том числе, осуществляющие различные технологические процессы (например, очистка сточных вод), так и применения различных спосособов для повышения эффективности биоокисления сульфидных концентратов (регуляция температуры, внесение дополнительных источников углерода). Таким образом, очевидно, дальнейшее углубленное изучение метаболического потенциала микроорганизмов, входящих в состав микробных популяций позволит выяснить пути направленного воздействия на окислительную активность микробной популяции, так как данные о метаболическом потенциале членов микробных популяций позволит создать подходы для воздействия на состав популяций и обогащения их целевыми функциональными группами микроорганизмов, играющими наиболее важную роль в процессах биовыщелачивания.4.3.7.5. Современное состояние исследований по данной проблеме.Чановое биовыщелачивание является биогидрометаллургической технологией, которая успешно используется, в основном, для переработки упорного золотосодержащего сырья около 30 лет − первое промышленное предприятие было запущено в ЮАР в 1986 году на месторождении Fairview и до сих пор эксплуатируется. Эта технология основана на процессе деструкции сульфидных минералов микроорганизмами, использующими в качестве источников энергии двухвалентное железо и серу и позволяет проводить переработку минерального сырья, в том числе с высоким содержанием мышьяка, с относительно низкими затратами и не создавая высокой нагрузки на окружающую среду. Микроорганизмы, используемые в биогидрометаллургии, достаточно хорошо изучены, так их исследованию уделяется большое внимание благодаря их большому практическому значению [1]. Долгое время считалось, что наиболее важным для практического применения является Acidithiobacillus ferrooxidans (ранее Thiobacillus) – первый описанный ацидофильный микроорганизм, способный окислять двухвалентное железо и пирит. Сейчас показано, что в биогидрометаллургических процессах зачастую преобладают другие виды микроорганизмов (в общей сложности около 20 видов). Данные микроорганизмы филогенетически неродственны друг другу, однако обладают общими физиологическими свойствами, которые и делают возможным их применение в биогеотехнологических процессах: ацидофилией (оптимальные рН для их жизнедеятельности лежат в переделах 1-2.2); использованию для энергетического метаболизма неорганических соединений (двухвалентного железа, серы и ее восстановленных соединений, а также большого разнообразия сульфидных минералов); устойчивости к ионам тяжелых металлов, которые накапливаются в местах их обитания в результате растворения сульфидных минералов. Не останавливаясь подробно на свойствах данных микроорганизмов (физиологии, биохимии, генетике), нужно лишь упомянуть те аспекты их микробиологии, которые наиболее интересны с точки зрения практического применения. Несмотря на то, что используемые в биогидрометаллургии микроорганизмы обладают общими свойствами, их можно подразделить на несколько групп по физиологическим свойствам. Во-первых, они различаются по оптимальной температуре: часть из них (Leptospirillum spp., Acidithioabacillus spp.) является мезофилами (т.е. оптимальные температуры для них ниже 40оС), другие (Sulfobacillus spp., Acidimicrobium spp., Acidithioabacillus caldus, Acidiplasma spp.) – умеренными термофилами (оптимальные температуры для них ниже 40-60oС), а третьи (археи порядка Sulfolobales) – термофилами (оптимальные температуры для них выше 60oС). Во-вторых, их можно разделить по способности окислять различные энергетические субстраты: часть ацидофилов способна окислять только двухвалентное железо (Ferroplasma spp., Leptospirillum spp.), другие способны окислять только серу и её растворимые восстановленные соединения (Acidithioabacillus caldus, Acidithiobacillus thiooxidans), третьи – и двухвалентное железо, и соединения серы (Acidithiobacillus ferrooxidans, Sulfobacillus spp.). Третьим свойством, способным влиять на эффективность процессов биоокисления, является способность микроорганизмов усваивать различные источники углерода (органические и неорганические): одни являются автотрофами, т.е. способны усваивать СО2 (Leptospirillum spp., Acidithioabacillus spp.), другие гетеротрофами, т.е. нуждаются в органических источниках углерода для роста (Ferroplasma и Acidiplasma spp.), третьи – миксотрофами, способными усваивать и CO2, и органические субстраты, но, как правило, нуждающиеся в органических веществах для стабильного роста (Sulfobacillus spp.). Технологические процессы на практике осуществляются не чистыми культурами микроорганизмов, а их сообществами, в которых между микроорганизмами существуют трофические связи: известно, что миксотрофы и гетеротрофы потребляют органические вещества, выделяемые автотрофами [1, 2].Выделяют отвальное, кучное, подземное и чановое (реакторное или агитационное) биоокисление [2; 3]. Первые три варианта предполагают отсутствие или минимизацию мероприятий по рудоподготовке. В случае подземного выщелачивания производится закачка раствора, содержащего кислоту, окислитель (Fe3+), генерируемый микроорганизмами, а также клетки микроорганизмов непосредственно в место залегания руды с последующей рециркуляцией используемых растворов. В случае отвального и кучного выщелачивания осуществляется обработка биорастворами отвалов руд (чаще некондиционных), а также специально подготавливаемых куч – измельченного и окомкованного рудного материала, расположенного на специально подготовленной наклонной бетонной площадке с гидроизоляцией. Чановое или реакторное биовыщелачивание подразумевает проведение окисления измельченного сырья в цепях реакторов (объемом от нескольких десятков до 1000 м3) с перемешиванием, снабженных системами для поддержания стабильных физико-химических параметров пульпы (температуры, рН) [4-6]. В первичных реакторах время пребывания, как правило, в 3-4 раза больше, чем в последующих (вторичных), что обеспечивает накопление биомассы в начале процесса и его стабильное протекание. Чановое биоокисление обеспечивает переработку сырья с относительно большой скоростью, однако требует достаточно высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Особенности технологических схем, требующих различных капитальных и эксплуатационных затрат, обуславливают и выбор подходящего для переработки биотехнологическими методами сырья. Кучное и отвальное биовыщелачивание обычно используется для получения цветных металлов, прежде всего меди, из бедных руд, содержание металла в которых составляет от 0,2 до 2,5% [7]. Чановое биоокисление обычно применяется для переработки сульфидных концентратов золотосодержащих руд – из-за относительно высоких затрат данная технология не может быть применена для переработки бедных руд цветных металлов. Достоинствами чанового биоокисления являются низкие энергозатраты и отсутствие газовых выбросов (что особенно важно при переработке арсенопиритных концентратов). В настоящее время эксплуатируются предприятия, работающие по технологиям BIOX® (6 предприятий работают в настоящее время, за 31 год использования технологии было введено в эксплуатацию 13 предприятий) [6], BacoxTM (два предприятия) [8], BIONORDTM (1 предприятие) [4]. Основы биотехнологии переработки золотосодержащих концентратов начали разрабатываться в СССР и ЮАР еще в 70-х годах [9]. Первое промышленное предприятие было запущено в ЮАР в 1986 году на месторождении Fairview [6] (предприятие до сих пор эксплуатируется), в 2016 году введена очередная фабрика, применяющая технологию BIOX® (RunRuno, Филипины) [5]. В начале 2000-х годов компанией «Полюс» на Олимпиадинском месторождении была запущена в эксплуатацию фабрика, осуществляющая чановое окисление золотосодержащего концентрата пирротин-пирит-арсенопиритной руды [6]. Данная фабрика является одной из крупнейших в мире и вносит существенный вклад в общероссийский объем добычи золота (в 2016 году добыто порядка 25 тонн золота) [10]. Кроме Олимпиадинской ЗИФ на территории СНГ действуют еще два предприятия, перерабатывающие золотосодержащие концентраты руд месторождения Кокпатас (Узбекистан) и Суздаль (Казахстан) по технологии BIOX [11]. Операторами месторождений являются «Навоийский горно-металлургический комбинат» и компания Nordgold, соответственно [11, 12]. Таким образом, как на территории России, так и стран СНГ можно найти успешные примеры применения биогидрометаллургии для добычи золота. Запасы золота в упорных сульфидных рудах в РФ открывают достаточно широкие перспективы для внедрения подобных технологий.Есть и примеры переработки в промышленном масштабе концентратов цветных металлов с помощью чанового биоокисления: переработки кобальтового концентрата [13], смешанного никелевого концентрата (месторождений Sotkamo и Vuonos) с высоким содержанием мышьяка [14]. Имеющийся опыт применения чанового биоокисления для переработки концентратов цветных металлов приводит к выводу, что данная технология не может конкурировать с пирометаллургией, но может применяться для переработки некоторых специфических типов сырья (некондиционных концентратов, концентратов с высоким содержанием мышьяка).Несмотря на то, что используемые технологии биоокисления сульфидных золотосодержащих концентратов, принадлежащие разным компаниям, имеют разные названия, они работают по схожим принципам [4-6]. В цепи реакторов перерабатываются золотосодержащие сульфидные концентраты крупностью 44-75 мкм. Плотность пульпы составляет, как правило, 15-20%. За 120-150 часов биоокисления обеспечивается окисление 90-95% сульфидов. В результате удается достичь степени извлечения золота 80-95%. Биоокисление, как правило, ведется при 40-45°С. Микробные сообщества (или ассоциации), осуществляющие процессы кучного и чанового биоокисления сульфидных руд и концентратов, и закономерности их формирования активно изучаются [1, 15]. В реакторах биоокисления преобладают бактерии р. Sulfobacillus, L. ferriphilum, At. caldus и археи рр. Ferroplasma и Acidiplasma. Таким образом, в процессах чанового биоокисления формируются микробные сообщества, состоящие из серо- и железоокисляющих микроорганизмов способные к стабильному биоокислению сульфидных концентратов в проточном режиме. Показано, что состав микробных сообществ может изменяться при длительной эксплуатации реакторов. Например, было показано, что в пульпе реакторов фабрики Fairview произошло замещение доминирующих бактерий Leptospirillum ferriphilum и Acidithiobacillus сaldus на археи сем. Ferroplasmaceae [16]. Нужно отметить, что имеющиеся на данный момент сведения о микробном разнообразии в процессах биоокисления не позволяют говорить о какой-либо очевидной корреляции между эффективностью процесса и составом микробных сообществ, а значит и предложить очевидные методы повышения эффективности биогидрометалургических технологий, основанные на регуляции состава микробных культур. Однако данная ситуация может измениться с накоплением данных, полученных с помощью современных молекулярно-биологических методов, которые позволяют оперативно получать сведения об изменениях состава микробных популяций, которые приводят к изменению эффективности процесса биоокисления [16, 17]. Понимание связей между составом микробных популяций и эффективностью биогидрометаллургических процессов позволит разработать практические подходы, позволяющие управлять эффективностью процесса, базируясь, в том числе, на теоретических моделях, а не только на эмпирических закономерностях, что приведет, по сути, к созданию биогидрометаллургических технологий нового поколения.ЦИТИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ1. Кондратьева Т.Ф., Булаев А.Г., Муравьев М.И. Микроорганизмы в биогеотехнологиях переработки сульфидных руд. М.: Наука, 2015 год. 212 с.2. Johnson D.B. Biomining – biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials // Current Opinion in Biotechnology. 2014. V. 30. P. 24–31.3. Rawlings D.E. Heavy metal mining using microbes // Annual Review of Microbiology. 2002. V. 56. P. 65–91.4. Совмен В.К., Гуськов В.Н., Белый А.В., Кузина З.П., Дроздов С.В., Савушкина С.И., Майоров А.М., Закревский М.П. Переработка золотоносных руд с применением бактериального окисления в условиях Крайнего Севера. Н.: Наука, 2007. 144 с.5. http://biomin.co.za/6. van Aswegen P.C., van Niekerk J., Olivier W. The BIOXΤΜ process for the treatment of refractory gold concentrate // Biomining. Berlin-Heidelberg: Springer Verlag, 2007. P. 1–35.7. Gentina J.C., Acevedo F. Application of bioleaching to copper mining in Chile // Electronic Journal of Biotechnology. 2013. V. 16. Is. 3. DOI: 10.2225/vol16-issue3-fulltext-128. Gericke M., Neale J.W., van Staden P.J. A Mintek perspective of the past 25 years in minerals bioleaching. J. S.Afr. Inst. Min. Metall., 109 (2009) 567–585.9. Каравайко Г.И., Седельникова Г.В., Аслануков Р.Я., Савари Е.Е., Панин В.В., Адамов Э.В., Кондратьева Т.Ф. Биогидрометаллургия золота и серебра // Цветные металлы. 2000. № 8. С. 20–26.10. Polyus Gold International Annual Report 2015// www.polyusgold.com11. Производство золота // www.ngmk.uz/ru/factory/zoloto12. Проект «Суздаль» // www.nordgold.com/ru/operations/production/suzdal/13. Morin D.H.R., d’Hugues P. Bioleaching of a cobalt-containing pyrite in stirred reactors: a case study from laboratory scale to industrial application // Biomining. Berlin-Heidelberg: Springer Verlag, 2007. P. 35–55.14. Gericke M. Base metal tank bioleaching: from laboratory test work to commercialization // Proceedings of the 2th International Biohydrometallurgy Symposium (IBS 2015). 2011. P. 9-12.15. Mahmoud A., Cezac P., Hoadley A.F.A., Contaminea F., D'Hugues P. A review of sulfide minerals microbially assisted leaching in stirredtank reactors // International Biodeterioration & Biodegradation. 2017. V. 119. P. 118-146.16. Smart M., Huddy R.J., Edward C.J., Fourie C., Shumba T., Iron J., Harrison S.T.L. Linking Microbial Community Dynamics in BIOX® Leaching Tanks to Process Conditions: Integrating Lab and Commercial Experience // Solid State Phenomena. 2017. V. 262. P. 38–42.17. Bulaev A., Belyi A., Panyushkina A., Solopova N., Pivovarova T. Microbial Population of Industrial Biooxidation Reactors // Solid State Phenomena. 2017. V. 262. P. 48–52.4.3.7.6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.Объектами исследования будут: 1. Консорциумы ацидофильных микроорганизмов, сформировавшиеся в процессах биоокисления сульфидных концентратов, а также геномы микроорганизмов, которые входят в их состав.2. Сульфидные концентраты цветных и благородных металлов: упорный пирит-арсенопиритный золотосодержащий концентрат, некондиционный медно-цинковый концентрат. Для определения зависимости эффективности биоокисления сульфидных концентратов в различных условиях будут проведены лабораторные испытания по биоокислению концетратов в лабораторных реакторов в различных условиях (температура, присутствие дополнительных источников углерода в среде (CO2, органические субстраты)), будет проведен анализ влияния различных факторов на окисление различных сульфидных минералов, содержащихся в концентратах. Испытания будут проведены с использованием имеющейся в ФИЦ Биотхнологии РАН установки для проведения реакторного биовыщелачивания сульфидных концентратов, которая снабжена компрессорами для аэрации, механическими верхнеприводными мешалками, ультратермостатами и оборудованием для подачи CO2, что позволяет проводить испытания по биовыщелачиванию минерального сырья в заданных условиях. Для определения эффективности биооксиления в разных условиях будут определяться как параметры жидкой фазы пульпы реакторов биоокисления (pH, Eh, концентрации ионов металлов), так и состав твердых продуктов биоокисления. При анализе состава твердых остатков биоокисления будет определяться содержание элементов, которые позволяют оценить степень биоокисления сульфидных минералов (содержание сульфидной, элементарной, сульфатной серы, сульфидного и оксидного железа и мышьяка, цветных металлов). Кроме того, будет проведен анализ минерального состава исследуемых концентратов и твердых продуктов биоокисления с помощью рентген-фазового анализа. Для определения влияния условий процесса биооксиления на извлечение из концентрата благордных металлов будет проведно извлечение золото и серебра из продуктов биоокисления и исходного концентрата с помощью сорбционного цианирования с использованием имеющегося в ФИЦ Биотхнологии РАН оборудования (бутылочный агитатор). Для определения степени извлечения благородных металлов из продуктов из концентрата и продуктов биоокисления будет определено их содержание в концентрате, продуктах биоокисления и сорбционного цианирования (кеках цианирования и сорбенте) с помощью пробирного анализа. Состав микробных консорциумов, которые будут формироваться в разных условиях при биоокислении концентратов будет определен с помощью высокопроизводительного секвенирвоания вариабельных фрагментов генов 16S рРНК, что позволит установить доминирующие в разных условиях виды микроорганизмов. С помощью метагеномного анализа будут расшифрованы геномы основных микроорганизмов-членов консорциума, что позволит определить возможности их метаболизма, функциональные взаимосвязи между ними, выявить группы микроорганизмов, осуществляющие целевые процессы. На основе полученных результатов будут разработаны методы управления микробными консорциумами для направленного обогащения их целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их роста, путем изменения условий проведения процесса и/или внесения специфических субстратов. Эффективность разработанных подходов повышения эффективности биогидро-металлургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов, осуществляющих биоокисление сульфидных минералов будет определена путем проведения лабораторных испытаний в условиях, подобранных с учетом данных полученных при анализе геномов микроорганизмов консорциумов, осуществляющих процессы биовыщелачивания.В первый год выполнения проекта планируется:1. Проведение лабораторных испытаний по реакторному биоокислению упорного пиритно-арсенопиритного золотосодержащего концентрата в различных условиях (температура, влияние источников углерода CO2, органический субстрат).2. Анализ состава микробных консорциумов, которые сформировались в разных условиях, расшифровка геномов основных микроорганизмов-членов консорциума в результате секвенирования метагенома.Во второй год выполнения проекта планируется: 1. Проведение лабораторных испытаний по реакторному некондиционного медно-цинкового концентрата в различных условиях (температура, влияние источников углерода CO2, органический субстрат).2. Анализ состава микробных консорциумов, которые сформировались в разных условиях, расшифровка геномов основных микроорганизмов-членов консорциума в результате секвенирования метагенома.3. Разработка подходов по повышению эффективности процессов биоокисления сульфидных концентратов путем использования методов направленной инженерии микробных консорциумов.В третий год выполнения проекта планируется:1. Проведение лабораторных испытаний по реакторному биоокислению исследуемых концентратов для определения возможности повышения эффективности биогидрометаллургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов.4.3.7.7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту (в данном пункте заполняется текстовое описание задела, а размещение прочей подтверждающей информации описано в п. 4.3.19).Коллектив ФИЦ Биотехнологии РАН принимал участие в разработке биогеотехнологий получения цветных металлов и благородных металлов из сульфидных руд и концентратов. Разработан новый способ для интенсификации выщелачивания золотосодержащих сульфидных концентратов. У коллектива имеется большой опыт по изучению сообществ ацидофильных микроорганизмов с помощью выделения чистых культур и молекулярно-биологическими методами, а также по изучению физиолого-биохимических характеристик выделенных штаммов. Проведены исследования по влиянию источника углерода на эффективность окисления золотосодержащих концентратов при разных температурах. На основе отдельных штаммов ацидофильных микроорганизмов разработаны биогидрометаллургические технологии извлечения цветных и благородных металлов из сульфидных руд и концентратов. Ранее коллективом были определены нуклеотидные последовательности геномов более 50 микроорганизмов, в том числе биотехнологически-значимых, на основе геномных и микробиологических данных проанализированы пути метаболизма этих микроорганизмов и их возможная экологическая роль в природных местообитаниях. Коллектив входит в число лидеров в России в области проведения метагеномного анализа микробных сообществ методами высокопроизводительной геномики. проведены метагеномные исследования микробных сообществ термальных источников Камчатки, мест залегания гидратов метана и естественных выходов нефти на дне озера Байкал, районов многолетнего подземного горения угля, подземных термальных вод, кислых шахтных вод, образующихся в районах добычи руд цветных металлов. На основе результатов метагенмоного анализа микробного консорциума, осуществляющего удаление аммония из сточных вод с помощью анаммокс процесса, разработаны методы управления этим консорциумом, позволившие повысить эффективность процесса.4.3.7.8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.1. Проведение лабораторных испытаний по реакторному биоокислению упорного пиритно-арсенопиритного золотосодержащего концентрата в различных условиях (температура, влияние источников углерода CO2, органический субстрат):1.1 для проведения испытаний будет нарощен инокулят с использованием биомассы микробного консорциума, который сформировался в процессе биооксиелния схожего по минеральному составу концентрата;1.2 будут проведены испытания по реакторному биоокислению пиритно-арсенопиритного золотосодержащего концентрата в различных условиях:для этого несколько реакторов будут параллельно инокулированы с использованием нарощенной биомассы микроорганизмов таким образом, чтобы обеспечить одинаковую начальную численность микроорганизмов в разных реакторов, затем будет проведен процесс адаптации инокулята к условиям биоокисления концентрата;после адаптации будет начат процесс биоокисления параллельно в непрерывном режиме в разных условиях (при температурах 40-55°C, с внеснием в среду разных источников углерода - CO2, органических субстратов), что позволит оценить влияние разных условий процесса на эффективность биоокисления;при проведении процессов в непрерывных условиях будет производиться отбор проб жидкой фазы для оценки активности биоокисления, а также для сбора биомассы для последующего молекулярно-биологического анализа состава микробных консорциумов;при проведении процесса биоокисления в проточном режиме будут отбираться пробы твердой фазы и накоплено достаточное количество твердых продуктов биоокисления (биокеков) для дальшейшего извлечения золота и серебра сорбционным цианированием, а также для проведения их химического и минералогического анализа;будет проведено сорбционное цианирование для извлечения золота и серебра из концентрата и биокеков, полученных в разных условиях, проведен пробирный аналииз для определения содержания золота и серебра в концентрате, продуктах биоокисления и сорбционного цианирования (кеках цианирования и сорбенте) и рассчитана степень извлечения благородных металлов из продуктов биоокисления, полученных в разных условиях. 1.3 Будет проведен молекулярно-биологический анализ микробных консорциумов. С помощью метагеномных подходов будут расшифрованы геномы основных членов консорциума, на основе геномных данных будут охарактеризованы возможности их метаболизма.из отобранных проб жидкой фазы пульпы будет собрана биомасса микроорганизмов для последующего выделения метагеномной ДНК;Будет определен таксономический состав микроорганизмов входящих в микробные консорциумы выращенные в разных условиях. Для каждого образца метагеномной ДНК с помощью универсальных праймеров будут амплифицированы вариабельные фрагменты генов 16S рРНК, которые будут прочитаны с помощью высокопроизводительного секвенирования, и затем проанализрованы с помощью биоинформационных подходов.;Будет проведено секвенирование метагенома микробного консорциума, осуществляющего наиболее эффективное окисление пиритно-арсенопиритного золотосодержащего концентрата. На оснвое меткагеномных данных будут собраны геномы основных микроорганизмов-членов консорциума, что позволит охарактеризованы возможности их метаболизма 4.3.7.9. Ожидаемые научные и (или) научно-технические результаты (без перечисления указанных в п.п. 4.3.10, 4.3.12, 4.3.13) и их научная значимость (например, оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований, возможность практического использования запланированных результатов).Будет исследован состав микробных консорциумов осуществляющих процессы биооксисления сульфидных концентратов в разных условиях, определены кореляции между условиями проведения процесса (температура, дополнительный источник углерода) и составом консорциумов, будут расшифрованы геномы основных микроорганизмов-членов консорциумов, на основе геномных данных будут охарактеризованы возможности их метаболизма, функциональные взаимосвязи между ними, выявлены наиболее важные группы микроорганизмов, осуществляющие целевые процессы. На основе этих данных будут разработаны методы управления микробными консорциумами для направленного обогащения их целевыми функциональными группами микроорганизмов и стимуляции их роста, путем изменения условий проведения процесса и/или внесения специфических субстратов. Это позовлит разработать и исследовать на лабораторном уровне способы повышения эффективности биогидрометаллургических процессов извлечения цветных и благородных металлов с использованием модифицированных микробных консорциумов, осуществляющих биоокисление сульфидных минералов, а эффективность данных методов будет верифицировано с помощью проведения лабораторных испытаний.Полученные результаты будут обладать достаточно высоким значением для развития биогидрометаллургии и иметь как естественно-научную, так и практическую значимость. Так как на данный момент методы управления микробными консорциумами, осуществляющими процессы биоокисления сульфидных концентратов, не разработаны, то результаты работы будут обладать научной новизной и соотвествовать уровню развития биогидрометаллургических технологий.4.3.7.10. Планируемый объем дополнительно привлеченных средств из внешних по отношению к СПбГУ источников за весь период выполнения проекта.6 000 000
Короткий заголовокGZ-2020
АкронимМ1_2020 - 1
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания22/06/2031/12/20

Ключевые слова

  • Метагеном
  • микробное сообщество
  • биогетехнология
  • биовыщелачивание