Кинетические модели окисления двухвалентного железа ацидофильными хемолитотрофными микроорганизмами (обзор)

Исследования в области биогеотехнологии металлов ведутся уже в течение нескольких десятков лет. Несмотря на большой объем полученной информации, внимание исследователей уделяется интенсификации химико-технологических процессов, созданию высокопроизводительных аппаратных конструкций и повышению качества существующих производств. Для этого используется, в том числе метод математического моделирования. Многообразие химических, биологических, электрохимических, эксплуатационных различий и нелинейный процесс извлечения металлов в биовыщелачивающей среде осложняет моделирование подобных систем. Окисление двухвалентного железа ацидофильными хемолитотрофными микроорганизмами — важная реакция в бактериально-химическом выщелачивании сульфидных руд. В статье представлены краткие результаты обзора существующих математических моделей, описывающих кинетику данной реакции и удельную скорость роста биомассы. Уравнения учитывают влияние таких факторов, как двухвалентное железо, клетки бактерий, температура, рН, газовый состав, тип биореактора, а также ингибирующее действие трехвалентного железа и прочих металлов (цинк, никель). Показано, что большинство из существующих моделей основывается на кинетике ферментативных реакций и представлено в виде модификаций уравнений Михаэлиса-Ментен и Моно. Несмотря на обилие исследований, касающихся данной тематики, до сих пор не существует комплексной модели, учитывающей все нюансы окисления.

Хайнасова Т. С. Кинетические модели окисления двухвалентного железа ацидофильными хемолитотрофными микроорганизмами (обзор) // Горный информационноаналитический бюллетень. – 2019. – № 12. – С. 191–204. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0191-204.

Хайнасова Татьяна Сергеевна — канд. биол. наук,
старший научный сотрудник, e-mail: khainasova@yandex.ru,
Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН.

Хайнасова Татьяна Сергеевна, e-mail: khainasova@yandex.ru

1. Watling H. R. Review of biohydrometallurgical metals extraction from polymetallic mineral resources. Minerals. 2015;(5)1:1—60. DOI: 10.3390/min5010001.
2. Rawlings D. E., Johnson D. B. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia. Microbiology. 2007;153:315—324. DOI: 10.1099/mic.0.2006/001206-0.
3. Olson G. J., Brierley J. A., Brierley C. L. Bioleaching review part B: progress in bioleaching: applications of microbial processes by the minerals industries. Applied Microbiology and Biotechnology. 2003;63:249—257. DOI 10.1007/s00253-003-1404-6.
4. Johnson D. B. Minireview. Biodiversity and ecology of acidophilic microorganisms. FEMS Microbiology and Ecology. 1998;27:307—317. DOI: 10.1111/j.1574-6941.1998.tb00547.x.
5. Watling H. R. The bioleaching of nickel-copper sulfides. Hydrometallurgy. 2008;91:70—88. DOI: 10.1016/j.hydromet.2007.11.012.
6. Casas J. M., Martinez J., Moreno L., Vargas T. Bioleaching model of a copper-sulfide ore bed in heap and dump configurations. Metallurgical and Materials Transactions B. 1998;29B: 899—909.
7. Botane P., Brochot S., D'Hugues P., Spolaore P. Material size distribution in concurrent bioleaching and precipitation: Experimental procedure and modeling. Hydrometallurgy. 2013;133:7—14. DOI: 10.1016/j.hydromet.2012.11.008.
8. Ahmadi A., Ranjbar M., Schaffie M., Petersen J. Kinetic modeling of bioleaching of copper sulfide concentrates in conventional and electrochemically controlled systems. Hydrometallurgy. 2012;127—128:16—23. DOI: 10.1016/j.hydromet.2012.06.010.
9. Petersen J. Modelling of bioleach processes: Connection between science and engineering. Hydrometallurgy. 2010;104:404—409. DOI: 10.1016/j.hydromet.2010.02.023.
10. Ahmadi A., Hosseini M. R. A fuzzy logic model to predict the bioleaching efficiency of copper concentrates in stirred tank reactors. International Journal of Nonferrous Metallurgy. 2015;4:1—8. DOI: 10.4236/ijnm.2015.41001.
11. Schippers A., Sand W. Bacterial leaching of metal sulfides proceeds by two indirect mechanisms via thiosulfate or via polysulfides and sulfur. Applied and Environmental Microbiology.
1999;65(1):319—321.
12. Rittman B. E., McCarty P. L. Environmental Biotechnology: Principles and Applications. McGraw-Hill, 2001. 754 p.
13. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. — М.: Дрофа, 2008. — 638 с.
14. Моделирование микробных популяций. Лекция 11. [Электронный ресурс]. URL: http://www.library.biophys.msu.ru/LectMB/lect11.htm (дата обращения: 16.09.2019).
15. Nurmi P., Ozkaya B., Kaksonen A. H., Tuovinen O. H., Puhakka J. A. Inhibition kinetics of iron oxidation by Leptospirillum ferriphilum in the presence of ferric, nickel and zinc ions. Hydrometallurgy. 2009;97:137—145. DOI: 10.1016/j.hydromet.2009.02.003.
16. Nurmi P. Oxidation and control of iron in bioleaching solutions. Thesis for the degree of Doctor of Technology, 2009. p. 83.
17. Kumar S. R., Gandhi K. S. Modelling of Fe2+ oxidation by Thiobacillus ferrooxidans. Applied Microbiology and Biotechnology. 1990;33:524—528.
18. Haddadin J., Dagot C., Fick M. Models of bacterial leaching. Reviews. Enzyme and Microbial Technology. 1995;17:290—305.
19. Lacey D. T., Lawson F. Kinetics of the liquid-phase oxidation of acid ferrous sulfate by the bacterium Thiobacillus ferrooxidans. Biotechnology and Bioengineering. 1970;12:29—50. DOI: 10.1002/bit.260120104.
20. Ojumu T. V., Petersen J., Searby G. E., Hansford G. S. A review of rate equations proposed for microbial ferrous-iron oxidation with a view to application to heap bioleaching. Hydrometallurgy. 2006;83(1):21—28. DOI: 10.1016/j.hydromet.2006.03.033.
21. Meruane G., Salhe C., Wiertz J., Vargas T. Novel electrochemical-enzymatic model which quantifies the effect of the solution Eh on the kinetics of ferrous iron oxidation with Acidithiobacillus ferrooxidans. Biotechnology and Bioengineering. 2002;80(3):280—288. DOI: 10.1002/bit.10371.
22. Lizama H. M., Suzuki I. Synergistic competitive inhibition of ferrous iron oxidation by Thiobacillus ferrooxidans by increasing concentrations of ferric iron and cells. Applied and Environmental Microbiology. 1989;55(10):2588—2591.
23. Jensen A. B., Webb C. Ferrous sulphate oxidation using Thiobacillus ferrooxidans: a review. Process Biochemistry. 1995;30(3):225—236.
24. Nemati M., Harrison S. T. L., Hansford G. S., Webb C. Review. Biological oxidation of ferrous sulphate by Thiobacillus ferrooxidans: a review on the kinetic aspects. Biochemical Engineering Journal. 1998;1:171—190.
25. Karamanev D., Nikolov L. A comparison between the reaction rates and free suspended cells bioreactors. Bioprocess Engineering. 1991;6:127—130.
26. Gomez J. M., Caro I., Cantero D. Kinetic equation for growth of Thiobacillus ferrooxidans in submerged culture over aqueous ferrous sulphate solutions. Journal of Biotechnology. 1996;48:147—152.
27. Das T., Chaudhury G. R., Ayyappan S. Use of Thiobacillus ferrooxidans for iron oxidation and precipitation. BioMetals. 1998;11:125—129.
28. Nemati M., Webb C. Inhibition effect of ferric iron on the kinetics of ferrous iron. Biotechnology Letters. 1998;20(9):873—877.
29. Boon M., Ras С., Heijnen J. J. The ferrous iron oxidation kinetics of Thiobacillus ferrooxidans in batch cultures. Applied Microbiology and Biotechnology. 1999;51:813—819.
30. Meruane G., Salhe C., Wiertz J., Vargas T. Novel electrochemical—enzymatic model which quantifies the effect of the solution Eh on the kinetics of ferrous iron oxidation with Acidithio204 bacillus ferrooxidans. Biotechnology and Bioengineering, 2002;80:280—288. DOI: 10.1002/bit.10371.
31. Penev K., Karamanev D. Batch kinetics of ferrous iron oxidation by Leptospirillum ferriphilum at moderate to high total iron concentration. Biochemical Engineering Journal, 2010;50:54—62. doi:10.1016/j.bej.2010.03.004.
32. Nurmi P., Özkaya B., Kaksonen A. H., Tuovinen O. H., Puhakka J. A. Inhibition kinetics of iron oxidation by Leptospirillum ferriphilum in the presence of ferric, nickel and zinc ions. Hydrometallurgy, 2009;97:137—145. doi:10.1016/j.hydromet.2009.02.003.