Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФИДОВ КОБАЛЬТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШТАММА БАКТЕРИИ DESULFOVIBRIO SP.

Изобретение относится к способу получения сульфидов кобальта с использованием сульфатредуцирующих бактерий (СРВ).

Предложенный способ можно использовать для получения чистых сульфидов кобальта из сточных вод, содержащих ионы металлов, включая кобальт, и жидких отходов добывающих и перерабатывающих металлургических предприятий. При применении предложенного способа возможно избирательное осаждение кобальта в виде сульфидов.

Сульфид кобальта CoS встречается в природе в виде минерала джайпурита, представляющего собой черные (или серо-стальные) гексагональные кристаллы. Применяют как реагент для получения катализатора гидрирования и изомеризации. Сульфиды кобальта находят широкое применение из-за их каталитических, электрических и магнитных свойств.

Сульфиды кобальта получают взаимодействием элементов при нагревании, нагреванием серы с СоО, восстановлением CoSO₄ оксидом углерода(II) или водородом, углем, серой. Известен способ осаждения кобальта из сульфатных растворов в виде сульфидов (RU 2328537). Способ включает введение серосодержащего реагента в раствор и нагрев при температуре 130-170°С.

При другом способе осаждение сульфида кобальта из продуктивных растворов сернокислотного выщелачивания при атмосферном давлении включает варьирование pH и добавление сульфидсодержащего компонента (RU 2281978). При этом до осаждения сульфидов никеля и кобальта проводят предварительную нейтрализацию пульпы и восстановление Fe(III) до Fe(II) с одновременным осаждением примесей в виде сульфидов с последующей дополнительной нейтрализацией и фильтрованием осадка.

Недостатками химических способов получения сульфидов кобальта является большая энергозатратность производства, необходимость использования специального, дорогостоящего оборудования, а также следует учитывать и вред, наносимый окружающей среде химическим производством.

Известно об использовании сульфатредуцирующих бактерий для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Биогенный сероводород в процессе биохимической очистки связывает ионы тяжелых металлов в нерастворимые сульфиды. В 1950 году Миллер Е.Дж. и Харрисон Дж.С. опубликовали в «Nature» статью об образовании сульфидов металлов, в том числе и кобальта, при использовании сульфатредуцирующих бактерий рода Desulfovibrio. Образование сульфида кобальта происходит при нейтральных значениях среды.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ получения нанокристаллических сульфидов кобальта сульфатредуцирующими бактериями Desulfosporosinus auripigmenti (Sitte J. et al. Geomicrobiology Journal (2013) 30, 36-47). В эксперименте по способу-прототипу получали сульфид кобальта пентландит (Co₉S₈) из 5 тМ (295 мг/л) и 10 тМ (589 мг/л) растворов CoCl₂ в течение 5 недель при pH 6,2.

Недостатком данного способа является длительный срок образования сульфидов кобальта и невозможность его осуществления при более кислых условиях среды, что существенно ограничивает его использование в биотехнологиях.

Задачей изобретения является разработка способа получения сульфидов кобальта, не содержащих примеси других сульфидов металлов, из растворов с высоким содержанием ионов кобальта (до 2000 мг/л) при повышенной кислотности среды.

Поставленная задача решается путем внесения сульфатредуцирующих бактерий Desulfovibrio sp. ED-20 в синтетическую среду, моделирующую сточные воды, содержащую металлы, с добавлением питательных веществ, включающих в себя растворы витаминов, солей, кофакторов, лактата, сульфида натрия с последующим культивированием в термостате и высушиванием. В отличие от прототипа, используются вновь полученный высокоустойчивый к ионам кобальта штамм бактерий Desulfovibrio sp. ED-20, культивирование проводят при температуре 28°С в течение 10 суток. При этом образуется 2 вида сульфидов кобальта: CoS, джайпурит и Co₉S₈, кобальтпентландит. Осадок, содержащий кристаллы сульфидов кобальта, собирают со дна емкости и высушивают.

Сущность изобретения поясняется фиг.1.

На фиг. 1 представлена дифрактограмма осадков, образованных чистой культурой Desulfovibrio sp. ED-20 в присутствии ионов кобальта в концентрации 200 мг/л в течение 10 суток. Обозначения на дифрактограмме: Jp - CoS, джайпурит (Jaipurite), Со - Co9S8, кобальтпентландит (Cobaltpentlandite).

Культивирование проводят в синтетической среде (таблица 1) с внесением питательных веществ, стимулирующих рост бактерий. В синтетическую среду перед посевом культуры бактерий вносятся питательные вещества и двухвалентный кобальт. Состав питательных веществ и последовательность их внесения указаны в таблице 2. Все питательные вещества, кроме витаминов, автоклавируют при 1 атм 30 мин. Витамины стерилизуют фильтрованием с помощью бактериального фильтра (0,20 мкм).

Посев проводят в стерильные емкости, объем инокулята (культуры СРВ) в количестве 10% от объема емкости. Емкости с инокулятом и внесенными питательными веществами заполняют до верха. Кислотность среды доводят раствором H₂SO₄ до рН 5,5. Емкости закрывают алюминиевыми колпачками, запечатывают и помещают в термостат при температуре 28°C. Образование кристаллов сульфидов кобальта происходит на дне емкости. После культивирования осадок собирают со дна и высушивают на воздухе.

Штамм Desulfovibrio sp. ED-20 депонирован Всероссийской коллекцией микроорганизмов (ВКМ) Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (ИБФМ) под регистрационным номером ВКМ B-3048D. Анализ нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК штамма ED-20 показал, что предлагаемый новый штамм принадлежит к роду Desulfovibrio.

Используемый штамм Desulfovibrio sp.ED-20 не известен в науке и технике, поэтому свойства, которые он проявляет, являются новыми.

Полученный штамм характеризуется следующими признаками.

Культурально-морфологические признаки патентуемого штамма определяют при его культивировании на стандартной пресноводной среде Видделя (Widdel, Bak, 1992). Температура культивирования штамма составляет +28°С. Выращивание проводят в течение 3-4 суток без ионов металлов, 8-10 суток с добавлением ионов металлов в концентрации 200 мг/л и более.

Родовое и видовое название штамма - штамм бактерий Desulfovibrio sp. ED-20.

Происхождение - выделен из слоистых матов с деревянной конструкцией, затопленной водой на выходе из штольни, Акатуйское месторождение полиметаллических руд (Забайкальский край).

Морфологическая характеристика - форма клеток - вибрион, размером 2,3×0,6 мкм.

Спорообразование - нет.

Реакция по Граму - отрицательная.

Подвижность клеток - подвижные.

Физиологическая характеристика - отношение к кислороду анаэробные.

В качестве субстрата для роста используют лактат. Лактат метаболизируют по пути неполного окисления с образованием ацетата. Штамм устойчив к ионам кобальта (до 2000 мг). Штамм способен к росту при значениях pH от 3,35 до 8,4. Оптимальный pH среды 4,5-5,5.

Условия культивирования - пресноводная среда Видделя.

Условия хранения - сохраняется путем пересевов на среде культивирования или лиофилизированным.

Пример осуществления изобретения в лабораторных условиях приведен ниже.

Пример 1.

Чистую культуру СРВ Desulfovibrio sp. ED-20 ВКМ B-3048D культивировали на синтетической среде, содержащей ионы кобальта в концентрации 200 мг/л.

Посев проводили в стерильном ламинарном шкафу, который перед этим дезинфицировали ультрафиолетом 30 минут. Перед посевом синтетическую среду (таблица 1) доводили до кипения и затем быстро охлаждали под струей холодной воды для удаления растворенного кислорода. В охлажденную до комнатной температуры среду вносили питательные вещества (таблица 2) (в расчете на 1 л) в следующей последовательности: витамины (2 мл), раствор солей (10 мл), раствор кофакторов (1 мл), органический субстрат - лактат (1,6 мл), H₂SO₄ (при внесении pH доводится до 5,5), H₂S (2 мл). Перед внесением сероводорода добавляли маточный раствор кобальта в количестве 4 мл на 1 литр синтетической среды.

Во флаконы на 120 мл вносили около 50 мл синтетической среды с внесенными в нее добавками и 10 мл инокулята (культуры бактерий), после чего доливали средой до верха. Резиновые пробки притирали к краям флаконов с помощью стерильной иглы, что уменьшало вероятность проникновения кислорода воздуха. В конце посева флаконы закрывали алюминиевыми колпачками, запечатывали флакон закаточной машинкой и помещали термостат при температуре 28°С.

На среде с ионами кобальта в концентрации 200 мг/л за 10 суток в среде кобальт осаждается в виде сульфида. Образованный осадок собирали со дна флакона и высушивали на воздухе. Масса образовавшегося осадка - 0,28 г.

Кристаллическую фазу осадков определяли методом рентгенофазового анализа на дифрактометре Shimadzu XRD 6000. Было показано образование сульфидов кобальта джайпурита CoS и кобальтпентландита Co₉S₈ в течение 10 суток (фиг. 1). В контрольных осадках, полученных при инкубировании без добавления инокулята, кристаллической фазы не наблюдали, основными элементами были кобальт и кислород.

Заявленный способ пригоден для получения сульфида кобальта с использованием в качестве синтетической среды сточных вод и жидких отходов добывающих и перерабатывающих металлургических предприятий.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности быстрой биохимической очистки высококонцентрированных сточных вод с образованием сульфидов кобальта при кислых условиях среды.