1-Маъруза кириш. Фойдали қазилмаларнинг биотехнологияси ҳАҚида

8- Маъруза
Бактериал оксидлаш ва танлаб эритишнинг назарий асослари

Бактерияларни сульфидли минераллар билан ўз-аро таъсирлашувини ўрганиш, бактериал танлаб эритиш назариясида асосий масаладир. Ўз-аро таъсирлашувларни ўрганиш, нафақат жараённинг механизмини тушуниш учун, балки бактериал оксидлаш ва танлаб эритиш жараёнларида кечадиган реакцияларни жадаллаштириш ва уларни бошқаришда катта аҳамиятга эга.

Ҳозирги кунда A.ferrooxidans микрожонзотлар билан сульфидли минералларни оксидлаш ва танлаб эритиш жараёнлари куйидаги механизмларада бориши қабул қилинган:
1. Микрожонзотлар иштироқида сульфидли минералларнинг оксидланиши ва танлаб эритилиши, бактериялар томонидан икки валентли темир сульфати оксидалиниши натижасида ҳосил бўлган маҳсулотлар ва сульфидли олтингугуртни оксидланишида ҳосил бўлган сульфат кислота билан олиб борилади. Масалан, пирит минералининг бактериал оксидланиш реакцияларини куйидагича ифодалаш мумкин:
FeS₂ + 7Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O  15FeSO₄ + 8H₂O (8.1)
FeS₂ +Fe₂(SO₄)₃  3FeSO₄ + 2S⁰, (8.2)
(8.1) ва (8.2) реакцияларнинг кечиши натижасида ҳосил бўлган икки валентли темир сульфати ва элементар олтингугурт сўнгра бактериялар ёрдамида уч валентли темир сульфатигача ва сульфат кислотагача оксиланади:
4FeSO₄ + O₂ + 2H₂SO₄ Fe₂(SO₄)₃ (8.3)
2S⁰ + 3O₂ + 2H₂O 2H₂SO₄. (8.4)
Келтирилган реакциялардан кўриниб турубдики икки валентли темир сульфати ва элементар олтингуртни оксидланиши натижасида сульфидли минералларнинг оксидловчилари – уч валентли темир сульфати ва сульфат кислота ҳосил бўлади.
2. Юқорида келтирилган реакциялардан ташқари сульфидли минералларни бактериал оксидлаш ва танлаб эритишда, минераллар юзасига хужайраларнинг ферментатив тизими таъсир этади. Бундай таъсир тўғри бактериал оксидлани механизми ёки “тўғри” механизм дейилади. Бу механизм бўйича минераллар, уларнинг кристаллик панжарасига микрожанзотлар томонидан тўғридан-тўғри таъсир этиш натижасида оксидланади.
Сульфидли минералларни бактериялар ёрдамида оксидлаш ва танлаб эритиш жараёнларида “тўғри” механизм асосий ҳисобланади, икки валентли темир сульфатини ва элемнтар олтингугуртни оксидлашнинг биокимёвий реакциялари эса ёрдамчи вазифани бажаради деб ҳисобланади.

Аммо сульфидли минералларни оксидлашда ҳар иккала механизмларнинг қисмини аниқлаш қийин. Микрожанзотлар иштироқида ноорганик фазани ўзгариши тўғридан-тўғри минерал юзасида бўладими ёки бўтананинг суюқ фазасида бўладими бир ҳил табиатга эга бўлганлигини ҳисобга олиш керак. Шу сабабли, минералларни бактериал оксидлаш ва танлаб эритиш жараёнларини шартли равишда куйидаги ўз-аро таъсирлашув кўринишда тассавур қилса бўлади:

-минерал юзасида хужайра ва уларнинг метаболитларини тўғридан-тўғри кристаллик панжара элементлари билан таъсирлашуви;
-хужайра ва уларнинг метаболитларини кристаллик панжара элементлари билан бўтананинг суюқ фазасида таъсирлашуви.
А.ferrooxodans бактерияларнинг сульфидли минералларнинг юзаси билан ўз-аро таъсирлашувининг биринчи босқичи, бу юзага микрожанзотларнинг жойлашиб олишидир (ўтириши), бундан сўнг сульфид минералларнинг кимёвий ўзгариши бошланади. Адабиётлардан аниққи, микрожанзотлар турли юзаларга жойлашиб олиш хусусиятларига эга. Уларнинг адгезияси мусбат ва манфий зарядланган, гидрофил ва гидрофоб юзаларга амалга оширилиши мумкин. Минералл юзасига микрожанзотларни жойлашиб олиши (ўтириши) генетик программалаштирилган бўлиб жуда мураккаб жараёндир. Хужайраларни минерал юзасига адгезиясида турли ўз-аро таъсирлашувлар кузатилиши мумкин, масалан, хужайралар капсулаларининг шилимшиқлиги ҳисобига ва электростатик кучлар ҳисобига ёпишиши мумкин. Аммо бактерияларни сульфид минераллар юзасида мавжудлиги, уларни бу юзани бактериал оксидлашида иштироқ этишидан гувоҳлик бермайди, чунки бактериялар уларга энергетик манба ҳисобланмаётган минералл юзасида ҳам ўтиришлари мумкин.
Микробиологик оксидлаш ва танлаб эритишда бактериялар нафақат минералл юзасида, балки бўтананинг суюқ фазасида ҳам мавжуд (“эркин сузувчи бактериялар”), ва улар бўтанада икки валентли темир сульфатини ва элементар олтингугуртни оксидлашади.
Қаттиқ ва суюқ фазада мавжуд бўлган бактерияларнинг оксидлаш фаоллигини аниқлаш, микрожанзотларни бу фазаларда бажарадиган вазифалар тўғрисида тушинча беради.
Олтин-марғимушли бойитмаларни бактериал танлаб эритишда, суюқ фазада мавжуд бўлган микрожанзотлар (“эркин сузувчи”), бўтана томонидан қабул қилинган кислороднинг фақат 1% ни қабул қилади. Суюқ фазада бактерияларнинг миқдори 10⁸ - 10⁹ кл/мл ни ташкил этади. Бу бактериялар учун энергия (озиқа) манбаи ҳисобланувчи икки валентли темирнинг миқдори, умумий темирнинг миқдоридан фақат 5 % ни ташкил этганлиги билан тушунтирилади, уч валентли темирнинг миқдори эса суюқ фазада 10-15 г/л ни ташкил этади. Шу сабабдан, бўтананинг суюқ фазаси томонидан кислородни қабул қилиниши бактериялар томонидан икки валентли темирни оксидланиши билан боғлиқ. Икки валентли темир эса эритмага сульфид минералла юзасига уч валентли темир сульфати таъсир этганда ўтади.

Бактериал танлаб эритиш жараёнида деярли тўлиқ қабул қилинадиган кислород (95%), сульфид минераллар юзасида ўтирган хужайралар томонидан юзани оксидлашда сарфланади.

Олтин-марғимушли бойитмаларни бактериал танлаб эритишда бўтананинг қаттиқ фазасида таҳминан 70-80% хужайралар жойлашади, қолган 20-30% хужайралар эс эркин ҳолатда бўтананинг суюқ фазасида “сузади”. Танлаб эритиладиган бойитманинг таҳминан 15-16% юзаси хужайралар томонидан эгалланади. Узлуксиз танлаб эритиш жараёнида қаттиқ юзада бактерияларнинг мувозантлашган концентрациясига таҳминан 20 дақиқада эришилади.
Бактериал танлаб эритиш ва оксидлаш механизмини ўрганиш учун асосий термодинамик қонуниятлар қўлланилади. Шуниндек системаларнинг термодинамик турғун ҳолатларини ўрганиш учун Пурбэ (-pH) диаграммаларидан фойдланилади.
Бактериал танлаб эритиш шароитларида пирит, арсенопирит ва пирротин минералларнинг термодинамик ҳолатларининг таҳлили, шуни кўрсатдики, бактериал танлаб эритишда микрожанзотлар, сульфидли минералларнинг кристаллик панжарасидаги элементларни, ўзларининг ферменталарининг биокаталитик хусусиятлари ҳисобига оксидлайди.
Арсенопиритни бактериал танлаб эритишда эритмада ва чўкмада уч валентли темир сульфати тўпланади. Уч валетли темир концентрациясининг ошиши арсенопиритни оксидланишида ҳосил бўлган икки валентли темир сульфатини бактериялар ёрдамида оксидланиши билан тушунтирилади.

2Fe₂SO₄ + H₂O + 0,5O₂Fe₂(SO₄)₃ + H₂O (8.5)

Арсенопиритни бактериал танлаб эритишда муҳитнинг нордонлиги, темирни сульфат кислота эритмаларидан гидроксид кўринишида чўктиришнинг рН дан паст, шу сабабдан маълум концентрацияга етганда уч валентли темир гидролизланиб гидроксид ҳолатга ўтиб чўкмага тушади ва бунинг натижасида муҳитнинг нордонлиги ошади.
Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O 2Fe₂(OH)₃ + 3H₂SO₄ (8.6)
Уч валентли темир эритмадаги марғимуш билан темир арсенатини ҳосил қилиши мумкин, бу бирикма ҳам чўкмага тушади. Ҳосил бўлган чўкмада темир асосан уч валентли кўринишда учрайди. Масалан, тоза арсенопиритни бактериал танлаб эритишда чўкмадаги темирнинг миқдори эритмада ва чўкмадаги умумий темир миқдорининг 50% дан ошади.
Эритмадаги икки валентли темирнинг миқдори эса бактерияларнинг зичлигига (миқдорига) ва уларнинг фаоллигига боғлиқдир. Масалан, бактерияларнинг миқдори 2,5 г/л ва уларнинг фаоллиги 3 - 4 г/лч бўлганда икки валентли миқдори умумий темир миқдорининг 2-10% дан ошмайди.

Арсенопиритни бактериал танлаб эритишда марғимуш эритмага ва чўкмага уч ва беш валентли кўринишда ўтади. Эритмада марғимуш асосан о-мышьяковой и о-мышьяковистой кислоталар кўринишида бўлади. Марғимушнинг чўкмадаги миқдори эритманинг рН га, эритмадаги марғимуш ва темирнинг концентрациясига ва валентлигага боғлиқ. Агар эритмада As³⁺ нинг As⁵⁺ нисбати 5:1 бўлса, бу ҳолда ч ўкмада бу нисбат 2,5:1 га бўлади, чўкмадаги темирнинг йиғинди миқдори ва марғимушнинг йиғинди миқдорининг нисбати 1,1:1 бўлса, эритмада бу нисбат 0,9:1 га тенг бўлади. Ўртача эритмада марғимушнинг 75% беш валетнли марғимуш кўринишида бўлади.

Микрожанзотларни сульфид минералларнинг юзаси билан ўз-аро таъсирлашганда сульфидларни оксидланишининг қаттиқ маҳсулотлари ҳосил бўлади – элементар олтингугурт ва икки валентли темир, сўнгра улар бактериялар билан минералл юзасида ва эритмада окисдланади.
Келтирилган маълумотлардан айтиш мумкинки бактериал танлаб эритиш ва оксидлаш жараёнини икки босқичга бўлиш мумкин.
Биринчи босқич – кимёвий реагентлар – кислород ва уч валентли темир ва бактерияларнинг ферментатив системалари ёрдамида минералларнинг кристаллик панжарасини тўғридан тўғри оксидлаш. Оксидлаш натижасида минералл перчаланади (танлаб эритилади).
Иккинчи босқич – сульфидли минералларни танлаб эритишда ҳосил бўлган маҳсулотларни - икки валентли темир ва элементар олтингугуртни бактериал оксидлаш.