Улучшенный биовыщелачивание урана в солоноватых условиях с помощью микробного консорциума с моделированием и оптимизацией на основе RSM

Почему важны соленая вода и маленькие помощники

По мере того как становится труднее находить руды высокого качества и нехватка пресной воды усиливается, горнодобывающие компании ищут более чистые и дешевые способы извлечения этого критического топлива для атомной энергетики. Один перспективный подход — позволить микробам сделать работу: некоторые бактерии медленно растворяют металлы из горной породы в процессе, называемом биовыщелачиванием. Но есть загвоздка — эти микроорганизмы обычно плохо переносят соленую, солоноватую воду, которая часто является единственным доступным ресурсом в засушливых районах добычи. В этом исследовании рассматривается хитрый обходной путь: объединение устойчивой к солям бактерии с дрожжом, чтобы они совместно извлекали уран из низкосортной руды в солоноватых условиях.

Даем микробам добывать руду

Вместо использования высоких температур или агрессивных реагентов биовыщелачивание опирается на микроорганизмы, которые получают энергию, преобразуя железо и серу в руде. Делая это, они создают кислую, окислительную среду, которая превращает твердые минеральные формы урана в растворимые соединения, которые можно затем извлечь из раствора. Исследователи работали с низкосортной урановой рудой из центрального Ирана и выращивали гало- и солеустойчивую бактерию Acidithiobacillus ferrooxidans штамм THA4 в лабораторной среде с контролируемым содержанием соли, дробленой руды и воздуха. Тщательно измеряя, какое количество урана оказалось в жидкости при разных условиях, они оценивали, насколько эффективно микроорганизмы «добывают» руду.

Испытание солености воды и загрузки руды

Ключевой вопрос заключался в том, сколько соли и твердых веществ бактерии могут выдержать до снижения их активности. С помощью статистического подхода, называемого методологией отклика поверхности (RSM), команда варьировала уровень соли, концентрацию руды (плотность пульпы), время контакта и стартовое количество бактерий в десятках экспериментов. Было обнаружено, что повышение солености и увеличение доли твердой руды оба снижают извлечение урана: соль вызывает осмотический стресс у микробов, тогда как плотные суспензии ограничивают доступ кислорода и затрудняют проникновение клеток к поверхностям минералов. Продление времени выщелачивания улучшало результаты примерно до десяти дней, давая бактериям время для роста и выработки окисляющих веществ, но далее эффективность падала, вероятно, из‑за истощения питательных веществ и накопления продуктов метаболизма.

Добавление партнера для жестких условий

Чтобы повысить извлечение в солоноватой воде, исследователи ввели второй микроорганизм: дрожж Rhodotorula toruloides штамм IR-1395, который переносит кислотность и соленость. Вместо конкуренции два вида выполняют разные функции. Бактерия питается неорганическим железом и серой и зависит от углекислого газа, в то время как дрожж использует органические вещества и возвращает углекислый газ в раствор. Когда оба организма присутствовали в тщательно подобранных количествах, система становилась более устойчивой. Оптимизированная комбинация бактерий и дрожжей увеличила извлечение урана примерно на 24 процента по сравнению с бактерией в одиночку при аналогичных соленых условиях, а раствор стал более окислительным и более кислым — оба фактора благоприятны для растворения урана.

Наблюдение за формированием микробных «шахт»

Команда также использовала растровую электронную микроскопию в сочетании с элементным анализом, чтобы напрямую увидеть, как организмы колонизируют руду. В течение нескольких дней они наблюдали отдельные бактериальные клетки, прикрепляющиеся к зернам минерала. Через 16 дней образцы с бактерией и дрожжами показывали плотные микробные слои — биопленки — покрывающие породу, а также минеральные корки, такие как ярозит, на поверхности. Эти биопленки помогают удерживать клетки в тесном контакте с рудой, где они постоянно производят вещества, атакующие минерал и поддерживающие переход урана в раствор. Визуальные данные подтверждали измерения: консорциум не только выживал, но и активно менял поверхность руды в соленой среде.

Что это означает для будущего извлечения урана

В целом исследование показывает, что продуманное партнерство между разными микроорганизмами может преодолеть одну из основных проблем биовыщелачивания: чувствительность к соли. Совмещая солеустойчивую бактерию с совместимым дрожжем и используя статистические инструменты для тонкой настройки уровня соли, загрузки руды, доз микробов и времени, исследователи создали эффективную систему выщелачивания урана, работающую в солоноватой воде и на низкокачественной руде. Для неспециалистов вывод таков: крошечные организмы могут выступать экологичными «шахтерами», и их правильное сочетание может помочь извлекать ценные металлы там, где пресная вода и богатые руды уже недоступны.

Цитирование: Shoja, M., Mohammadi, P., Tajer-Mohammad-Ghazvini, P. et al. Improved uranium bioleaching in brackish environments via microbial consortium using RSM based modelling and optimization. Sci Rep 16, 9697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39700-3

Ключевые слова: биовыщелачивание, добыча урана, солоноватая вода, микробные консорциумы, биотехнологическая добыча