Сущность микробиологических (или биохимических, бактериальных, бактериологических) способов обогащения бедных марганцевых руд (в том числе отвальных шламов гравитационного обогащения руд, глубоководных океанических конкреций) состоит в том, что микроорганизмы (бактерии, введенные в марганецсодержащую среду (пульпу)), выделяют органические метаболиты, например, лимонную, молочную кислоту, аминокислоты. Последние, взаимодействуя с марганецсодержащими (или другими) минералами, ускоряют перевод марганца в раствор, из которого затем известными способами осаждают марганец в виде различных соединений. Научным и технологическим аспектам проблемы микробиологического выщелачивания металлов из руд посвящены международные конференции, монографии, периодические обзоры с обобщением достижений в области теории и технологии выращивания бактерий и использования их для извлечения металлов из минеральных видов сырья. В связи с этим ниже кратко излагаются сущность и отличительные признаки выщелачивания марганцевых руд при помощи бактерий, а также преимущества этих способов по оценке разработчиков.

Значимость научных поисков рациональных видов бактерий и режимов микробиологических методов выщелачивания бедных марганцевых шламов обогащения подтверждается тем, что в США в настоящее время 10—20 % меди получают на основе микробиологической технологии. В Японии с использованием этой технологии в период 1951 —1978 гг. было получено 23,4 тыс. т меди. В обзоре исследований по развитию бактериальных методов извлечения металлов за рубежом Е. А. Малинина отмечает, что в настоящее время микробиологическими методами извлекают тяжелые, благородные и другие металлы (Cu, U, Au, Ag, Zn, Ni, Mn) или ведут подготовку к освоению этой технологии. Сравнение затрат на извлечение, например меди, после выщелачивания различными способами (цементацией или экстракцией с последующим осаждением) показало, что последний имеет экономические преимущества.

В перечне перспективных проектов освоения Мирового океана указывается, что в области биологии будут расширены и станут более совершенными методы: генетико-селекционные, искусственного выращивания организмов применительно к каждой конкретной проблеме, прибрежной проблеме акватории. Будут расширены выращивание и селекция организмов, осуществляющих биоконцентрирование ценных веществ. В качестве положительного в генетико-селекционной работе прогресса А. С. Монин отмечает японскую технологию выращивания асцидий для концентрирования ванадия. Сиратори Хисати среди железокислых бактерий, использующих для жизнедеятельности энергию окисления неорганических веществ, выделяет вид бактерий Thiobacillus (Th. ferrooxidans, Th. thiooxidans, Th. novelles, Th. denifrificans, Th. intermedins, Th. perometabolis, Th. neapolitans, Th. thioparus), живущих в сернистых железных рудах, в рудниках и вулканических зонах. Перечисленные микроорганизмы делятся в свою очередь на две группы: окисляющие FeO до Fe2O(железобактерии) и окисляющие сернистые соединения. Наиболее изучены бактерии Th. ferrooxidans, исследование которых было начато за рубежом Колмером в 1950 г. Микроорганизмы имеют размеры 0,5×1 мкм и обитают в среде с pH 2—3 при 20—30 °С.

Th. thiooxidans (так называемые серобактерии) также изучены достаточно хорошо. Тионовые бактерии являются хемоавтотрофами, т. е. единственный источник энергии для их жизнедеятельности — процессы окисления FeO, сульфидов различных металлов и элементарной серы. Эта энергия расходуется на усвоение углекислого газа,
выделяемого из атмосферы или из руды. Получаемый углерод участвует в построении клеточной ткани бактерии.
Процесс окисления FeSO4 до Fe2 (SO4)3 с участием Th. ferrooxidans описывается реакцией

формула

Известно, что Fe2 (SO4)3 является сильным окислителем и растворителем сульфидов:

формула

Тионовые бактерии ускоряют растворение халькопирита в 12 раз, сфалерита {ZnS) в 7 раз, ковеллина (сульфиды меди 6 [Cu]) 66,4 % Cu, 33,6 % борнита (сульфида меди и железа 8 [Cu5FeS4]) — в 18 раз по сравнению с обычными химическими методами.

Разработаны схемы подземного бактериального выщелачивания медной руды. Процесс описывается реакцией

формула

Как отмечают японские исследователи, при обработке сернистых соединений образуется большое количество газов H2S и SO2. Для жизнедеятельности бактерии используют энергию перехода однооксидных соединений железа в двуоксидные. Бактериальная технология используется для выщелачивания рудничных растворов. Авторы работ сообщают также о возможности получения бактериального выщелачивания, кроме железа и меди, также цинка, кобальта, урана, никеля, марганца и других металлов. Ведутся также исследования по использованию в металлургии термостойких бактерий вида Sulfolobus, которые живут в термальных водах с температурой 100 °С и pH 1. В процессе выщелачивания с использованием бактерий при обработке сернистых соединений железа образуются также большие объемы газов H2S и SO2, которые утилизируют.

Вопросы биогеотехнологии металлов, ее история, задачи и тенденции развития, различные микробиологические методы выщелачивания, в том числе и марганцевых руд, рассмотрены многими исследователями. В институте микробиологии АН СССР исследована и подтверждена перспективность использования микроорганизмов для извлечения золота, марганца и других элементов из руд, горных пород и отходов металлургических предприятий. Агате А. Д. (институт М. А. К. С., Пуна, Индия) обоснована целесообразность применения микробиологических методов выщелачивания марганца из индийских марганцевых руд и сделан обзор 49 литературных источников по проблеме повышения качества марганцевых руд, окисления Mn3O4 до MnO2, удаления примесей, например фосфора, понижения содержания в них железа. Проанализированы окислительно-восстановительные процессы протекания при выщелачивании.

Грудев С. Н. показал, что микробиологическое выщелачивание гетеротрофными бактериями фунгами, как и автотрофными тионовыми бактериями, обеспечивает эффективное выщелачивание марганца из руды. Обращено внимание на тот факт, что более эффективно перевод марганца в раствор достигается в случае участия некоторых сапрофитных бактерий, которые, как указывает автор, вызывали энзимную редукцию (т. е. восстановление) Mn4+. Другие гетеротрофы выщелачивали марганец при помощи выделенных органических метаболитов, действующих, по С. Н. Грудеву, как комплексообразователи, а сульфатредуцирующие — при помощи выделяющегося H2S. Выщелачивание марганцевой руды бактериями Th. thiooxidans, выращенными в среде с элементарной серой (S), связано с образованием метаболитов, восстанавливающих (редуцирующих) Mn4+. Если микроорганизмы Th. ferrooxiclans были выращены в среде с Fe2+, то восстановление Mn4+ было обусловлено действием Fe2+ и частично — выделением органических метаболитов. Козуб Дж. М., Дж. Мэдгвик изучили микробиологическое выщелачивание диоксида марганца, марганцевой руды в микроаэробных условиях, использовав гетеротрофные микроорганизмы.

В работе Сахвадзе Л. И., Имнадзе M. И., Керкадзе Н. Д. «Изучение деятельности Т. ferro Xidans бактерий в процессе выщелачивания бедных чиатурских руд» приведены результаты исследований бактериального выщелачивания марганца в статических и динамических условиях с использованием штаммов Th. ferrooxidans, выделенных из пород и руд Чиатурского месторождения. Эти бактерии переводят в раствор 18—25 % марганца, а добавление сульфидов металлов, в частности пиритного концентрата, существенно повышает скорость выщелачивания марганца. Поскольку в пиритном концентрате содержится до 0,7 % Си, то ее переход в раствор, а затем извлечение удешевляют весь технологический цикл в сравнении со способом выщелачивания марганца с использованием бактерий Achromobac fer delicatulus с раствором люкозы.