Биотехнология горных работ

УДК 602.4:622.839.43
ББК 30.16
 
В20

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для 
взрослых» СанПиН 1.2.1253–03, утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124–94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты 
прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.10

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо 
№ 51-16/61 от 15 сентября 2010 г.)

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Н.М. Качурин (Тульский государственный университет); 
д-р техн. наук, проф. В.А. Потапенко (Подмосковный научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт)

•
•

УДК 602.4:622.839.43
ББК 30.16

Васючков Ю.Ф.
В20  
Биотехнология горных работ: Учебник. — М.: Издательство «Горная книга», 2011. — 351 с.: ил. (Горное 
образование) 
ISBN 978-5-98672-269-6 (в пер.)

Изложены сведения о природе живого вещества планеты Земля, особенностях его функционирования, истории развития жизни на Земле. 
Рассмотрены строение бактерий, их роль в экономике страны, в том числе 
и в горном деле, а также различные виды микроорганизмов применительно 
к процессам извлечения полезных компонентов из рудных материалов. Дана 
оценка эффективности биовыщелачивания металлов и особенности жизнедеятельности микроорганизмов в силикатных и сульфидных горных породах. 
Большое внимание уделено видам и схемам бактериального воздействия 
в процессах гидрометаллургии, подземного выщелачивания меди и урана. 
Приведены сведения об опытно-промышленных работах по химическому 
и бактериальному выщелачиванию металлов, фосфоритов, силикатных 
минералов в России и за рубежом и результаты разработки способов биоокисления угольного метана и снижения серосодержания ископаемых углей 
шахт России, Украины и Казахстана. 
Ю.Ф. Васючков — д-р техн. наук, профессор кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» Московского государственного горного 
университета.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» направления подготовки 
«Горное дело».

© Ю.Ф. Васючков, 2011
© Издательство «Горная книга», 2011
© Дизайн книги. Издательство 
 
«Горная книга», 2011

ISBN 978-5-98672-269-6

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая книга посвящена изучению биотехнологии 
горного производства. Технология (сложное слово от гр. téchnê — искусство, умение, мастерство и гр. lо´gos — слово, учение) — совокупность методов или производственных процессов 
для переработки, выработки или создания целевого продукта, 
изделия, сооружения. Био… (гр. bios — жизнь) — часть сложного 
слова, обозначающая жизнь или связь с жизнью. Таким образом, 
понятие биотехнология горного производства можно определить 
как совокупность производственных процессов для решения 
задач эффективной деятельности человека в недрах Земли и, 
в частности, для разработки полезных ископаемых на основе 
использования живого вещества.
Живое вещество планеты Земля — вся совокупность тел 
живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. Биосфера — область активной жизни 
Земли, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу 
и верхнюю часть литосферы. В состав живого вещества входят 
как органические (в химическом смысле), так и неорганические, 
или минеральные, вещества. Живое вещество развивается там, 
где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных 
для существования, живое вещество погибает или переходит в 
состояние анабиоза — состояние организма, когда жизненные 
процессы резко замедляются, что способствует выживанию организма в неблагоприятных условиях. Масса живого вещества 
Земли оценивается величиной 2,4−3,6 трлн т, но это одна из 
самых могущественных и постоянно растущих геохимических 
сил нашей планеты. По закону постоянства живого вещества 
биосферы В.И. Вернадского, принятого в экологии, количество 
живого вещества в биосфере постоянно. Из закона вытекает, что 
любое изменение количества живого вещества в одном месте 
биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его 
перемену в другом или других местах, но с обратным знаком.

Специфика живого вещества заключается в следующем:
Живое вещество биосферы характеризуется огромной 
свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут 
быть сопоставлены только недолговечные незастывшие 
лавовые потоки.
Резкое отличие между живым и неживым веществом 
биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи 
и миллионы раз быстрее.
Отличительной особенностью живого вещества является 
то, что слагающие его индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и пр. — устойчивы только 
в живых организмах.
Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял 
две специфические формы движения живого вещества: 
а) пассивную, которая создается размножением и присуща 
как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного 
перемещения организмов (она характерна для животных 
и в меньшей степени для растений). Живому веществу 
также присуще стремление заполнить собой все возможное 
пространство.
Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. 
Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества 
живое вещество не бывает представлено исключительно 
жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены 
во всех трех фазовых состояниях.
Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел — индивидуальных организмов. Причем, будучи 
дисперсным, живое вещество никогда не находится на 
Земле в морфологически чистой форме — в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено 
биоценозами.

•

•

•

•

•

•

Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое 
вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества 
является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем 
морфологических и биохимических изменений.
Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных 
положения, которые В.И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:
Биогенная миграция атомов химических элементов в 
биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, 
идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию 
атомов.
Живое вещество находится в непрерывном химическом 
обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой 
энергией Солнца.
Выделяют пять основных функций живого вещества:
Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной 
энергии при фотосинтезе, а химической энергии — путем 
разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.
Концентрационная. Избирательное накопление в ходе 
жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов 
живым веществом: а) массовое повышение концентраций 
элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах 
вулканизма; б) специфическую концентрацию того или 
иного элемента вне зависимости от среды.

•

•

•

•

•

•

Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого 
неорганического вещества, вовлечении образовавшихся 
веществ в биологический круговорот.
Средообразующая. Преобразование физико-химических 
параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).
Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и 
в горизонтальном направлении.
Живое вещество охватывает и перестраивает все химические 
процессы биосферы. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при 
непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности 
которой (О2, СО2, H2S и т.д.) преимущественно обусловлены 
живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в 
течение всей геологической истории.
Биотехнологию (технологию живых систем) можно назвать 
самой модной отраслью последнего десятилетия. Ее обороты 
растут, что отражается в объемах инвестиций и числе вновь 
возникающих биотехнологических фирм. В ежегодно составляемом журналом «Fortune» списке 100 самых динамичных 
компаний мира очень много компаний, специализирующихся 
на биотехнологиях. Но вложения в эту отрасль относятся к высокорисковым, и за последние годы акции биотехнологические 
компаний переживали и головокружительные взлеты котировок 
и падения.
Под биотехнологией понимают совокупность методов и 
приемов использования живых организмов, биологических 
продуктов и биотехнических систем в производственной сфере. 
Иными словами, биотехнология применяет современные знания 
и технологии для изменения генетического материала растений, 
животных и микробов, способствуя получению на этой основе 
новых (зачастую принципиально новых) результатов. В литературе достижения биотехнологии за последнее время часто 
называют научно-техническим прорывом, биореволюцией, и 
это не преувеличение.

•

•

•

Можно согласиться и с теми учеными, которые, пусть несколько условно, подразделяют биотехнологию на «старую» и 
«новую».
«Старая» биотехнология зародилась очень давно, на основе 
традиционных микробиологических производств, в особенности 
бродильных. Процесс сбраживания с помощью микроорганизмов при хлебопечении, виноделии, пивоварении, сыроварении, 
получении сиропов, молочнокислых продуктов, силосовании 
кормов был известен еще в древности. В XX в. биотехнология 
получила дальнейшее развитие, преимущественно в недрах 
химической промышленности, главным образом ее фармацевтической подотрасли (производство антибиотиков и пр.).
«Новая» биотехнология — это типичное порождение научнотехнической революции, вызванное к жизни ее достижениями 
второй половины XX в. Она опирается на инновации и в химических технике и технологиях, и в электронике, и в микробиологии, и в биохимии, и в генетике, да и в других научных 
направлениях. В сферу «новой» биотехнологии входит также 
генетическая и клеточная инженерия, имеющая целью создание 
новых, высокоэффективных организмов с заранее заданными 
свойствами путем непосредственного изменения генетической 
системы тех или иных организмов.
Сферы применения биотехнологии ныне очерчены уже достаточно определенно. В посвященном биотехнологии разделе 
принятой на Конференции в Рио-де-Жанейро (1992) «Повестке 
дня на XXI век» названы десять таких целей. Обычно (Н.В. Алисов) выделяют шесть главных областей ее применения.
Во-первых, это повышение продуктивности сельскохозяйственного производства путем внедрения методов генной 
инженерии в растениеводство и животноводство и защиты 
культурных растений и домашних животных от болезней и 
вредителей. Из методов генной инженерии в данном случае 
следует прежде всего назвать клонирование (гр. klon — ветвь, 
отпрыск), т.е. бесполое размножение клеток растений и животных. В 1990-е гг. произошел взрыв интереса к клонированию, 
который уже привел к определенным практическим результатам. 
В 1997 г. в Шотландии родилась первая клонированная овца 

Долли. В 1998 г. в США методом клонирования был выведен 
теленок, также явившийся полной копией матери. В том же году 
в Японии были получены клонированные телята-двойняшки, 
и японские ученые объявили, что в течение ближайших десяти 
лет в стране появится в продаже клонированная говядина.
Большое значение имеет также защита культурных растений 
от болезней и вредителей. Разработаны новые виды биопестицидов, биофунгицидов и биоинсектицидов, безопасные для 
человека и окружающей среды и избирательно действующие на 
сельскохозяйственные культуры. То же относится и к биоудобрениям, созданным с помощью бактерий, улавливающих азот из 
воздуха. Благодаря их применению усиливается сопротивление 
сельскохозяйственных культур болезням и вредителям, что позволяет уменьшить потребности в химических пестицидах.
Во-вторых, это расширение возможностей получения продуктов питания. В этом случае имеется в виду расширение 
ассортимента и улучшение качества продовольственных продуктов, а также удешевление исходного сырья, используемого в пищевкусовой промышленности. Применение методов 
биотехнологии позволяет лучше сбалансировать содержание в 
продуктах питания белков, жиров и углеводов. Наиболее ярким 
примером такого рода может служить изготовление глюкознофруктовых сиропов из крахмалосодержащего сырья низкого 
качества, получившее довольно широкое распространение.
В-третьих, это увеличение энергетических ресурсов. Имеется 
в виду использование микроорганизмов для получения энергии 
из биомассы, причем как в газообразном (биогаз), так и в жидком (этиловый спирт) виде. Развитие этого направления позволяет использовать огромные и все время возобновляющиеся 
ресурсы биомассы, а также обеспечить дополнительные меры 
по охране окружающей среды. Использование соответствующей 
техники для этой цели (биогенераторы) можно считать уже 
вполне освоенным делом.
В-четвертых, это разработка биотехнологическими методами 
полезных ископаемых. Здесь имеется в виду подземное выщелачивание, уже применяемое при разработке залежей меди и 
некоторых редких металлов, а также окисление угольного ме

тана обессеривание угля и повышение нефтеотдачи нефтяных 
месторождений.
Приложения биотехнологии к добыче, обогащению и перераработке руд, отделению и концентрированию металлов 
из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных 
порций нефти из иссякающих месторождений относятся к области биогеотехнологии. Большую роль в этих процессах играют 
микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.
Способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают различные бактерии. Например, Thiobacillus ferrooxidans выщелачивает железо, 
медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, 
которая образуется этой бактерией из сульфида (Г.И. Каравайко, 
1984). Chromobacterium violaceum растворяет золото. Технологии 
подобных процессов подкупают своей простотой: для извлечения остатков меди, урана, никеля из бедных и брошенных руд 
их обливают культуральной жидкостью и собирают вытекающие 
продукты жизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4, UO + и т.д.). Метод бактериального 
выщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных 
месторождений как экономически выгодное предприятие.
Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, 
то большое значение придается таким микроорганизмам, как 
Citrobactersp., Zoogloearamigera, клетки и внеклеточные полисахариды которой извлекают U, Си, Cd. Велика способность 
грибной биомассы для концентрирования металлов (Рb, Hg, 
Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они 
присутствуют в следовых количествах, и для освобождения 
растворов от радиоактивных примесей (дезактивации).
Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonascam pestris, может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных 
пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде 
обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты 

под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех 
трещин и полостей нефтеносных пород.
Бактерии-деэмульгаторы, например Nocardiasp, Rhodoco-сеик 
rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может 
быть использовано как для концентрирования нефти, так и 
для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих 
угрозу для окружающей среды. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают получение 
биомассы на базе необработанной нефти и предотвращение 
нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов.
В-пятых, это получение новых лекарственных средств для 
нужд медицины и ветеринарии. Современной биотехнологией 
уже накоплен опыт в производстве разного рода вакцин, антибиотиков, гормонов и т.п.
В-шестых, это защита окружающей среды биотехнологическими методами. Имеются в виду бактериальная очистка сточных вод, рекультивация поверхности, утилизация промышленных и коммунальных отходов, в том числе отходов органической 
химии и мест утечки нефти и нефтепродуктов при помощи 
дешевых и эффективных методов.
Биоиндустрия стала одним из самых наукоемких и одновременно капиталоемких направлений, обеспечивающих тесную 
связь науки и производства, привлекающих не только крупный, 
но также мелкий и средний бизнес. Наибольшее развитие биоиндустрия получила в США, Японии, странах Западной Европы. Эпицентр её находится в США, где биоиндустрия, как и 
биотехнология, развивается преимущественно в сфере частного 
бизнеса. Ныне в США насчитывается более 1500 биотехнологических компаний с численностью занятых непосредственно 
в области биотехнологий, превышающей 200 тысяч, а вместе с 
косвенно занятыми в этой сфере — 500 тыс. человек. По сумме 
продаж первое место среди них с большим отрывом занимают 
фармацевтические компании. При этом наибольшие успехи 
достигнуты в производстве глюкозно-фруктовых сиропов, что 
позволяет бороться с широко распространенным в стране диабетом и сократить потребление сахара на душу населения.

Большое развитие биоиндустрия получила и в Японии, где 
она в гораздо большей степени поддерживается государством. 
Продукцию биоиндустрии используют здесь в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве, рыболовстве, пищевкусовой промышленности (рисовая водка, пиво, вино, уксус, соевый соус и др.), а 
также в энергетике и для охраны окружающей среды. Примерно 
то же можно сказать и о Западной Европе, где по уровню развития биоиндустрии выделяются Германия (здравоохранение, 
охрана окружающей среды), Франция (фармацевтика, парфюмерия и косметика, пищевые продукты) и Великобритания 
(лекарственные препараты, продукты питания).
Из развивающихся стран в этот перечень входят Бразилия 
(этиловый спирт) и Аргентина (глюкозно-фруктовые сиропы). 
Особого упоминания заслуживают также Китай и Индия, где 
действуют миллионы генераторов по производству биогаза.
Россия в ХХ веке добилась довольно значительных успехов 
на некоторых направлениях биотехнологии и биоиндустрии. 
В стране было создано крупное микробиологическое производство. Большое развитие получила фармацевтическая промышленность. Генную инженерию использовали в сельском 
хозяйстве и пищевкусовой промышленности. В 60−80-е гг. в 
бывшем СССР сельскохозяйственная микробиология находилась на подъеме, по всей стране создавались производства 
микробиологических препаратов.
Реально оценивая тенденции изменения АПК России, Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии разработал для различных групп сельскохозяйственных предприятий 
в рамках проекта «МИР БИСОЛБИ» серию экологически ориентированных высокопродуктивных технологий с применением 
микробиологических препаратов нового поколения для растениеводства, животноводства и кормопроизводства. Их внедрением 
в различных секторах АПК на региональном уровне занимается 
инновационная компания «Бисолби-Интер».
По результатам маркетинговых исследований компании 
«Abercade Consulting», самым крупным потребителем биотехнологической продукции в России остается фармацевтика. Общий 
объем рынка лекарств составил 2,5 млрд долл., из которых