BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG ppt

Ngoài ra, hàng loạt các vi sinhvật khác như nấm, tảo, và động vật nguyên sinh cũng có mặt trong sự sinh trưởng cộng sinh trong các dung dịch ngâm chiết tồn tại trong tự nhiên, trong các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:

ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG TUYỂN

KHOÁNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

NGUYỄN NGỌC TÂM HUYÊNNHÓM:

MỤC LỤC

I PHẦN MỞ ĐẦU

II SƠ LƯỢC VỀ KHAI KHOÁNG

III CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

IV QUÁ TRÌNH NGÂM CHIẾT SINH HỌC

V CƠ CHẾ TÍCH LŨY KIM LOẠI

VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

I PHẦN MỞ ĐẦU

Ít ai biết rằng nhờ vào vi sinh vật, những sinh vật nhỏ bé nhất hành tinh này mà con người chúng ta có thể tồn tại trên hành tinh này Chúng tham gia và có vai trò rất lớn trong nhiều lĩnh vực trong số đó có sự tham

gia vào quá trình mà chúng ta sắp đề cập tới đây, đó là: ỨNG DỤNG CỦA

VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG.

Sự tham gia của vi sinh vật vào việc tuyển khoáng đã được nhiều tác giả chứng minh Đây là những vi sinh vật hóa dưỡng vô cơ bắt buộc hay tùy tiện, hoặc vi sinh vật dị dưỡng, chúng có thể thuộc về nhóm trung hay ưa nhiệt có khả năng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ cũng như các loại lưu huỳnh dạng khử thành acid sulfuric hoặc sulfade kim loại Ngoài ra, hàng loạt các vi sinhvật khác như nấm, tảo, và động vật nguyên sinh cũng có mặt trong sự sinh trưởng cộng sinh trong các dung dịch ngâm chiết tồn tại trong tự nhiên, trong các mỏ quặng tham gia vào quá trình tích lũy kim loại

Thực tế con người đã sử dụng vi sinh vật khai khoáng từ rất lâu mà không hề hay biết

II. SƠ LƯỢC VỀ TUYỂN KHOÁNG NHỜ VI SINH VẬT

Tuyển khoáng là quá trình tổ hợp cùa các khâu gia công và phân tách khoáng vật để từ quặng nguyên khai ban đầu ta thu được 1 hoặc nhiều sản

phẩm có giá trị sử dụng trên thị trường.

Các sản phẩm có giá trị sử dụng sau quá trình tuyển khoáng được gọi là quặng tinh(than sạch) các sản phẩm vô ích không có giá trị sử dụng gọi là quặng thải ( đuôi thải)

+ Về bản chất quá trình tuyển khoáng là quá trình phân tách khoáng vật, phân tách khoáng vật có ích và đất đá thải, giữa khoáng vật có ích và khoángvật có hại,giữa khoáng vật có ích với nhau

Ứng dụng của vi sinh vật vào tuyển khoáng là sử dụng cá đặc tính có thể phân tách, tích lũy kim loại của vi sinh vật vào các quá trình tuyển

Năm 1947 lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn Thiobacillus

ferrooxidans từ nước thải hầm mỏ.

III CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG III.1 CÁC VI SINH VẬT THAM GIA

Đối với từng phương pháp tuyển khoáng khác nhau lại có những vi sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình tuyển khoáng

III.1.1 Ngâm chiết

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình này bao gồm những vi sinh vật hóa dưỡng vô cơ bắt buộc hay tùy tiện hoặc vi sinh vật dị dưỡng Các vi sinhvật này có thể thuộc nhóm trung sinh hay ưa nhiệt và chúng chủ yếu là vi khuẩn

Thiobacillus ferrooxidans là vi khuẩn thường được nghiên cứu nhiều nhất trong mối quan hệ với các biện pháp xử lí thủy luyện kim sinh học các quặng và tinh quặng chứa sulfur.Thiobacillus ferrooxidans là một vi khuẩn hình que, Gram âm, di động bằng tiêm mao, không hình thành bào tử Đứng một mình hay đôi khi thành từng cặp Vi khuẩn hóa dưỡng vô cơ này thu nhận năng lượng cần thiết cho sinh trưởng và đồng hóa CO2 từ sự oxy hóa

Fe2+ và các hợp chất lưu huỳnh vô cơ có tính khử

Các vi khuẩn ngâm chiết khác bao gồm:

+ Leptospirillum ferroosidans lần đầu tiên được phân lập từ quặng sulfur vàng Nó có thể ngâm chiết pirit, có khả năng sinh trưởng tự dưỡng trên ion

Fe2+.

+ Thiobacillus acidophilus có khả năng đối với cả sinh trưởng hóa tự dưỡng lẫn sinh trưởng dị dưỡng.Vi khuẩn này oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố,

đường, acid amin và các axcid cacboxylic

+ Thiobacillus thioporus có khả năng oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, tio sulfat và nhiều loại sulfur kể cả sulfur kẽm

+ Penicillium simplicissimum, beijerinckia

+ Hàng loạt các vi sinh vật khác như nấm , tảo, động vật nguyên sinh cũng

có mặt trong sự sinh trưởng cộng sinh trong các dung dịch ngâm chiết tồn tạitrong tự nhiên

III.1.2 Tích lũy kim loại nhờ vi khuẩn và tảo.

Các vi sinh vật bao gồm xạ khuẩn, vi khuẩn lam ,nấm sợi và nấm men

có khả năng tích lũy các kim loại nặng và các nuclide phóng xạ từ môi trường ngoài Đối với từng cơ chế tíchlũy khác nhau mà có sự tham gia của

Sự hấp phụ sinh học không phụ thuộc vào trao đổi chất:

+ Vi khuẩn và Vi khuẩn lam: được chia làm hai loại chính là các vi khuẩn Gram dương và Gram âm

+ Thành tế bào của các vi khuẩn Gram dương là các chất hấp thu kim loại cóhiệu quả dù phổ hấp thu của chúng có thể khá rộng Các vi khuẩn Gram dương như Bacillus megaterium,Micrococcus lysodeikticus, streptococcus mutans, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Micrococcus luteus

+ Phần vỏ của các vi khuẩn Gram âm có cấu trúc hóa học khác biệt rõ rệt với thành tế bào vi khuẩn Gram dương Chúng chứa hai lớp màng (màng sinh chất và màng ngoài) khác nhau về bản chất hóa học và kẹp giữa chúng

là một lớp peptidoglycan mỏng nằm trong vùng không gian ngoại vi Các vi khuẩn loại này bao gồm : Bacillus subtilis,, Escherichia coli(E.coli)

+ Tảo:Ankistrodesmusbraunii, Chlorellavulgaris, Eremosphaeraviridis, Scenedesmusobliquus

Sự tích lũy nội bào phụ thuộc vào trao đổi chất

+Vi khuẩn và Vi khuẩn lam: Bacillus subtilis, Escherichia coli(E.coli),vi khuẩn lam Anabeana cylindrical,Anacystis nidulans,…

+Tảo: Chlorella pyrenoidosa, Stichococcus bacillaris

III.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH TUYỂN KHOÁNG

Như chúng ta đã biết vi sinh vật có khả năng tồn tại với sự biến hóa của nồng độ chất dinh dưỡng, nhất là các chất dinh dưỡng hạn chế Tuy nhiên sự sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn đối với các nhân

tố vật lý, hóa học của môi trường sống Vi sinh vật tuyển khoáng có thể tồn tại trong mội trường nhiệt độ và áp suất cao ( điều kiện nhiệt độ, áp suất của các hầm mỏ nằm sâu trong lòng đất, chủ yếu là các vi sinh vật thiếu khí và

kị khí Mặc dù có thể tồn tại trong môi trường này nhưng muốn các vi sinh vật này tham gia vào quá trình tuyển khoáng cần một số điều kiện hóa-lý-sinh nhất định

III.2.1 Các điều kiện vật lý

+ Nhiệt độ: vi sinh vật tuyển khoáng có khả năng tồn tại và tham gia vào quátrình tuyển khoáng ở nhiệt độ cao ( có thể lên đến 105˚C) Tuy nhiên một số

vi sinh vật giảm khá năng hoạt động ở nhiệt độ thấp Vd: Chlorella

pyrenoidosa bị giảm khả năng hấp thụ tích cực Cd2+ ở nhiệt độ khoãng 4˚C

+ Ánh sáng: vi khuẩn và vi khuẩn lam có thể hoạt động ở mọi môi trường ánh sáng, ngược lại một số loài tảo bị ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ tích cực khi môi trường thiếu ánh sáng.

III.2.2 Các điều kiện hóa học

+ Độ pH: ở vi khuẩn và khuẩn lam độ pH có thể hoạt động thường nhỏ hơn 5( môi trường có tính acid ) Ở một số vi khuẩn pH tối ưu khoãng 1,7 đền 2,5

+ Nồng độ các chất: vi sinh vật tuyển khoáng thường giảm khả năng hoạt động tuyển khoáng khi nồng độ một số chất quá cao Một số loài có khả năng kháng với một số độc tố thường là kim loại nặng tuy nhiên khi nồng độđộc tố quá cao, các vi sinh vật này có khả năng bất hoạt

III.2.3 Các điều kiện sinh học

Vi sinh vật tuyển khoáng chỉ hoạt động tốt khi môi trường bị giới hạn dinh dưỡng dù cả vi sinh vật sống lẫn vi sinh vật chết đều có khả năng tham gia tuyển khoáng nhưng khả năng hoạt động và cơ chế của chúng có nhiều điểmkhông tương đồng

IV.NGÂM CHIẾT SINH HỌC

IV.1 Các vi khuẩn ngâm chiết

Thiobacillus ferrooxidans là vi khuẩn thường được nghiên cứu nhiều nhất trong mối quan hệ với các biện pháp xử lý thủy luyện sinh học các loại quặng và tinh quặng chứa sulfur Vi khuẩn hóa dưỡng vô cơ này thu nhận năng lượng cần thiết cho sinh trưởng và đồng hóa CO2 từ sự oxi hóa Fe2+ và các hợp chất lưu huỳnh vô cơ có tinh khử

Thiobacillus ferrooxidans

T.ferrooxidans giống với Thiobicacillus thiooxidans là loại vi khuẩn thường có mặt trong các loại nước khai mỏ có tính acid.

IV.2 Cơ chế tác động của vi khuẩn:

Sự chiết kim loại ra khỏi quặng chứa sulfur có thể đạt được nhờ các phương thức trao đổi chất trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật

Cơ chế trực tiếp:

Cơ chế trực tiếp có thể biểu diển bằng phương trình sau:

Vi khuẩn

Trong đó M là kim loại hóa trị hai

Trong sự oxy hóa trực tiếp các sulfur kim loại, MS là sự hòa tan cơ chất trước khi xảy ra sự trao đổi chất Điều này có thể đạt được nhờ sự phân

2-Vì vậy, anion sulfur bị loại khỏi phương trình và cân bằng sẽ chuyển

về phía bên phải gây ra một sự hòa tan mạnh hơn Về mặt lý thuyết quá trìnhnày có thể tiếp tục đến khi toàn bộ cơ chất ( MS) được chuyển hóa thành sảnphẩm (MSO4) Tuy nhiên, trong hệ thống không liên tục sự tích lũy các sản phẩm có thể đạt tới một nồng độ trở nên độc dối với vi sinh vật hoặc hidroxi sulfat Fe3+ sẽ kết tủa trên bề mặt của cơ chất làm cản trở hoạt động của vi khuẩn Sơ đồ này giải thích tại sao vi sinh vật này lại ưa ở ngay sát bề mặt khoáng vật Hơn nữa người ta phát hiện một mối quan hệ trực tiếp giữa tốc

độ chiết kim loại ( dM2+/dt) độ hòa tan sản phẩm của các khoáng vật sulfur (Ksp):

dM2+/dtKsp = αKKsp = αK[MM2+][MS2-]

trong đó αK là hệ số tỷ lệ thuận Theo công thức trên, tốc độ chiết kim loại là cao nhất khi độ hòa tan sản phẩm của khoáng vật sulfur của nó là cao nhất

Cơ chế gián tiếp:

Fe3+ được tạo thành bởi vi sinh vật sẽ đóng vai trò làm chất oxy hóa mạnh làm tan nhiều loại quặng khác nhau trong cơ chế gián tiếp

Ví dụ đối với quá trình ngâm chiết quặng Uranium:

UO2 + Fe2(SO4)3 UO2SO4 + 2FeSO4

Fe2+ được sinh ra trong phương trình kia sẽ được tái oxi hóa bởi các vi khuẩnthành Fe3+ theo phương trình sau:

Vi khuẩn

Vì vậy, trong phương thức áp dụng gián tiếp của vi khuẩn, vai trò của

vi khuẩn là cung cấp một cách liên tục chất oxy hóa, Fe2(SO4)3, một nhân

tố oxy hóa mạnh Fe2+ sẽ thu được từ sự oxy hóa sinh học pirit là chất luôn luôn kết hợp với các sulfur và quặng Uranium:

Vi khuẩn

Mô hình sử dụng Uranium Trong đó vi sinh vật tham gia vào 3 giai đoạn:

xử lý quặng, xử lý nhiên liệu bị phát xạ và xử lý phế liệu

IV.3 Ngâm chiết sinh học quặng đồng:

Hiện tại, khoảng 25% toàn bộ sản lượng đồng ở miền Tây nước Mỹ được sản xuất nhờ vi khuẩn học các loại quặng nghèo Ngày nay, tất cả các nước sản xuất đồng đều sử dụng phương pháp ngâm chiết chất đống liên hiệp hoặc ngâm chiết tại chỗ để bổ sung vào hoạt động khai mỏ và/hoặc chế biến quặng

mỏ đồng Kennecott (Bingham canyon) nơi có hàm lượng đồng rất thấp

(< 0,4%) và sử dụng công nghệ ngâm chiết sinh học

Các loại quặng đồng:

Các loại khoáng vật sulfur đồng khác là bocnit ( Cu5FeS4), cubanit

(CuFe2S3), enacgit (Cu3AsS4) Tất cả các khoáng vật này đều được oxy hóa nhờ vi khuẩn

Quy trình:

Việc ngâm chiết công nghiệp theo kiểu chất đống thường được tiến hành ở gần các điểm khai thác để giảm tối đa giá thành vận chuyển Quặng nghèo được vận chuyển bằng xe tải hoặc băng chuyền tới một vị trí không thấm rồi

đổ thành các đống có dạng hình nón cụt Đa số các đống quặng được tạo dựng dựa vào các địa hình tự nhiên

Các đống quặng lớn có thể hơn tới 200m, rộng khoáng 80m ở phía đỉnh và 250m ở phía đáy và sức chứa tới 50000 – 300000 tấn quặng Dung dịch ngâm chiết được phun lên phần đỉnh của các đống Nó thấm qua phần thân đống và tích lại ở chân đống Đồng được thu hồi từ dung dịch nhờ xementit hóa với sắt ( trong quá trình này, đồng được kết tủa dưới dạng kim loại trong khi sắt được hòa tan : Cu2+ + Fe0 Cu + Fe2+) hoặc bằng cách chiết chọn lọc thành một dung môi hữu cơ bằng acid Sulfuride loãng để tạo ra một dung dịch sulfade đồng đậm đặc và tinh khiết, từ đó nó được kết tủa nhờ điện phân

Các đống quặng

Dung dịch ngâm chiết được phun lên phần đỉnh của các đống

Đồng catot

(99,9%)

Sơ đồ ngâm chiết quặng đồng

Các đường chấm chấm được áp dụng trong trường hợp đồng được thu hồi từdung dịch sau ngâm chiết nhờ xementit hóa với sắt phế liệu

Trong các xí nghiệp hiện đại, đồng được thu hồi nhờ phương pháp chiết nhờ dung môi và tách nhờ điện phân

Nói chung đồng xementit chứa khoảng 85% đồng, nó được trộn với tinh quặng tuyển nổi và được đưa vào nồi nấu kim loại trong bước thu hồi cuối cùng Đồng thu được nhờ phương pháp tách chiết bằng dung môi - điệnphân tinh khiết tới 99,9% và đầy đủ tiêu chuẩn để đưa ra thị trường

Các phương trình hóa học:

Phản ứng tổng thể của sự ngâm chiết chancopirit diễn ra như sau:

Vi khuẩn

Dịch sau ngâm chiết

Chiết bằng dung môiXimentit hóa

Thu hồi nhờ điện

Phản ứng trên về bản chất mang tinh điện hóa và dựa trên sự oxi hóa anot chancopirit và sự khử catot oxi Bằng cách sử dụng tinh quặng tuyển nổi, đã thu được một tốc độ tách đồng đạt tới 200-500 mg/dm3/giờ Tuy nhiên trong trường hợp sử dụng tinh quặng tuyển nổi CuFeS2 bào mon người

ta đã được trên 1600 mg/dm3/giờ Đây là giá trị cao nhất đạt được cho đến nay đối với hoat động trao đổi chất của vi sinh vật Chancopirit, một trong những quặng đồng sulfur quan trọng nhất, được hòa tan nhờ vi khuẩn theo phương trình:

Đồng được thu hồi từ dung dịch nhờ xementit hóa với sắt:

quá trình ngâm chiết KL quý

V CƠ CHẾ TÍCH LŨY KIM LOẠI

V.1 Tổng quan về sự tích lũy kim loại ở vi sinh vật

Có nhiều loại vi sinh vật có khả năng biến đổi phân tách và tích lũycác kim loại nặng cũng như các nuclide phóng xạ ( đồng vị phóng xạ ) từmôi trường ngoài Các vi sinh vật này có thể là nấm men, nấm sợi, xạkhuẩn, khuẩn lam, tảo và một số loại vi khuẩn khác Vi sinh vật thông quanhiều phản ứng khác nhau tạo thành nhiều loại trầm tích và các khoáng vật

sa lắng

Một số vi khuẩn có khả năng tích luỹ kim loại

1 B.megaterium; 2 Streptococcus mutans; 3 Micrococcus lysodeikticus

Các cơ chế tham gia vào quá trình tích lũy kim loại này là những mốitương quan lý-hóa như hấp phụ và kết tủa, các quá trình vận chuyển và traođổi chất của tế bào vi sinh vật Cả tế bào sống lẫn tế bào chết đều có khảnăng hấp thu và tích lũy kim loại do vậy các sản phẩm tạo ra từ quá trìnhnày sẽ là bản thân các tế bào vi sinh vật hoặc các chất bắt nguồn từ các tếbào như các sản phẩm tiết của trao đổi chất, các polysaccharide, các cấu tửcủa thành tế bào vi sinh vật… Số lượng kim loại tích lũy được có thể rất lớn

và gấp nhiều lần lượng có trong tế bào vi sinh vật

Các quá trình tích lũy kim loại này có ý nghĩa công nghiệp và môitrường vì sự loại bỏ các kim loại nặng và các nuclit phóng xạ có nguy cơtiềm tàng trong nước thải công nghiệp và các loại nước thải khác nhờ vàosinh khối vi sinh vật có thể dẫn đến việc loại bỏ được độc chất đồng thời thuhồi được các nguyên tố kim loại có giá trị kinh tế cao như vàng hoặc bạc saukhi đã xử lý thích hợp nguồn sinh khối đó.Và trong thực tế, con người đã lợidụng khả năng này để làm sạch nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng

và tận dụng lại nguồn kim loại này

Nhiều kim loại nặng ở nồng độ thấp như Sắt(Fe), Đồng(Cu),Kẽm(Zn), Mangan(Mn)… là các nguyên tố không thể thiếu đối với sinhtrưởng và trao đổi chất của vi sinh vật Một số kim loại khác như Vàng(Au),Bạc(Ag), chì(Pb)…lại không có chức năng sinh học Đặc tình của các kimloại này và các kim loại họ hàng khác là chúng có thể rất độc với các tế bàosống Do đó, nếu sử dụng các tế bào sống cho một hệ thống loại kim loại thìđộc tính có thể dẫn đến hiện tượng đầu độc và bất hoạt Tuy nhiên có thểkhác phục đặc tính này bằng cách tách biệt quá trình nhân giống vi sinh vậtvới quá trình tiếp xúc kim loại hoặc sử dụng các chủng vi sinh vật co khảnăng chống chịu với kim loại ở nồng độ cao Việc sử dụng sinh khối chết vàcác sản phẩm từ sinh khối chết sẽ loại trừ vấn đề độc tính không những củacác kim loại hòa tan mà còn của các điều kiện vận hành và bảo dưỡng bấtlợi, kể cả sự cung cấp chất dinh dưỡng Tuy nhiên, tế bào vi sinh vật có thểtiến hành nhiều cơ chế tích lũy kim loại như vận chuyển, tạo các phức chấtngoại bào hoặc dạng kết tủa Ngoài ra tính chống chịu và đề kháng với cácđộc chất là những đặc điểm rất thường gặp ở hầu hết các vi sinh vật.

V.2 Cơ chế tích lũy kim loại nhờ vi sinh vật

Cơ chế tách kim loại nặng và các nuclide phóng xạ có rất nhiều baogồm các mối tương hỗ hóa-lý thuần túy như quá trình hấp phụ kim loại lênthành tế bào hoặc lên các thành khác của tế bào,quá trình trao đổi chất nhưvận chuyển, tạo khoang nội bào và kết tủa ngoài bào nhờ các sản phẩm sinh

ra từ quá trình trao đổi chất Tùy theo loại vi sinh vật, cơ thể mà khả năng và

cơ chế hấp thu tích lũy kim loại có thể khác nhau rất nhiều dù có những đặcđiểm chung Cả tế bào sống và tế bào chết đều có khả năng tích lũy kim loạituy nhiên cơ chế của chúng khác nhau ở từng trường hợp

Sự tích lũy kim loại ở vi sinh vật có thể chia thành hai giai đoạnchính Giai đoạn một là quá trình liên kết hoặc hấp thu không phụ thuộc vàoquá trình trao đổi chất với thành tế bào và các bề mặt ngoài khác, thườngdiễn ra nhanh không tiêu tốn năng lượng và có thể diễn ra ở cả tế bào sống

và tế bào chết Giai đoạn hai là sự vận chuyển và tích lũy kim loại vào bêntrong tế bào, diễn ra chậm, tiêu tốn năng lượng và phụ thuộc vào quá trìnhtrao đổi chất qua màng tế bào Có thể quan sát được rõ ràng hai giai đoạnnày trong phòng thí nghiệm ngắn hạn với điều kiện các huyền dịch tế bàotảo, vi khuẩn dị dưỡng và nấm men được cung cấp một nguồn năng lượng và

sự sinh trưởng mạnh không diễn ra Một số trường hợp sự hấp thu nội bào làkết quả của quá trình thẩm thấu và khuếch tán do việc tăng tính thấm củamàng tế bào gây ra, đặc biệt nếu độc tính được biểu hiện Hai giai đoạn này

có thể không quan sát được ở tất cả các vi sinh vật, đối với các nguyên tốnhư chì(Pb) Uranium(U)… thì hầu như sự tích lũy trong các tế bào sống hay