Phân lập vi khuẩn oxi hóa sắt ưa axit (FOB) phục vụ cho công nghệ tuyển khoáng sinh học

Để phát triển công nghệ bioleaching trong nước, vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit bản địa cần được tìm kiếm và nghiên cứu về các đặc điểm sinh học có liên quan tới quá trình hòa tách kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN VĂN HƯNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN OXY HÓA SẮT ƯA AXIT

(FOB) PHỤC VỤ CHO CÔNG NGHỆ TUYỂN KHOÁNG SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN VĂN HƯNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN OXY HÓA SẮT ƯA AXIT

(FOB) PHỤC VỤ CHO CÔNG NGHỆ TUYỂN KHOÁNG SINH HỌC

Chuyên ngành: Vi sinh vật học

Mã số: 60420107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn Khoa học: TS Đinh Thúy Hằng

PGS TS Ngô Tự Thành

tình chu đáo của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học công tác tại Viện Vi sinh vật

và Công nghệ sinh học và Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQGHN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Đinh Thúy Hằng, trưởng phòng Sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và CNSH – ĐHQGHN và PGS.TS Ngô Tự Thành, cán bộ công tác tại Bộ môn Vi sinh vật học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN là những người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện và các cán bộ công tác tại viện

Vi sinh vật và CNSH đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt nghiên cứu của mình Tôi cũng vô cùng biết ơn các thầy cô Bộ môn Vi sinh vật học và Khoa Sinh học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã nhiệt tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp tại Phòng Sinh thái vi sinh vật đã luôn khích lệ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và trong cuộc sống

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Văn Hưng

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

At ferridurans Acidithiobacillus ferridurans

At ferrivorans Acidithiobacillus ferrivorans

At ferrooxidans Acidithiobacillus ferrooxidans

BacTech Bacterial Technology

DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis

EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid

FEMS Federation of European Microbiological Societies FISH Fluorescence in situ hybridization

HIOX High Temperature Bacterial Oxidation

IAEA International Atomic Energy Agency

MIT Massachusetts Institute of Technology

L ferriphylum Leptospirillum ferriphylum

L ferrooxidans Leptospirillum ferrooxidans

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Ứng dụng công nghệ bioleaching trên thế giới 3

Bảng 1 2 Nồng độ oxy tới hạn cho sự phát triển của At ferrooxidans

Bảng 1 4 Sản lượng đồng của Chile và trên thế giới được khai thác

bằng công nghệ tuyển khoáng sinh học

22

Bảng 1 5 Ảnh hưởng của bước tiền xử lý quặng vàng bằng bioleachig

tới hiệu suất khai thác tại một số doanh nghiệp khai thác khoáng sản trên thế giới

Bảng 2 3 Thành phần phản ứng và chu kỳ nhiệt của PCR-DGGE 30

Bảng 2 4 Phản ứng PCR khuyếch đại 16S rDNA 31

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Số lượng vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit được công bố 2 Hình 1.2 Chi phí đầu tư cho hệ thống vận hành và lợi nhuận thu được từ quá trình khai khoáng theo công nghệ truyền thống và công nghệ bioleaching 4 Hình 1.3 Cây phát sinh loài dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA 6 Hình 1.4 Các mốc thời gian đánh dấu hoạt động về nghiên cứu và ứng dụng của nhóm vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt 7 Hình 1 5 Sơ đồ phân bố và hình ảnh SEM của vi khuẩn trên bề mặt quặng pyrite 9 Hình 1 6 Sơ đồ mô tả cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình bioleaching 10 Hình 1 7 Tốc độ oxy hóa Fe2+ (IOR) tại các giá trị pH khác nhau (1.5 -2.5) ở nhiệt

độ 30ºC của vi khuẩn At ferrooxidans 12

Hình 1 8 So sánh lượng đồng được thu hồi từ bioleaching ở điều kiện ưa ấm (mesophile) và ưa nhiệt (thermophile) 13 Hình 1.9 Ảnh hưởng của kích thước hạt quặng tới quá trình hòa tách kẽm bởi vi

khuẩn Sulfobacillus thermosulfidooxidans 14

Hình 1.10 Ảnh hưởng của các hợp chất dung môi hữu cơ tới khả năng oxy hóa

chalcopyrite của At ferrooxidans 16

Hình 1.11 Sơ đồ quá trình bioleaching sử dụng mô hình đống ủ (heap leaching) và

mô hình hòa tách tại chỗ (in situ leaching) 17

Hình 1 12 Sơ đồ quy trình công nghệ của phương pháp hòa tách quặng theo mô hình đống ủ 17 Hình 1.13 Khai thác khoáng sản sử dụng công nghệ hòa tách dạng đống ủ (heap leaching) trên thế giới từ năm 1980 – 2014 19

Hình 1.14 Sơ đồ quá trình khai thác uranium bằng công nghệ hòa tách tại chỗ (in situ leaching) 20

Hình 1 15 Bể khuấy tuyển quặng và hệ thống tuyển quặng theo công nghệ bể khuấy. 21

Hình 2.1 Vị trí đoạn 16S rDNA được sử dụng trong phân tích DGGE ở

Lactobacillus plantarum 29

Hình 2.2 Sơ đồ chậu thí nghiệm tuyển quặng sinh học 33 Hình 3.1 Làm giàu vi khuẩn FOB và phân lập FOB qua dãy pha loãng trên đĩa 96 giếng 36 Hình 3 2 Hình thái tế bào của hai chủng FOB1 và FOB2 37 Hình 3.3 Vị trí phân loại của hai chủng vi khuẩn FOB1 và FOB2 so với các loài vi khuẩn oxy hóa sắt đã công bố 38 Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH trong môi trường tới hoạt tính oxy hóa Fe2+của hai

chủng FOB mới phân lập 39 Hình 3.5 Thay đổi pH và tổng lượng sắt hòa tách từ quặng trong thí nghiệm hòa

tách quặng chalcopyrite sử dụng các chủng vi khuẩn FOB1và FOB2 như nguồn

vi sinh vật bổ sung ban đầu 39 Hình 3.6 Ảnh chụp SEM của bề mặt quặng chalcopyrite sau thí nghiệm hòa tách cho thấy các hốc và các kênh ăn mòn do vi khuẩn FOB tạo ra 41 Hình 3.7 Phân tích thành phần nguyên tố của các mẫu quặng chalcopyrite trong thí nghiệm hòa tách bằng công cụ EDX 42 Hình 3.8 Hình ảnh FISH sử dụng đầu dò GAM42a trên mẫu quặng chalcopyrite từ

thí nghiệm hòa tách có bổ sung chủng Acidithiobacillus sp FOB1 làm giống

khởi động 43 Hình 3.9 Hình ảnh phân tích quần xã vi khuẩn trong các mẫu làm giâu (E1, E2) và

mẫu thí nghiệm hòa tách quặng chalcopyrite (LE) so sánh với các chủng thuần

khiết FOB1, FOB2 đã phân lập 44

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ 2

1.2 Vi sinh vật tham gia và cơ chế sinh học của quá trình bioleaching 4

1.2.1 Vi sinh vật tham gia quá trình bioleaching 4

1.2.1.1 Vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit ưa ấm (mesoacidophilic) 5

1.2.1.2 Vi sinh vật ưa axit ưa nhiệt (moderate thermoacidophilic) 6

1.2.1.3 Vi sinh vật ưa axit ưa nhiệt cực trị (extreme thermoacidophilic) 7

1.2.2 Cơ chế sinh học của quá trình bioleaching 8

1.2.2.1 Cơ chế trực tiếp 8

1.2.2.2 Cơ chế gián tiếp 9

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách quặng sinh học 11

1.3.1 Thành phần dưỡng chất 11

1.3.2 Nhu cầu O2 và CO2 11

1.3.3 pH 12

1.3.4 Nhiệt độ 13

1.3.5 Cấu trúc và kích thước hạt quặng 13

1.3.6 Kim loại nặng 14

1.3.7 Các chất có hoạt tính bề mặt và hợp chất hữu cơ 15

1.4 Các dạng công nghệ tuyển khoáng theo nguyên lý bioleaching 16

1.4.1 Công nghệ hòa tách dạng đống ủ (heap/dump leaching) 17

1.4.2 Công nghệ hòa tách tại chỗ (in situ leaching) 19

1.4.3 Mô hình hòa tách trong bể khuấy (tank leaching) 21

1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bioleaching 22

1.5.1 Trên thế giới 22

1.5.2 Ở Việt Nam 24

Chương 2 - VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 25

2.1 Nguyên vật liệu 25

2.1.1 Nguồn mẫu phân lập và mẫu quặng thử nghiệm 25

2.1.2 Hóa chất 25

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.1 Làm giàu và phân lập FOB 26

2.2.2 Tách DNA tổng số 27

2.2.2.1 Tách DNA từ dịch làm giàu và mẫu môi trường 27

2.2.2.2 Tách DNA từ các chủng thuần khiết 28

2.2.3 Phương pháp PCR – DGGE 29

2.2.4 Giải trình tự 16S rDNA và dựng cây phân loại 30

2.2.5 Định lượng Fe(II) và Fe tổng số 31

2.2.6 Phương pháp lai huỳnh quang tại chỗ (FISH) 33

2.2.7 Thiết lập thí nghiệm tuyển quặng sinh học 33

2.2.8 Phương pháp phân tích SEM và EDX 34

2.3 Sơ đồ các bước nghiên cứu 35

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Làm giàu và phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit 36

3.2 Xác định vị trí phân loại và định danh các chủng FOB mới phân lập 37

3.3 Nghiên cứu khả năng chịu pH của các chủng FOB phân lập 38

3.4 Nghiên cứu ứng dụng các chủng FOB mới phân lập trong thí nghiệm hòa tách quặng chalcopyrite trong mô hình phòng thí nghiệm 40

3.5 Phân tích nguyên tố trên bề mặt quặng chalcopyrite bằng công cụ EDX 41

3.6 Nghiên cứu thành phần vi khuẩn phát triển trên bề mặt quặng chalcopyrite trong thí nghiệm bioleaching 42

3.7 Nghiên cứu quần xã vi khuẩn trong mẫu làm giàu và mẫu thí nghiệm hòa tách quặng chalcopyrite 43

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 55

MỞ ĐẦU

Bioleaching là việc ứng dụng vi sinh vật để hòa tách các kim loại ra khỏi quặng của chúng Phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản nhờ hiệu quả kinh tế cao và tính thân thiện với môi trường Nhiều quốc gia có ngành công nghiệp khai thác khoáng sản phát triển như Nam Phi, Chile, Đức, Anh đã và đang áp dụng công nghệ tuyển khoáng sinh học để đảm bảo duy trì tính bền vững cho ngành công nghiệp này của nước mình Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ này còn chưa được quan tâm phát triển Số lượng các nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng về lĩnh vực này trong nước còn rất nhỏ

Ở Việt Nam, các mỏ có trữ lượng trung bình, hàm lượng quặng thường không cao và phân bố thiếu tập trung khiến cho công nghệ hòa tách hóa học khó đạt hiệu quả cao Do vậy bioleaching được nhìn nhận là một công nghệ hoàn toàn phù hợp với điều kiện mỏ trong thực tế Để phát triển công nghệ bioleaching trong nước, vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit bản địa cần được tìm kiếm và nghiên cứu về các đặc điểm sinh học có liên quan tới quá trình hòa tách kim loại Trong khuôn khổ

luận án thạc sỹ này, đề tài ―Phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit (FOB) phục vụ

cho công nghệ tuyển khoáng sinh học‖ được thực hiện với các nội dung chính sau:

- Phân lập tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt ưa axit

từ môi trường khai thác khoáng sản trong nước

- Nghiên cứu sự sinh trưởng trong môi trường pH thấp của các chủng phân

lập để đánh giá khả năng ứng dụng vào việc hòa tách quặng

- Thử nghiệm ứng dụng vi khuẩn để hòa tách kim loại từ quặng chalcopyrite (CuFeS2) trong mô hình phòng thí nghiệm

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ

Bioleaching là quá trình hòa tách các kim loại từ quặng dưới tác động của

vi sinh vật thay vì sử dụng các phương pháp hóa học truyền thống (Neale, 2006) Trong thực tế, con người đã sử dụng kỹ thuật bioleaching từ rất lâu một cách vô thức để tách kim loại (như đồng) từ quặng họ khai thác Tuy nhiên, chỉ tới những năm đầu của thế kỷ 20, bản chất khoa học của công nghệ mới được sáng tỏ thông

qua việc phát hiện ra chủng vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit đầu tiên, Acidithiobacillus ferrooxidans, cũng như những nghiên cứu, tìm ra vai trò của chúng trong việc hình thành nước thải mỏ (Colmer và Hinkle, 1947)

(A) (B)

Hình 1.1 A - Số lượng vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit được công bố (HET – vi sinh vật dị

dưỡng; S OX – vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh; Fe+S OX – vi khuẩn oxy hóa cả sắt và lưu huỳnh; Fe OX – vi khuẩn oxy hóa sắt (Watling, 2016) B – hình ảnh tế bào

Acidithiobacillus ferrooxidans trên bề mặt quặng đang bị tấn công (Fowler và Crundwell,

1999)

Kể từ đó, nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ bioleaching đã được đẩy mạnh Nhiều chủng vi sinh vật có khả năng ứng dụng trong các quá trình hòa tách kim loại đã được công bố (Hình 1.1A) và ứng dụng ở quy mô công nghiệp để thu hồi các kim loại từ quặng (Bảng 1.1)

Bảng 1 1 Ứng dụng công nghệ bioleaching trên thế giới

Vi sinh vật sử dụng trong

bioleaching Loại quặng áp dụng Kim loại

khai thác

Quốc gia TLTK

Cu, Fe Chile Demergasso

và cs, 2005

At ferrooxidans,

Sulfobacillus spp

Criddleite (TlAg2Au3Sb10S10), Liujiyinite (Ag3AuS2)

U, Ti Ấn Độ,

Tây Ba Nha

và đang phát triển nhƣ Mỹ, Tây ban Nha, Trung Quốc, Chile….Việc phát triển và

mở rộng các đối tƣợng khai thác cũng đã và đang đƣợc trú trọng nghiên cứu để ứng dụng trong thực tế (Bảng 1.1) Cho đến nay, các kim loại quý nhƣ Au, Ag, Ni, Co

đều đã được thu hồi thông qua việc sử dụng công nghệ bioleaching và đã mang lại những lợi ích lớn về kinh tế và môi trường tại nhiều quốc gia (Willner và cs, 2015)

Như vậy, bioleaching không còn là một công nghệ tiềm năng mà đã trở thành một công nghệ mới có thể thay thế công nghệ khai khoáng truyền thống và ngày càng khẳng định được vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp khai khoáng hiện nay Thực tế, hơn 20% sản lượng đồng khai thác trên thế giới được thực hiện bằng công nghệ bioleaching (Watling, 2006) Theo nghiên của Morenci và Collahausi (2015), mặc dù có chi phí vận hành cao hơn một chút, nhưng công nghệ bioleaching đạt hiệu suất hòa tách đồng tới 90 – 95% so với 60 – 65% của phương pháp khai thác hóa học truyền thống (Hình 1.2)

Hình 1 2 Chi phí đầu tư cho hệ thống vận hành và lợi nhuận thu được từ quá trình khai

khoáng theo công nghệ truyền thống và theo công nghệ bioleaching

1.2 Vi sinh vật tham gia và cơ chế sinh học của quá trình bioleaching

1.2.1 Vi sinh vật tham gia quá trình bioleaching

Vi sinh vật tham gia vào quá trình bioleaching rất đa dạng, từ các sinh vật

nhân sơ như At ferrooxidans và các loài cổ khuẩn như Ferroplasma acidiphilum, Sulfobacillus sp đến các loài vi tảo và vi khuẩn lam (Spirulina platensis, Nostoc linkia, Porphyridium cruentum) hay vi nấm đều có thể tham gia quá trình

bioleaching để hòa tách kim loại (Bảng 1.1) Tuy nhiên, do được ứng dụng rộng rãi hơn cả, các loài sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn và cổ khuẩn oxy hóa sắt ưa axit cũng như vai trò của chúng trong công nghệ bioleaching là đối tượng được đề cập

tới trong khuôn khổ bài luận văn này

1.2.1.1 Vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit ưa ấm (mesoacidophilic)

Các loài vi khuẩn trong nhóm này chủ yếu phát triển tốt ở khoảng nhiệt độ từ

25ºC tới 35ºC Đại diện điển hình và cũng là loài FOB được biết đến đầu tiên là At Ferrooxidans (tên cũ là Thiobacillus ferrooxidans được thay đổi theo Kelly và

Wood năm 2000) được phân lập từ hệ thống nước thải mỏ axit (Colmer và Hinkle, 1947) Từ đó đến nay có nhiều loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt ưa axit ưa ấm khác đã được phát hiện như Leptospirillum ferrooxidans (Markosyan, 1972),

Acidithiobacillus thiooxidans (Kelly và Wood, 2000) Về mặt sinh lý,

At ferrooxidans có nhiều điểm giống với At thiooxidans, loại vi khuẩn thường có

mặt trong các loại nước thải mỏ axit (Natarajan, 2008) Sự khác biệt cơ bản giữa hai

loài này là việc At thiooxidans không có khả năng oxy hóa Fe2+ (Rawlings, 2005)

Trong nhóm này cũng cần kể đến hai loài At prosperus và At cuprinus (Huber và Stetter, 1990) At prosperus đại diện cho một nhóm vi khuẩn oxy hóa kim loại chịu mặn, trong khi đó At cuprinus đại diện cho nhóm vi khuẩn hóa tự

dưỡng vô cơ (chemolithoautotrophic), có thể oxy hóa các sulfide kim loại nhưng lại không oxy hóa được Fe2+ Cả hai loài được xem là nguồn vi sinh vật quan trọng của quá trình hòa tách đồng từ quặng chalcopyrite (Huber và Stetter, 1990)

Trong nhóm này thì các loài Leptospirillum phát triển chậm hơn so với các

loài Acidithiobacillus trong môi trường giàu ion Fe2+ Tuy nhiên, Leptospirillum

spp lại có khả năng oxy hóa sắt cao và thực sự ưa axit, phát triển tốt ở điều kiện pH rất thấp (1 – 1.5) (Kinnunen và Puhakka, 2004) Gần đây các nhà khoa học mới phát

hiện được đại diện chịu nhiệt thuộc chi Leptospirillum là L ferriphilum, khác biệt với L ferroxidans ở khả năng phát triển tốt ở nhiệt độ tới 45ºC (Coram và Rawling, 2002), mở ra hướng ứng dụng nhóm vi khuẩn này ở điều kiện nhiệt độ cao

Hình 1 3 Cây phát sinh loài dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA cho thấy các loài

Acidithiobacillus thuộc các phân lớp α, β, γ – Proteobacteria, còn chi Leptospirilla thuộc nhóm nitrospira (Macalady và cs, 2013)

1.2.1.2 Vi sinh vật oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt (moderate thermoacidophilic)

Các loài trong nhóm này sinh trưỏng tốt trong khoảng nhiệt độ 45 - 55ºC, gồm một số loài như Acidithiobacillus caldus, Leptospirillum ferriphilum và Acidimicrobium (Neale, 2006) Ngoài ra, trong nhóm này còn có các loài cổ khuẩn thuộc chi Sulfobacillus hay chi Ferroplasma (F thermophilum) ít được sử dụng

trong các hệ thống bioleaching công nghiệp (Neale, 2006) Tuy nhiên các loài cổ khuẩn này đóng vai trò quan trọng trong hệ vi sinh vật bioleaching ở các bể phản ứng ở điều kiện nhiệt độ cao trong giai đoạn đầu quá trình hòa tách khi pH chưa đạt mức tối ưu (Zhang và cs, 2014) Sinh trưởng của các loài cổ khuẩn này ở giai đoạn sớm sẽ làm giảm pH, tạo điều kiện cho các loài vi khuẩn oxy hóa sắt ưa nhiệt khác

như Acidithiobacillus caldus và Leptospirillum ferriphilum phát triển, trực tiếp tham

gia vào quá trình hòa tách quặng (Zhang và cs, 2014)

1.2.1.3 Vi sinh vật oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt cực trị (extreme thermoacidophilic)

Các loài vi khuẩn ưa nhiệt cực trị chủ yếu là các loài cổ khuẩn sinh trưởng tốt ở nhiệt độ trong khoảng 60 - 90ºC (Neale, 2006) Các đại diện trong nhóm bao

gồm các loài thuộc chi Acidianus (như A.brierleyi), Sulfolobus (như S thermosul fidooxidans) và Metallosphaera (Wheaton và cs, 2015; Segener và cs, 1986) Hiện

nay, trong các quy trình hòa tách kim loại ở quy mô công nghiệp người ta đã ưu tiên

sử dụng các nhóm vi khuẩn này để nâng cao hiệu suất do tốc độ phản ứng tăng theo chiều tăng của nhiệt độ (Noris và cs., 1986; Brierley và cs, 1978; ) Bên cạnh đó, việc sử dụng các vi khuẩn ưa nhiệt cao trong bioleaching sẽ tạo điều kiện để mở rộng ứng dụng công nghệ với các loại quặng kém hiệu quả khi được hòa tách ở nhiệt độ ấm như chalcopyrite, quặng vàng arsenopyrite (Rawling và cs, 2005)

Hình 1 4 Các mốc thời gian đánh dấu hoạt động về nghiên cứu và ứng dụng của nhóm vi

khuẩn oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt độ cao (Wheaton và cs, 2015)

1.2.2 Cơ chế sinh học của quá trình bioleaching

Sự hòa tách kim loại trong các quặng sulfide nhờ vi sinh vật được thực hiện theo hai cơ chế, trực tiếp và gián tiếp (Rawling và cs, 2005)

1.2.2.1 Cơ chế trực tiếp

Khi tiếp xúc với quặng có chứa thành phần pyrite, vi sinh vật kết nối trực tiếp với các sulfide sắt trên bề mặt quặng (Hình 1.6) và thực hiện các phản ứng sinh hóa, tạo ra các sulfate sắt Phương trình phản ứng diễn ra như sau (Sand và cs, 2001):

4FeS2 + 14O2 + 4H2O  4FeSO4+ 4H2SO4

4FeSO4+ 2H2SO4 + O2  2Fe2(SO4)3 + 2H2O

Phản ứng oxy hóa trực tiếp pyrite, có thể được tóm tắt như sau:

4FeS2 + 2H2O + 15O2  2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4

Các nghiên cứu cho thấy ngoài sulfide sắt, nhiều dạng sulfide kim loại khác

cũng có thể được oxy hóa bởi At ferrooxidans theo cách tương tác trực tiếp như

trên, ví dụ như covellite (CuS), chalcocite (Cu2S), sphalerite (ZnS), galena (PbS), molybdenite (MoS2), stibnite (Sb2S3), cobaltite (CoS), millerite (NiS) (Ehrlich, 1996)

Hình 1 5 Vị trí phân bố của vi khuẩn (sơ đồ và hình ảnh SEM) trên bề mặt quặng pyrite(Bennett và Tributsch, 1978).a, b, c - các ổ vi khuẩn dạng đơn, đôi, xếp chuỗi; e (1, 2, 3) - phát triển của các ổ vi khuẩn từ dạng chuỗi để tạo thành dạng kênh; f - chuỗi các ổ vi khuẩn xếp vuông góc; g, h - các cụm ổ vi khuẩn; i - các ổ nghiêng theo bề mặt tinh thể

quặng; j - giao cắt của các chuỗi ổ vi khuẩn tại các điểm nứt nhỏ trên mạng tinh thể

1.2.2.2 Cơ chế gián tiếp

Trong cơ chế hòa tách gián tiếp, các vi khuẩn FOB tạo ra các sản phẩm có khả năng oxy hóa các sulfide kim loại theo con đường hóa học, cụ thể là ion Fe3+ (Bosecker, 1997) Quá trình gián tiếp xảy ra theo phản ứng:

MS + Fe2(SO4)3  MSO4 + 2FeSO4 + S Như vậy, theo cơ chế gián tiếp, vi khuẩn đóng vai trò cung cấp một cách liên tục chất oxy hóa, cụ thể ở đây là Fe2(SO4)3 Để giữ cho lượng sắt ở trong dung dịch luôn đủ thì quá trình oxy hóa học các sulfide kim loại phải xảy ra trong điều kiện môi trường pH < 5.0 Các ions Fe2+ sinh ra theo phản ứng trên được tái oxy hóa thành Fe3+ bởi At ferrooxidans và L ferrooxidans (Bosecker, 1997)

Trong hòa tách gián tiếp, vi khuẩn không cần tiếp xúc với bề mặt quặng mà đảm nhiệm chức năng xúc tác nhờ đẩy nhanh quá trình tái oxy hóa ion Fe2+

Theo một số nghiên cứu, trong khoảng pH 2-3 thì quá trình oxy hóa Fe2+

nhờ vi sinh xảy

ra nhanh gấp 105 – 106 lần so với oxy hóa hóa học (Yin, 2007; Peng, 2006; Zhang, 2006)

Sulfur sinh ra trong phản ứng gián tiếp có thể được oxy hóa thành axit

sulfuric bởi vi khuẩn At thiooxidans Quá trình này xảy ra theo phản ứng sau:

2S + 3O2 + 2H2O  2H2SO4

Thực tế, hai loài At thiooxidans và At ferrooxidans thường được phát hiện cùng nhau trong nhiều loại dịch ngâm chiết quặng, chứng minh vai trò của At thiooxidans trong quá trình hòa tách như một nhân tố duy trì điều kiện môi trường axit cho sự phát triển FOB như At ferrooxidans và L ferrooxidans (Kiều Hữu Ảnh, 1999; Bosecker, 1997)

Thực tế, quá trình bioleaching ở ngoài tự nhiên hay trong các hệ thống nhân tạo đều là sự kết hợp của cả hai cơ chế trực tiếp và gián tiếp (Hình 1.6) (Olson và

cs, 2003; Bosecker 1997)

Hình 1 6 Sơ đồ mô tả cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình bioleaching

(Kinnunen 2004)

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách quặng sinh học

Hiệu suất hòa tách kim loại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ hoạt động của vi sinh vật và cũng như bản chất hóa học và cấu trúc của quặng Hiệu quả hòa tách có thể đạt được tối đa khi các điều kiện công nghệ phù hợp cho vi khuẩn FOB phát triển được thỏa mãn tối ưu

1.3.1 Thành phần dưỡng chất

Vi khuẩn FOB thuộc vào nhóm hóa tự dưỡng vô cơ, chỉ yêu cầu các hợp chất

vô cơ cho quá trình sinh trưởng như FeSO4.7H2O, (NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO4.7H2O, KCl và Ca(NO3)2 Ngoài các hợp chất cần thiết của sắt và lưu huỳnh thì cần bổ sung thêm các muối ammonium, phosphate và magnesium để khuẩn có thể phát triển tốt nhất, đồng thời tạo pH tối ưu bằng cách bổ sung một lượng nhỏ axit sulfuric vào môi trường ở thời điểm khởi động (Bosecker, 1997)

1.3.2 Nhu cầu O 2 và CO 2

Vi khuẩn FOB thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, nhu cầu oxy cho sự

phát triển là rất cao Theo nghiên cứu của Myerson (1981) At ferrooxidans chỉ có

thể sinh trưởng được khi nồng độ oxy trong môi trường  5% nồng độ oxy bão hòa Bên cạnh đó, nhu cầu oxy còn phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trường, hay cụ thể hơn là điều kiện vận hành công nghệ (Bảng 1.2) Ở quy mô công nghiệp, cấp oxy là yêu tố quan trọng quyết định thời gian, hiệu suất và hiệu quả kinh tế của công nghệ

Bảng 1 2 Nồng độ oxy tới hạn cho sự phát triển của At ferrooxidans ở các nhiệt độ khác