Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с биоразведкой .
На этом изображении показаны электронные орбитали элемента урана, который имеет 92 протона.

Биодобыча - это метод извлечения металлов из руд и других твердых материалов, обычно с использованием прокариот , грибов или растений ( фитоэкстракция, также известная как фитодобыча или биодобыча). [1] Эти организмы выделяют из окружающей среды различные органические соединения, которые хелатируют металлы и возвращают их обратно в клетку, где они обычно используются для координации электронов. В середине 1900-х годов было обнаружено, что микроорганизмы используют металлы в клетке. Некоторые микробы могут использовать стабильные металлы, такие как железо , медь , цинк и золото, а также нестабильные атомы, такие как уран иторий . Теперь компании могут выращивать большие хемостаты микробов, выщелачивающих металлы из своих сред, а затем эти чаны с культурой могут быть преобразованы во многие коммерческие соединения металлов. Биодобыча - это экологически безопасный метод по сравнению с обычной добычей полезных ископаемых . Горнодобывающая промышленность выделяет много загрязнителей, в то время как единственные химические вещества, выделяемые при биодобыче, - это любые метаболиты или газы, выделяемые бактериями. Та же концепция может быть использована для биоремедиации.модели. Бактерии можно прививать в среду, загрязненную металлами, маслами или другими токсичными соединениями. Бактерии могут очищать окружающую среду, поглощая эти токсичные соединения, создавая энергию в клетке. Микробы могут достигать на химическом уровне вещей, которые никогда не могли бы сделать люди. Бактерии могут добывать металлы, очищать разливы нефти, очищать золото и использовать радиоактивные элементы для получения энергии.

История биомайнинга [ править ]

Самая первая признанная система биодобычи была опубликована в 1951 году, когда доктор философии Кеннета Темпла обнаружил, что Acidithiobacillus ferrooxidans процветает в среде, богатой железом, медью и магнием . В эксперименте Темпла A. ferrooxidans инокулировали в среду, содержащую от 2 000 до 26 000 ppm двухвалентного железа. Он обнаружил, что бактерии росли быстрее и были более подвижными при высоких концентрациях железа. Побочные продукты роста бактерий приводили к тому, что среда становилась очень кислой, в которой микроорганизмы все еще процветали. [2]Эксперимент Кеннета Темплса доказал, что у микроорганизмов есть механизмы восприятия и поглощения металлов для использования в клетке. Это открытие привело к разработке сложных современных систем биоминерации. Биодобыча - это использование микроорганизмов для выщелачивания металлов из их питательной среды. Эти системы можно использовать для биоремедиации, биогидрометаллургии или даже извлечения металлов из руд для коммерческого использования. Позже было обнаружено, что некоторые грибы также выщелачивают металлы из окружающей среды. [3] Было показано, что некоторые микроорганизмы обладают механизмом захвата радиоактивных металлов, таких как уран и торий. [4]

Обзор [ править ]

Развитие промышленной переработки полезных ископаемых налажено сейчас в нескольких странах, включая Южную Африку , Бразилию и Австралию . Микроорганизмы, окисляющие железо и серу, используются для высвобождения окклюдированных меди , золота и урана из минеральных сульфидов . Большинство промышленных установок для биоокисления золотосодержащих концентратов работали при 40 ° C со смешанными культурами мезофильных бактерий родов Acidithiobacillus или Leptospirillum ferrooxidans . В последующих исследованиях диссимуляторные железоредуцирующие археи Pyrococcus furiosus иБыло показано, что Pyrobaculum islandicum восстанавливает хлорид золота до нерастворимого золота.

Использование бактерий, таких как Acidithiobacillus ferrooxidans, для выщелачивания меди из хвостов рудников позволило улучшить показатели извлечения и снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, он позволяет производить добычу из руды с низким содержанием, что является важным соображением в условиях истощения запасов руды с высоким содержанием. [5]

Некоторые примеры прошлых проектов в области биотехнологии включают биологически помощь на место в программе добычи, методы биодеградации, пассивной биоремедиация кислоты горного дренажа и выщелачивание руд и концентратов. Это исследование часто приводит к внедрению технологий для повышения эффективности и производительности или к новым решениям сложных проблем. Дополнительные возможности включают биовыщелачивание металлов из сульфидных материалов, биопереработку фосфатных руд и биоконцентрирование металлов из растворов. Один из проектов, который недавно исследуется, - это использование биологических методов снижения содержания серы при очистке угля. Биотехнология предлагает инновационные и экономически эффективные отраслевые решения, от добычи полезных ископаемых до технологии переработки и обработки полезных ископаемых. [модное слово ]

Потенциал термофильных сульфидокисляющих архей в извлечении меди вызвал интерес в связи с эффективным извлечением металлов из сульфидных руд, трудно поддающихся растворению . Микробиологическое выщелачивание особенно полезно для медных руд, поскольку сульфат меди, образующийся при окислении сульфидных руд меди, очень растворим в воде. Приблизительно 25% всей меди, добываемой во всем мире, в настоящее время получают в результате процессов выщелачивания. Ацидофильные археи Sulfolobus Metallicus и Metallosphaera sedulaвыдерживают до 4% меди и используются для добычи полезных ископаемых. От 40 до 60% извлечения меди было достигнуто в первичных реакторах и более 90% извлечения во вторичных реакторах с общим временем пребывания около 6 дней.

Окисление иона двухвалентного железа (Fe 2+ ) до иона трехвалентного железа (Fe 3+ ) является реакцией с выделением энергии для некоторых микроорганизмов. Поскольку получается лишь небольшое количество энергии, необходимо окислять большое количество (Fe 2+ ). Кроме того, (Fe 3+ ) образует нерастворимый Fe (OH)
3выпадает в осадок в H 2 O. Многие микроорганизмы, окисляющие Fe 2+, также окисляют серу и, таким образом, являются облигатными ацидофилами, которые дополнительно подкисляют окружающую среду путем производства H 2 SO 4 . Частично это связано с тем, что при нейтральном pH Fe 2+ быстро химически окисляется при контакте с воздухом. В этих условиях не хватает Fe 2+ для значительного роста. Однако при низком pH Fe 2+ намного более стабилен. Это объясняет, почему большинство микроорганизмов, окисляющих Fe 2+, встречаются только в кислой среде и являются облигатными ацидофилами .

Наиболее изученной бактерией-окислителем Fe 2+ является Acidithiobacillus ferrooxidans , ацидофильный хемолитотроф. Микробиологическое окисление Fe 2+ является важным аспектом развития кислого pH в шахтах и ​​представляет собой серьезную экологическую проблему. Однако этот процесс также можно с пользой использовать при контроле. Серосодержащий рудный пирит (FeS 2 ) находится в начале этого процесса. Пирит - это нерастворимая кристаллическая структура, которой много в угольных и минеральных рудах. Это происходит в результате следующей реакции:

S + FeS → FeS 2

Обычно пирит защищен от контакта с кислородом и недоступен для микроорганизмов. Однако при эксплуатации рудника пирит контактирует с воздухом (кислородом) и микроорганизмами, и начинается окисление. Это окисление основано на сочетании процессов, катализируемых химическими и микробиологическими методами. На этот процесс могут влиять два акцептора электронов : ионы O 2 и Fe 3+ . Последний будет присутствовать в значительных количествах только в кислых условиях (pH <2,5). Сначала медленный химический процесс с O 2 в качестве акцептора электронов инициирует окисление пирита:

FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O → Fe 2+ + 2 SO 4 2- + 2 H +

Эта реакция подкисляет окружающую среду, и Fe 2+ образуется довольно стабильно. В такой среде Acidithiobacillus ferrooxidans сможет быстро расти. При дальнейшем подкислении ферроплазма также будет развиваться и еще больше подкисляться. Как следствие микробной активности (реакция производства энергии):

Fe 2+ → Fe 3+

Этот Fe 3+, который остается растворимым при низком pH, самопроизвольно реагирует с пиритом:

FeS 2 + 14 Fe 3+ + 8 H 2 O → 15 Fe 2+ + 2 SO 4 2- + 16 H +

Произведенный Fe 2+ снова может быть использован микроорганизмами, и, таким образом, будет инициирована каскадная реакция.

Методы обработки [ править ]

Смотрите также: Биовыщелачивание

В промышленном процессе микробного выщелачивания, широко известном как биовыщелачивание , руда с низким содержанием золота сбрасывается в большую кучу (отвал для выщелачивания), а разбавленный раствор серной кислоты (pH 2) просачивается вниз через отвал. [5] Жидкость, выходящая на дно кучи, богатая минералом, собирается и транспортируется на установку для осаждения, где металл повторно осаждается и очищается. Затем жидкость перекачивается обратно в верхнюю часть кучи, и цикл повторяется.

Acidithiobacillus ferrooxidans способна окислять Fe 2+ до Fe 3+ .

Химическое окисление медной руды ионами трехвалентного железа (Fe 3+ ), образованными в результате микробного окисления ионов двухвалентного железа (полученных в результате окисления пирита). Три возможных реакции окисления медной руды:

Cu 2 S + 1/2 O 2 + 2 H + → CuS + Cu 2+ + H 2 O
CuS + 2 O 2 → Cu 2+ + SO 4 2−
CuS + 8 Fe 3+ + 4 H 2 O → Cu 2+ + 8 Fe 2+ + SO 4 2- + 8 H +

Затем металлическую медь извлекают, используя Fe 0 из стальных банок:

Fe 0 + Cu 2+ → Cu 0 + Fe 2+

Температура внутри отвала для выщелачивания часто самопроизвольно повышается в результате деятельности микробов. Таким образом, термофильные хемолитотрофы, окисляющие железо, такие как термофильные виды Acidithiobacillus и Leptospirillum, и при еще более высоких температурах термоацидофильная архея Sulfolobus ( Metallosphaera sedula ) могут стать важными в процессе выщелачивания при температуре выше 40 ° C. Подобно меди, Acidithiobacillus ferrooxidans может окислять U 4+ до U 6+ с O 2 в качестве акцептора электронов. Однако вполне вероятно, что процесс выщелачивания урана больше зависит от химического окисления урана Fe 3+ , сВ. ferrooxidans, вносящие вклад в основном за счет повторного окисления Fe 2+ в Fe 3+, как описано выше.

UO 2 + Fe (SO 4 ) 3 → UO 2 SO 4 + 2 FeSO 4

Современные методы [ править ]

Золото часто встречается в природе в связке с минералами, содержащими мышьяк и пирит. В процессе микробного выщелачивания At. ferrooxidans и его родственники способны атаковать минералы арсенопирита и делать их растворимыми, высвобождая при этом захваченное золото (Au):

2 FeAsS [Au] + 7 O 2 + 2 H 2 O + H 2 SO 4 → Fe (SO 4 ) 3 + 2 H 3 AsO 4 + [Au]

Биогидрометаллургия - это развивающаяся тенденция в области биодобычи, при которой на коммерческих горнодобывающих предприятиях используются резервуарный реактор с непрерывным перемешиванием (STR) и эрлифтный реактор (ALR) или пневматический реактор (PR) типа Пачука для эффективной добычи минеральных ресурсов с низкой концентрацией. [5]

Развитие промышленной переработки минерального сырья с использованием микроорганизмов уже началось в нескольких странах, включая Южную Африку, Бразилию и Австралию. Микроорганизмы, окисляющие железо и серу, используются для выделения меди, золота и урана из минералов. Электроны отрываются от металлической серы в результате окисления, а затем переносятся на железо, производя восстановительные эквиваленты в ячейке в процессе. Это показано на этом рисунке . [6] Эти восстанавливающие эквиваленты затем продолжают производить аденозинтрифосфат в клетке через цепь переноса электронов. Большинство промышленных установок для биоокисления золотосодержащих концентратов работали при 40 ° C со смешанными культурами мезофильных бактерий родов Acidithiobacillus илиLeptospirillum ferrooxidans . [7] В других исследованиях было показано, что восстанавливающие железо археи Pyrococcus furiosus производят водород, который затем можно использовать в качестве топлива. [8] Использование бактерий, таких как Acidithiobacillus ferrooxidans, для выщелачивания меди из хвостов рудников позволило повысить коэффициент извлечения и снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, он позволяет производить добычу из руды с низким содержанием, что является важным соображением в условиях истощения запасов руды с высоким содержанием.

Ацидофильные археи Sulfolobus metallicus и Metallosphaera sedula могут переносить до 4% меди и использовались для биодобычи минералов. От 40 до 60% извлечения меди было достигнуто в первичных реакторах и более 90% извлечения во вторичных реакторах с общим временем пребывания около 6 дней. Все эти микробы получают энергию за счет окисления этих металлов. Окисление означает увеличение количества связей между атомом и кислородом. Микробы окисляют серу. Полученные электроны будут восстанавливать железо, высвобождая энергию, которая может быть использована клеткой.

Биовосстановление [ править ]

Биоремедиация - это процесс использования микробных систем для восстановления здорового состояния окружающей среды. Некоторые микроорганизмы могут выжить в богатой металлами среде, где они могут затем выщелачивать катионы металлов для использования в клетке. Эти микробы можно использовать для удаления металлов из почвы или воды. Эти извлечения металлов можно проводить на месте или вне места, где предпочтительнее на месте, поскольку выкапывать субстрат дешевле. [9]

Биоремедиация не специфична для металлов. В 2010 году в Мексиканском заливе произошел масштабный разлив нефти . Популяции бактерий и архей использовались для омоложения побережья после разлива нефти. Эти микроорганизмы со временем развили метаболические сети, которые могут использовать углеводороды, такие как нефть и нефть, в качестве источника углерода и энергии. [10] Микробная биоремедиация - очень эффективный современный метод восстановления природных систем путем удаления токсинов из окружающей среды.

Будущие перспективы [ править ]

Потенциальные применения биодобычи бесчисленны. Некоторые прошлые проекты включают добычу на месте, биодеградацию , биоремедиацию и биовыщелачивание руд. Исследования биодобычи обычно приводят к внедрению новых технологий для повышения выхода металлов. Биодобыча обеспечивает новое решение сложных экологических проблем. Дополнительные возможности включают биовыщелачивание металлов из сульфидных руд, фосфатных руд и концентрирование металлов из растворов. Один из проектов, который недавно исследуется, - это использование биологических методов снижения содержания серы при очистке угля. От добычи полезных ископаемых до технологии обработки и обработки полезных ископаемых, биодобыча предлагает инновационные и экономически эффективные промышленные решения. [11] Это может быть полезно для добычи полезных металлов в космосе.[12] [13]

См. Также [ править ]

  • Фитоэкстракция

Ссылки [ править ]

  1. ^ V. Sheoran, AS Sheoran & Poonam Poonia (октябрь 2009). «Фитодобыча: обзор». Минеральное машиностроение . 22 (12): 1007–1019. DOI : 10.1016 / j.mineng.2009.04.001 .
  2. ^ Джонсон, Д. Барри (декабрь 2014 г.). «Биодобыча - биотехнологии для извлечения и извлечения металлов из руд и отходов». Текущее мнение в области биотехнологии . 30 : 24–31. DOI : 10.1016 / j.copbio.2014.04.008 . PMID 24794631 . 
  3. ^ Wang, Y .; Zeng, W .; Qiu, G .; Чен, X .; Чжоу, Х. (15 ноября 2013 г.). «Умеренно термофильная смешанная микробная культура для биовыщелачивания концентрата халькопирита при высокой плотности пульпы» . Прикладная и экологическая микробиология . 80 (2): 741–750. DOI : 10,1128 / AEM.02907-13 . PMC 3911102 . PMID 24242252 .  
  4. ^ Tsezos, Marios (2013-01-01). «Биосорбция: механистический подход». В Шипперс, Аксель; Гломбица, Франц; Sand, Вольфганг (ред.). Geobiotechnology я . Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 141 . Springer Berlin Heidelberg. С. 173–209. DOI : 10.1007 / 10_2013_250 . ISBN 9783642547096. PMID  24368579 .
  5. ^ а б в Кунду и др. 2014 «Параметры биохимической инженерии для гидрометаллургических процессов: шаги к более глубокому пониманию»
  6. ^ Джонсон, Д. Барри; Канао, Тадаёши; Хедрих, Сабрина (01.01.2012). «Редокс-превращения железа при крайне низком pH: фундаментальные и прикладные аспекты» . Границы микробиологии . 3 : 96. DOI : 10,3389 / fmicb.2012.00096 . ISSN 1664-302X . PMC 3305923 . PMID 22438853 .   
  7. ^ Цю, Гуаньчжоу; Ли, Цянь; Ю, Рунлан; Сунь, Чжаньсюэ; Лю, Яцзе; Чен, Мяо; Инь, Хуацюнь; Чжан, Яге; Лян, Или; Сюй, Линлинг; Солнце, Лимин; Лю, Сюэдуань (апрель 2011 г.). «Колонное биовыщелачивание урана, внедренного в гранит-порфир, мезофильным ацидофильным консорциумом». Биоресурсные технологии . 102 (7): 4697–4702. DOI : 10.1016 / j.biortech.2011.01.038 . PMID 21316943 . 
  8. ^ Верхаарт, Марсель РА; Билен, Авраам А.М.; Ост, Джон ван дер; Стамс, Альфонс Дж. М.; Кенген, Серве WM (01.07.2010). «Производство водорода гипертермофильными и чрезвычайно термофильными бактериями и археями: механизмы утилизации восстановителя». Экологические технологии . 31 (8–9): 993–1003. DOI : 10.1080 / 09593331003710244 . ISSN 0959-3330 . PMID 20662387 .  
  9. ^ Azubuike, Кристофер Chibueze; Чикере, Чиома Блейз; Окпоквасили, Гидеон Тиджиоке (16 сентября 2016 г.). «Методы биоремедиации - классификация по месту применения: принципы, преимущества, ограничения и перспективы» . Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии . 32 (11): 180. DOI : 10.1007 / s11274-016-2137-х . PMC 5026719 . PMID 27638318 .  
  10. ^ Fathepure, Баба Z. (2014-01-01). «Последние исследования микробной деградации нефтяных углеводородов в гиперсоленой среде» . Границы микробиологии . 5 : 173. DOI : 10,3389 / fmicb.2014.00173 . ISSN 1664-302X . PMC 4005966 . PMID 24795705 .   
  11. ^ Лоусон, Кристофер Э .; Strachan, Cameron R .; Уильямс, Доминик Д .; Козил, Сьюзен; Халлам, Стивен Дж .; Бадвилл, Карен; Лю, С.-Дж. (15 ноября 2015 г.). "Модели эндемизма и выбора среды обитания в сообществах угольных микробов" . Прикладная и экологическая микробиология . 81 (22): 7924–7937. DOI : 10,1128 / AEM.01737-15 . PMC 232600 . PMID 9106364 .  
  12. ^ Крейн, Лия. «Микробы, поедающие астероиды, могут добывать материалы из космических скал» . Новый ученый . Проверено 9 декабря 2020 .
  13. ^ Кокелл, Чарльз S .; Сантомартино, Роза; Финстер, Кай; Waajen, Annemiek C .; Eades, Lorna J .; Меллер, Ральф; Реттберг, Петра; Fuchs, Felix M .; Ван Хоудт, Роб; Лейс, Натали; Конинкс, Ильзе; Хаттон, Джейсон; Пармитано, Лука; Краузе, Ютта; Келер, Андреа; Кэплин, Никол; Zuijderduijn, Lobke; Мариани, Алессандро; Pellari, Stefano S .; Карубиа, Фабрицио; Лучани, Джакомо; Бальзамо, Микеле; Золези, Вальфредо; Николсон, Наташа; Лаудон, Клэр-Мари; Досвальд-Винклер, Жаннин; Херова, Магдалена; Раттенбахер, Бернд; Уодсворт, Дженнифер; Craig Everroad, R .; Демец, Рене (10 ноября 2020 г.). «Эксперимент по биоминерации космической станции демонстрирует извлечение редкоземельных элементов в условиях микрогравитации и гравитации Марса» . Nature Communications . 11 (1): 5523. doi: 10.1038 / s41467-020-19276-w . ISSN  2041-1723 . PMC  7656455 . PMID  33173035 . Проверено 9 декабря 2020 . Доступно по лицензии CC BY 4.0 .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Новости NBIAP". Министерство сельского хозяйства США (июнь 1994 г.).
  • Микробное выщелачивание руд при повторном открытии БИОЛОГИИ, Интернет-учебник
  • REBgold Биовыщелачивание