Биодобыча - Biomining

Не путать с Биоразведка.
На этом изображении показаны электронные орбитали элемента урана, который имеет 92 протона.

Биодобыча это метод извлечения металлов из руды и другие твердые материалы, обычно использующие прокариоты, грибы или растения (фитоэкстракция также известный как фитодобыча или биодобыча).[1] Эти организмы выделяют различные органические соединения, которые хелат металлы из окружающей среды и приносят обратно в ячейку, 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 утюг, медь, цинк, и золото а также нестабильные атомы, такие как уран и торий. Компании теперь могут расти хемостаты Если микробы выщелачивают металлы из своей среды, эти чаны с культурой затем могут быть преобразованы во многие коммерческие соединения металлов. Биодобыча - это экологически чистый техника по сравнению с типичной добыча полезных ископаемых. Майнинг выпускает много загрязняющие вещества в то время как единственные химические вещества, выделяемые при биодобыче, - это любые метаболиты или газы, выделяемые бактериями. Та же концепция может быть использована для биоремедиация 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 биодобычи

Самая первая признанная система биодобычи была опубликована в 1951 году, когда доктор философии Кеннет Темпл обнаружил, что Ацидитиобациллы феррооксиданы любит железо, медь и магний богатая среда. В эксперименте Храма A. ferrooxidans был внесен в среду, содержащую от 2000 до 26000 частей на миллион 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 для 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

Развитие промышленной переработки полезных ископаемых налажено сейчас в нескольких странах, включая Южная Африка, Бразилия и Австралия. Микроорганизмы, окисляющие железо и серу, используются для высвобождения окклюзированных медь, золото и уран из минерала сульфиды. Большинство промышленных установок для биоокисления золотосодержащих концентратов работали при 40 ° C со смешанными культурами мезофильный бактерии родов Ацидитиобациллы или же Leptospirillum ferrooxidans. В последующих исследованиях диссимуляторное железо-восстанавливающее археи Pyrococcus furiosus и Pyrobaculum islandicum было показано, что хлорид золота восстанавливается до нерастворимого золота.

С помощью Бактерии Такие как Acidithiobacillus ferrooxidans выщелачивать медь из шахты хвосты улучшила скорость извлечения и снизила эксплуатационные расходы. Кроме того, он позволяет производить добычу из руд с низким содержанием, что является важным соображением в условиях истощения запасов руды с высоким содержанием.[5]

Некоторые примеры прошлых проектов в области биотехнологии включают биологическую помощь на месте программа добычи, методы биодеградации, пассивная биоремедиация дренажа кислых пород и биовыщелачивание 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 теплолюбивый сульфидокисляющие археи в добыче меди привлекли интерес благодаря эффективному извлечению металлов из сульфидных руд, устойчивых к растворение. Микробный выщелачивание особенно полезен для медных руд, потому что сульфат меди, образующийся при окислении сульфидной медной руды, очень растворим в воде. Приблизительно 25% всей меди, добываемой во всем мире, в настоящее время получают путем выщелачивания. В ацидофильный археи Сульфолобус металлический и Metallosphaera sedula выдерживают 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 (Fe2+) к иону трехвалентного железа (Fe3+) является реакцией с выделением энергии для некоторых микроорганизмов. Поскольку получается лишь небольшое количество энергии, большое количество (Fe2+) должны быть окислены. Кроме того, (Fe3+) образует нерастворимый Fe (ОН)
3 осадок в H2О. Манни Фе2+ окисляющие микроорганизмы также окисляют серу и, таким образом, являются облигатными ацидофилами, которые дополнительно подкисляют окружающую среду за счет производства H2ТАК4. Отчасти это связано с тем, что при нейтральном pH Fe2+ быстро окисленный химически контактирует с воздухом. В этих условиях не хватает Fe2+ чтобы позволить значительный рост. Однако при низком pH Fe2+ намного стабильнее. Это объясняет, почему большая часть Fe2+ окисляющие микроорганизмы встречаются только в кислой среде и обязать ацидофилы.

Наиболее изученный Fe2+ окисляющая бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans, ацидофильный хемолитотроф. Микробиологическое окисление Fe2+ 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 (FeS2) находится в начале этого процесса. Пирит является нерастворимый кристаллическая структура, распространенная в угольных и минеральных рудах. Это происходит в результате следующей реакции:

S + FeS → FeS2

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 химически и микробиологически. Два акцепторы электронов может повлиять на этот процесс: O2 и Fe3+ ионы. Последний будет присутствовать в значительных количествах только в кислых условиях (pH <2,5). Сначала медленный химический процесс с O2 как акцептор электронов инициирует окисление пирита:

FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 СО42− + 2 часа+

Эта реакция подкисляет окружающую среду, и Fe2+ будет формироваться достаточно стабильно. В такой среде Acidithiobacillus ferrooxidans сможет быстро расти. При дальнейшем подкислении Ферроплазма также будет развиваться и подкисляться. Как следствие микробной активности (реакция производства энергии):

Fe2+ → Fe3+

Это Fe3+ который остается растворимым при низких значениях pH, самопроизвольно реагирует с пиритом:

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 часов2O → 15 Fe2+ + 2 СО42− + 16 часов+

Производимое Fe2+ снова могут быть использованы микроорганизмами и, таким образом, будет инициирована каскадная реакция.

Методы обработки

Смотрите также: Биовыщелачивание

В промышленном процессе микробного выщелачивания, широко известном как биовыщелачиваниеруда с низким содержанием золота сбрасывается в большую кучу (отвал выщелачивания), а разбавленный раствор серной кислоты (pH 2) просачивается вниз через отвал.[5] Жидкость, выходящая из нижней части 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 способен окислять Fe2+ в Fe3+.

Химическая окисление медной руды с железом (Fe3+) ионы, образующиеся в результате микробного окисления ионов двухвалентного железа (полученные в результате окисления пирита). Три возможных реакции окисления медной руды:

Cu2S + 1/2 O2 + 2 часа+ → CuS + Cu2+ + H2О
CuS + 2 O2 → Cu2+ + ТАК42−
CuS + 8 Fe3+ + 4 часа2O → Cu2+ + 8 Fe2+ + ТАК42− + 8 часов+

Затем металлическую медь извлекают с помощью Fe.0 из стальных банок:

Fe0 + Cu2+ → Cu0 + Fe2+

Температура внутри отвала для выщелачивания часто самопроизвольно повышается в результате деятельности микробов. Таким образом, термофильные хемолитотрофы, окисляющие железо, такие как термофильные Ацидитиобациллы виды и Лептоспириллы а при еще более высоких температурах термоацидофильный архей Сульфолобус (Metallosphaera sedula ) может стать важным в процессе выщелачивания при температуре выше 40 ° C. Подобно меди, Acidithiobacillus ferrooxidans может окислять U4+ к тебе6+ с O2 как акцептор электронов. Однако вполне вероятно, что процесс выщелачивания урана больше зависит от химического окисления урана Fe.3+, с В. феррооксиданы способствуя в основном за счет повторного окисления Fe2+ в Fe3+ как описано выше.

UO2 + Fe (SO4)3 → UO2ТАК4 + 2 FeSO4

Современные методы

Золото часто встречается в природе, связанное с минералами, содержащими мышьяк и пирит. В процессе микробного выщелачивания В. феррооксиданы и родственники способны атаковать и превращать минералы арсенопирита в раствор и в процессе высвобождать захваченное золото (Au):

2 FeAsS [Au] + 7 O2 + 2 часа2O + H2ТАК4 → Fe (SO4)3 + 2 часа3AsO4 + [Au]

Биогидрометаллургия это новая тенденция в области биодобычи, при которой коммерческие горнодобывающие предприятия работают непрерывно реактор с мешалкой (STR) и эрлифтный реактор (ALR) или пневматический реактор (PR) типа Pachuca 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 в этом фигура.[6] Эти восстанавливающие эквиваленты затем продолжают производить аденозинтрифосфат в клетке через цепь переноса электронов. Большинство промышленных предприятий по биоокислению золотосодержащих концентратов работали при 40 ° C со смешанными культурами мезофильных бактерий этих родов. Ацидитиобациллы или же Leptospirillum ferrooxidans.[7] Согласно другим исследованиям, железо-восстанавливающие археи Pyrococcus furiosus Было показано, что он производит газообразный водород, который затем можно использовать в качестве топлива.[8] Использование таких бактерий, как Acidithiobacillus ferrooxidans, для выщелачивания меди из хвостов рудников позволило повысить степень извлечения и снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, он позволяет производить добычу из руд с низким содержанием, что является важным соображением в условиях истощения запасов руды с высоким содержанием.

Ацидофильные археи Сульфолобус металлический и Metallosphaera sedula могут выдерживать до 4% меди и использовались 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. Все эти микробы получают энергию, окисляя эти металлы. Окисление означает увеличение количества связей между атомом кислорода. Микробы окисляют серу. Полученные электроны будут восстанавливать железо, высвобождая энергию, которая может быть использована клеткой.

Биоремедиация

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 могут быть выполнены на месте или вне места, где предпочтительнее на месте, поскольку выкапывать субстрат дешевле.[9]

Биоремедиация не специфична для металлов. В 2010 г. Массовый разлив нефти в Мексиканском заливе. Популяции бактерий и археи 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

Потенциальные применения биодобычи бесчисленны. Некоторые прошлые проекты включают добычу на месте, биоразложение, биоремедиация 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 экономичные промышленные решения.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ В. Шеоран, А. С. Шеоран и Пунам Пуния (октябрь 2009 г.). «Фитодобыча: обзор». Минерал Инжиниринг. 22 (12): 1007–1019. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1128 / AEM.02907-13. ЧВК  3911102. PMID  24242252.
  4. ^ Цезос, Мариос (01.01.2013). «Биосорбция: механистический подход». В Шипперс, Аксель; Гломбица, Франц; Sand, Вольфганг (ред.). Геобиотехнология I. Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 141. Springer Berlin Heidelberg. С. 173–209. Дои:10.1007/10_2013_250. ISBN  9783642547096. PMID  24368579.
  5. ^ а б c Kundu et al. 2014 г. «Параметры биохимической инженерии для гидрометаллургических процессов: шаги к более глубокому пониманию»
  6. ^ Джонсон, Д. Барри; Канао, Тадаёси; Хедрих, Сабрина (01.01.2012). «Редокс-превращения железа при крайне низком pH: фундаментальные и прикладные аспекты». Границы микробиологии. 3: 96. Дои:10.3389 / fmicb.2012.00096. ISSN  1664-302X. ЧВК  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. Дои:10.1016 / j.biortech.2011.01.038. PMID  21316943.
  8. ^ Verhaart, Marcel R.A .; Bielen, Abraham A.M .; Ост, Джон ван дер; Stams, Alfons J.M .; Кенген, Серве В. М. (01.07.2010). «Производство водорода гипертермофильными и чрезвычайно термофильными бактериями и археями: механизмы утилизации восстановителя». Экологические технологии. 31 (8–9): 993–1003. Дои:10.1080/09593331003710244. ISSN  0959-3330. PMID  20662387.
  9. ^ Азубуике, Кристофер Чибезе; 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. Дои:10.1007 / s11274-016-2137-х. ЧВК  5026719. PMID  27638318.
  10. ^ Fathepure, Бабу З. (01.01.2014). «Последние исследования микробной деградации нефтяных углеводородов в гиперсоленой среде». Границы микробиологии. 5: 173. Дои:10.3389 / fmicb.2014.00173. ISSN  1664-302X. ЧВК  4005966. PMID  24795705.
  11. ^ Лоусон, Кристофер Э .; Strachan, Cameron R .; Уильямс, Доминик Д .; Козил, Сьюзен; Hallam, 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. Дои:10.1128 / AEM.01737-15. ЧВК  232600. PMID  9106364.

внешняя ссылка