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 HUYÊN NHÓM: 1. ĐẶNG VĨNH QUÍ 2. PHÙNG NGỌC NHƯ Ý 3. NGUYỄN THỊ LIÊN 4. VÕ CHÂU VIỆT KHUÊ 5. KIỀU THỊ HOÀNG TÙNG 6. NGUYỄN NGỌC BẢO TRÂM 1 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 2 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 Fe 2+ thành Fe 3+ cũng như các loại lưu huỳnh dạng khử thành acid sulfuric hoặc sulfade kim loại. Ngoài ra, hàng loạt các vi sinh vật 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. 3 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). Đặc điểm: + Quá trình tuyển khoáng mang lại giá trị sử dụng cho nguyên liệu khoáng sản + Quá trình tuyển khoáng không làm thay đổi bản chất của vật liệu khoáng sản ( cấu trúc tinh thể , công thức hóa học) điểm này phân biệt giữa tuyển khoáng và luyện kim hay hóa chất + 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 khoáng vật 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 khoáng. Từ trước công nguyên, người La Mã đã sử dụng VSV trong khai thác đồng từ dịch khoáng nhưng vẫn chưa biết đến sự tồn tại của nó. Đến năm 1901, kĩ sư Seiko (Liên Xô) lần đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của vi khuẩn trong các bẫy dầu ở vùng Bacu. Năm 1947 lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans từ nước thải hầm mỏ. 4 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 sinh vật 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 CO 2 từ sự oxy hóa Fe 2+ 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 Fe 2+. + 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 tại trong 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 các chủng vi sinh vật khác nhau. Sự hấp phụ sinh học không phụ thuộc vào trao đổi chất: 5 + 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 có hiệu 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 quá trình 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 Cd 2+ 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. 6 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 độ độc 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 điểm không 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 CO 2 từ sự oxi hóa Fe 2+ 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. 7 Thiobacillus thiooxidans Leptospirillum ferrooxidans lần đầu tiên phân lập được quặng sunfua vàng. Nó có thể ngâm chiết pirit, có khả năng sinh trưởng tự dưỡng trên ion Fe 2+ và mẫn cảm với sự kìm hãm bởi ion Fe 3+ . Leptospirillum ferrooxidans Sunfobacillus acidocaldarius được phân lập từ các suối nước nóng có tính acid. Nó sinh trưởng hóa tự dưỡng với các cơ chất là lưu huỳnh, các hợp chất khử lưu huỳnh và Fe 2+ . 8 Sunfobacillus acidocaldarius Thiobacillus kabobis và Thiobacillus organooprus oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố và sinh trưởng ở pH 1,5-5,0. Thiobacillus kabobis Thiobacillus thioporus oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, tio sulfat và nhiều loại sulfur kể cả sulfur kẽm. Thiobacillus acidophilus có khả năng đối với cả sinh trưởng hóa tự dưỡng lẫn sinh trưởng dị dưỡng. Nó được phân lập từ một môi trường nuôi T.ferrooxidans. Vi khuẩn này oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, đường, acid amin và các acid cacbocylide ở pH 3,0-3,5. 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 MS + 2O 2 MSO 4 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 ly của MS: MS + M 2+ S 2- 9 Anion sulfur được giải phóng ra sau đó sẽ lập tức được liên kết với hệ thống enzim của vi khuẩn và bị oxy hóa thành sulfat: Vi khuẩn S 2- + 0 2 SO 4 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 trình này có thể tiếp tục đến khi toàn bộ cơ chất ( MS) được chuyển hóa thành sản phẩm (MSO 4 ). 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 Fe 3+ 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 ( dM 2+ /dt) độ hòa tan sản phẩm của các khoáng vật sulfur (K sp ): dM 2+ /dtK sp = αK sp = α[M 2+ ][S 2- ] trong đó α 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: Fe 3+ 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: UO 2 + Fe 2 (SO4) 3 UO 2 SO 4 + 2FeSO 4 Fe 2+ được sinh ra trong phương trình kia sẽ được tái oxi hóa bởi các vi khuẩn thành Fe 3+ theo phương trình sau: Vi khuẩn 2FeSO 4 + H 2 SO 4 + 0,5 O 2 Fe 2 (SO4) 3 + H 2 O 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. Fe 2+ sẽ thu được từ sự oxy hóa sinh học pirit là chất luôn luôn kết hợp với các sulfur và quặng Uranium: Vi khuẩn 2FeS 2 + H 2 O + 0,5 O 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 SO 4 10 [...]... sử dụng vi sinh vật trong quá trình khai thác Các nước như Nga, Canada cũng đã sử dụng vi sinh vật trong quá trình khai thác quặng 26 Uranium Một số nước tiên tiến cũng đã nhờ đến vi sinh vật tuyển khoáng trong các quá trình luyện kim Ở Vi t Nam hiện nay, ứng dụng của vi sinh vật vào tuyển khoáng là một vấn đề còn rất mới mẻ và chưa được thực hiện Nguyên nhân chủ yếu là do khai khoáng nhờ vi sinh vật. .. nồng độ 650 ug/g V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Vai trò của vi sinh vật trong công nghệ tuyển khoáng rất quan trọng 25 + Sử dụng khả năng hấp thu và tích lũy kim loại của vi sinh vật để xử lí làm sạch nước thải công nghiệp có chứa kim loại nặng và khử các nuclide phóng xạ + Tuyển quặng, khai thác khoáng sản, tách chiết quặng kim loại Tuyển khoáng nhờ vi sinh vật có nhiều ưu điểm như: + Thu kim loại có tính... mãi tồn tại ở thời kì đồ đá Nhờ vào vi sinh vật tích lũy kim loại và vi sinh vật ngâm chiết mà hàm lượng kim loại trong mỏ quặng đạt đến mức có thể khai thác được Ý thức được vai trò quan trọng đó của vi sinh vật khai khoáng loài người đã tận dụng khả năng của vi sinh vật trong khai thác khoáng sản và không ngừng tăng cường mức độ sử dụng Từ thế kỷ thứ 16 ở xứ Wales và thế kỷ thứ 18 ở Tây Ban Nha, sau... thấp, sứ vắng mặt của một nguồn năng lượng hoặc bởi với các chất kìm hãm trao đổi chất (như glucoza đối với vi sinh vật dị dưỡng, ánh sáng với vi sinh vật quang tự dưỡng) Tốc độ hấp thu bội bào còn phụ thuộc vào trạng thài sính lý của tế bào, bản chất và thành phần của môi trường sinh trưởng Những kim loại không thể thiếu đối với sinh trưởng và trao đổi chất như Fe,Cu,Zn, Vi sinh vật có một hệ thống... chất của tế bào vi sinh vật Cả tế bào sống lẫn tế bào chết đều có khả năng hấp thu và tích lũy kim loại do vậy các sản phẩm tạo ra từ quá trình này sẽ là bản thân các tế bào vi sinh vật hoặc các chất bắt nguồn từ các tế bào như các sản phẩm tiết của trao đổi chất, các polysaccharide, các cấu tử của thành tế bào vi sinh vật Số lượng kim loại tích lũy được có thể rất lớn và gấp nhiều lần lượng có trong. .. 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: Vi. .. Ít ảnh hưởng sinh giới + Có thể thu nhận kim loại từ những quặng phế thải Tránh lãng phí + Có thể khai thác kim loại ở độ sâu lớn Do vi c khai thác khoáng sản quá mức dẫn đến nguồn khoáng sản cạn kiệt, chỉ con lại phần lớn là các quặng nghèo với trữ lượng và hàm lượng khoáng sản thấp khó khai thác Nếu không có sự tham gia của vi sinh vật vào quá trình tuyển khoáng thì một số lượng lớn khoáng sản không... khai khoáng nhờ vi sinh vật cần được đẩy mạnh đầu tư nghiên cứu và đưa vào sử dụng trong một thời gian ngắn Học tập kinh nghiệm của các nước đã sử dụng thành công công nghệ này Đầu tư cơ sở hạ tầng phù hợp cho vi c sử dụng công nghệ mới từng bước thay thế những công nghệ khai khoáng cũ lạc hậu tốn kém, không hiệu quả và gây hại đền môi trường 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO + Phạm Thành Hổ, Nhập môn công nghệ sinh. .. lũy các kim loại nặng cũng như các nuclide phóng xạ ( đồng vị phóng xạ ) từ môi trường ngoài Các vi sinh vật này có thể là nấm men, nấm sợi, xạ khuẩn, khuẩn lam, tảo và một số loại vi khuẩn khác Vi sinh vật thông qua nhiều phản ứng khác nhau tạo thành nhiều loại trầm tích và các khoáng vật sa lắng 17 Một số vi khuẩn có khả năng tích luỹ kim loại 1 B.megaterium; 2 Streptococcus mutans; 3 Micrococcus lysodeikticus... 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 bao gồm các mối tương hỗ hóa-lý thuần túy như quá trình hấp phụ kim loại lên thành tế bào hoặc lên các thành khác của tế bào,quá trình trao đổi chất như vận 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, . cập tới đây, đó là: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG. Sự tham gia của vi sinh vật vào vi c tuyển khoáng đã được nhiều tác giả chứng minh. Đây là những vi sinh vật hóa dưỡng vô cơ. 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 khoáng. Từ. NGUYÊN BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG GIÁO VI N HƯỚNG DẪN: NGUYỄN NGỌC TÂM HUYÊN NHÓM: 1. ĐẶNG VĨNH QUÍ 2. PHÙNG NGỌC NHƯ Ý 3. NGUYỄN THỊ LIÊN 4. VÕ CHÂU VI T