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

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian hai năm nghiên cứu tại phòng Sinh thái Vi sinh vật - Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học - Đại học Quốc gia Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn

thành luận án thạc sỹ với tiêu đề ―Phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit (FOB) để

phục vụ cho công nghệ tuyển khoáng sinh học‖ Tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận

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

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

2.1.1 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

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),

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,

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

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

Nguồn cacbon cho sự phát triển của vi khuẩn FOB là CO2 trong khí quyển, được xác định tối ưu ở mức 7 – 7.5% Nếu nồng độ này vượt trên 8% sẽ gây ức chế một phần, khi đạt tới 12% sẽ gây ức chế hoàn toàn sự phát triển của FOB (Barron

và Lueking, 1990)

1.3.3 pH

pH trong môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới sự phát triển của FOB và tốc độ oxy hóa Fe2+ của chúng Sinh trưởng và hoạt tính oxy hóa Fe2+

thường ở mức cao trong khoảng pH từ 1.5 đến 2.5, đạt tối ưu ở pH 2 (Hình 1.7) Ở

pH < 2, phần lớn vi khuẩn FOB bị ức chế sinh trưởng; Ở pH > 2, quá trình hòa tách giảm nhẹ do hình thành nên các tinh thể jarosite (KFe3+

3(OH)6(SO4)2), làm thành rào cản vật lý giữa ion Fe2+

trong quặng và bề mặt tế bào vi khuẩn, gây cản trở việc chuyển điện tử từ Fe2+

cũng như dòng proton từ tế bào vi khuẩn (Kim và cs, 2008) Tuy nhiên đối với một số loài vi khuẩn và cổ khuẩn ưa axit cực trị thì giá trị pH tối

ưu có thể hạ xuống thấp hơn 2 như Acidianus sulfidivorans (pH 0.8 – 1.4) (Plumb

và cs, 2002), Sulfolobus metallicus (pH 1.8) (Plumb và cs, 2007).

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 (Kim và cs, 2008).

Hình 1 8 Bioleaching quặng đồng ở điều kiện ấm (mesophile) và nhiệt độ cao

(thermophile, 70ºC) tại pH 2 (Timmins, 2001)

1.3.5 Cấu trúc và kích thước hạt quặng

Thành phần, cấu tạo và kích thước hạt quặng cũng quyết định rất nhiều đến hiệu suất của quá trình hòa tách Ví dụ, quặng có hàm lượng carbonate cao sẽ làm tăng pH của dịch chiết, dẫn đến ức chế hoạt động của vi khuẩn FOB Trong trường hợp này, để duy trì giá trị pH thích hợp cho FOB người ta bổ sung lượng axit từ bên ngoài, điều này có thể sẽ gây ra sự hình thành và tích tụ các kết tủa trong dịch chiết, làm ảnh hưởng xấu tới toàn bộ quá trình hòa tách (Bosecker, 1997) Ngoài ra, có

bằng chứng cho thấy tốc độ hòa tách còn phụ thuộc vào kích thước hạt quặng, bioleaching đạt tốc độ cao nhất khi tiến hành với quặng có kích thước hạt trong khoảng 43 – 74 µm (Xiong và cs, 2015)

Hình 1 9 Ảnh hưởng của kích thước hạt quặng tới quá trình hòa tách kẽm bởi vi khuẩn

Sulfobacillus thermosulfidooxidans (với 3% quặng, 10% giống và pH 1.6)

(Xiong và cs, 2015)

1.3.6 Kim loại nặng

Quá trình hòa tách các sulfide kim loại thường đi kèm với sự gia tăng nồng

độ các kim loại nặng (Cr, Co, As, Ni, Cd, Zn, Cu và Fe) trong dịch chiết, gây ức chế phát triển cho nhiều loài vi sinh vật Tuy nhiên, thông thường các vi khuẩn tham gia

bioleaching, đặc biệt là Acidithiobacilus spp có khả năng chịu đựng cao với nhiều

kim loại nặng (Karkhaneh và cs, 2011; Cabrera và cs, 2005)

Bảng 1 3 Nồng độ giới hạn các kim loại ảnh hưởng tới phát triển của At ferrooxidans

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

Trong quá trình bioleaching, việc thu hồi các kim loại từ dịch hòa tách bằng phương pháp tách chiết dung môi sử dụng các chất có hoạt tính bề mặt và hợp chất hữu cơ hòa tan thường có những ảnh hưởng tiêu cực tới các vi khuẩn tham gia, chủ yếu là bởi tác động giảm sức căng bề mặt, dẫn tới giảm lượng oxy được vận chuyển tới vi sinh vật (Bosecker, 1997)

Hình 1 10 Ảnh hưởng của các hợp chất dung môi hữu cơ tới khả năng oxy hóa chalcopyrite

của At ferrooxidans ở pH 2 và 30ºC thứ tự xắp xếp theo mức độ ức chế của các hợp chất trên

là: Isodecanol <<< D2EHPA <<< Alamine 336 - Alamine 308 - Alamine 310 < Alamine 304

< Aliquat 336 < Adogen 364 (Torma và cs, 1976)

Vì vậy, để tránh sự ức chế tới hoạt động của vi khuẩn, yêu cầu đặt ra là các hợp chất hữu cơ trên cần phải được loại bỏ khỏi dịch lọc tái sử dụng sau khi đã thu hồi kim loại

1.4 Các dạng công nghệ tuyển khoáng theo nguyên lý bioleaching

Công nghệ bioleaching được sử dụng phổ biến ở quy mô công nghiệp chủ yếu để xử lý các loại quặng nghèo chứa hàm lượng kim loại dưới 0.5% (w/w) Phương pháp đơn giản nhất của việc thực hiện hòa tách bằng vi khuẩn là vun quặng thành các đống và tưới dịch tuyển quặng (gồm môi trường khoáng và vi khuẩn) rồi thu dịch chiết ra từ đống ủ Thông thường sự hòa tách bằng vi khuẩn thường lâu hơn các quá trình hóa học nên dịch chiết thường được tuần hoàn lại và tái sử dụng làm nguồn vi sinh cho quá trình hòa tách tiếp theo Hiện nay có ba mô hình chính được sử dụng ở quy mô công nghiệp đó là hòa tách dạng đống hay bãi ủ

(heap/dump leaching), hòa tách tại chỗ (in situ leaching) và dạng bể khuấy (tank

leaching) (Hình 1.11)(Bosecker, 1997)

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)

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

Mô hình đống ủ là phương pháp lâu đời nhất được áp dụng trong công nghiệp tuyển khoáng sinh học Kích cỡ đống ủ có thể thay đổi đáng kể và khối lượng quặng có thể lên tới vài trăm nghìn tấn Trên đỉnh của bãi ủ có hệ thông tưới nước liên tục đảm bảo dịch chiết luôn được lưu thông trong đống ủ (Hình1.12)

khi đi qua đống ủ, dịch chiết được gom để thu hồi kim loại, sau đó được bổ sung vi sinh vật hòa tách và phục hồi các nhân ố oxy hóa như Fe3+ trước khi đưa trở lại tái

sử dụng cho quá trình hòa tách quặng tiếp theo Để đảm bảo đầy đủ oxy cho vi khuẩn hòa tách, các ống cấp khí được đặt sâu bên trong đống ủ

Công nghệ hòa tách dạng đống ủ được ứng dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản,

dễ xây dựng lắp đặt và vận hành, chi phí đầu tư thấp nên rất phù hợp cho các loại quặng nghèo, không có hiệu quả kinh tế nếu hòa tách bằng phương pháp hóa học Bên cạnh đó, việc vận chuyển nguyên liệu là không cần thiết vì hoàn toàn có thể tiến hành hòa tách ngay tại nơi tập kết (Pradhan và cs, 2008) Tuy nhiên, công nghệ này cũng có một số hạn chế như sau:

- Tỷ lệ thu hồi quặng thường thấp hơn so với một số công nghệ khác (như tank leaching) (Mular và cs, 2002)

- Việc duy trì độ thoáng khí và mức tiếp xúc đồng đều của dịch tuyển quặng trong đống ủ là một trong các yếu tố quyết định thành công của công nghệ Một số loại quặng có thành phần sét cao sẽ không đảm bảo được yếu tố này, do vậy hiệu quả hòa tách quặng bị giảm sút nhiều (Mular và cs, 2002)

- Công nghệ bị ảnh hưởng khá nhiều bởi các yếu tố từ môi trường bên ngoài, như nhiệt độ (khó áp dụng ở những vùng có khí hậu lạnh hay thay đổi đột ngột trong ngày), lượng mưa (khó kiểm soát lượng dịch chiết) (Mular và cs, 2002)

Mặc dù có những hạn chế nhất định, cho tới nay công nghệ này vẫn được áp dụng rộng rãi với nhiều dự án khai thác khoáng sản trên thế giới Trong năm 2014

có tới 229 dự án khai thác kim loại quý như Au, Ag và 9 dự án khai thác uranium đã

áp dụng công nghệ heap leaching (Hình 1.13)

Hình 1.13 Khai thác khoáng sản sử dụng công nghệ hòa tách sinh học dạng đống ủ (heap

leaching) trên thế giới từ năm 1980 – 2014 (Nguồn:http://www.mining.com/)

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

Công nghệ hòa tách tại chỗ thường được áp dụng tại các mỏ bỏ hoang hoặc chưa khai thác Các đường hầm bên trong mỏ được để ngập úng, tưới nước hoặc rửa dưới áp suất Dịch chiết được thu gom lại trong các đường hầm bên dưới sau đó được bơm ngược lên nhà máy sản xuất bên trên mặt đất (Hình 1.14) Ứng dụng được biết nhiều nhất của phương pháp này là hệ thống khai thác uranium Stanrock

ở Elliot Lake in Ontario, Canada (MacGregor, 1966) Tính tới năm 2015, khoảng 48% lượng uranium trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ này và đây là công nghệ sản xuất uranium chính của Mỹ, Kazakhstan và Uzbekistan là ba quốc gia có sản lượng uranium lớn nhất thế giới hiện nay (theo công bố của tổ chức

International Atomic Energy Agency, 2016)

Hình 1.14 Sơ đồ quá trình khai thác uranium bằng công nghệ hòa tách sinh học tại chỗ (in

situ leaching) (http://www.spaceship-earth.de).

Ưu điểm của công nghệ là có giá thành vận hành thấp, rút ngắn thời gian khai thác, tốn ít lực lượng lao động hơn nhiều so với các phương pháp khác, hiệu quả thu hồi cao đối với các loại quặng nghèo Ngoài ra, khai thác tại chỗ cũng không tạo ra các chất thải thường gặp của công nghiệp mỏ như quặng thải, đá thải

và đặc biệt tiêu tốn rất ít nước cho quá trình vận hành, rất thân thiện với môi trường (IAEA, 2005)

Tuy nhiên, công nghệ khai thác tại chỗ cũng bộc lộ một số nhược điểm như sau:

- Vận hành công nghệ có thể gây ảnh hưởng lên các đá trầm tích theo nhiều hướng, khó chủ động trong việc thu hồi toàn bộ dịch chiết (Mudd, 1998)

- Có nhiều rủi ro trong việc khai thác, đặc biệt là quặng uranium, gây ảnh hưởng xấu tới nguồn nước tự nhiên, khó khôi phục lại được (IAEA, 2005)

- Khó khăn trong việc quản lý vận hành và sửa chữa hệ thống máy móc bên dưới mặt đất (IAEA, 2005)

Trong thực tế, công nghệ này được thường đưa vào áp dụng để tận thu kim loại từ các mỏ đã qua khai thác, trước khi tiến hành đóng cửa mỏ hoàn toàn

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

Từ nghiên cứu hòa tách quặng trong phòng thí nghiệm sử dụng bể phản ứng sinh học (Bruynesteyn và Duncan, 1971), công nghệ hòa tách quặng trong các chuỗi

bể phản ứng (tank leaching) đã ra đời và được đưa vào ứng dụng trong ngành công nghiệp khai khoáng mang lại hiệu quả rất cao Phương pháp này thường chỉ được sử dụng để tách kim loại trong các quặng giàu (có hàm lượng kim loại cao) do chi phí đầu tư cao Quặng đồng và vàng là đối tượng áp dụng phù hợp đối với dạng công nghệ này Quá trình tuyển quặng diễn ra trong bể phản ứng có cánh khuấy và bộ phận cấp khí nhằm đảm bảo khuấy trộn và tiếp oxy liên tục (Hình 1 15A) Thông thường, hệ thống được thiết kế theo dạng chuỗi các bể nối tiếp, đầu ra của bể trước lại là nguyên liệu đầu vào của bể sau (Hình 1.15B)

Hình 1 15 Bể khuấy tuyển quặng (A) và hệ thống tuyển quặng theo công nghệ bệ khuấy

(B)

Ngày nay công nghệ hòa tách trong bể khuấy đang được đẩy mạnh ứng dụng với các loại quặng kim loại quý như vàng, đồng Tuy nhiên thống kê cũng cho thấy hơn 80% của tổng lượng kẽm tách chiết từ quặng kẽm sulfide được thu hồi bằng phương pháp này (Torma, 1972) Công nghệ bể khuấy có nhiều ưu điểm vượt trội

so với hai công nghệ trước, như:

- Hiệu suất hòa tách cao hơn nhiều, thời gian hòa tách được rút ngắn đáng

kể

- Quá trình được thực hiện trong bể, thuận lợi cho việc kiểm soát và điều khiển các yếu tố ảnh hưởng

Bên cạnh đó, công nghệ cũng có một số nhược điểm nhất định mà nhà đầu tư cần chú ý khi lựa chọn:

- Công nghệ đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu về xây dựng và thiết bị lớn

- Quặng khi đưa vào hệ thống bắt buộc phải được nghiền nhỏ (dưới 1 mm)

để có bề mặt tiếp xúc với vi sinh vật, dịch tuyển quặng (nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển) cũng như oxy cao nhất

1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bioleaching

1.5.1 Trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới công nghệ bioleaching đã được ứng dụng rất thành công trong nghành công nghiệp khai khoáng ở nhiều quốc gia như Chile, Mỹ, Canada, Mexico, Nam Phi, Brazil, Ghana, Peru…

Bảng 1.4 Sản lượng đồng của Chile và trên thế giới được khai thác bằng công nghệ tuyển

khoáng sinh học (Gentina và Fernando, 2016; Ortiz, 1985; www.cochilco.cl)

Sản lượng đồng chủ yếu được khai thác từ các quặng chứa sulfide đồng như chalcopyrite (CuFeS2), chalcocite (Cu2S), covellite (CuS), bornite (Cu3FeS3), enargite (Cu3AsS4), and tennantite (Cu3AsS3) (Gentina và Fernando, 2016) Không chỉ ứng dụng trong tuyển quặng đồng và uranium mà hiện tại nhiều quặng sulfide của các kim loại quý khác như kẽm, vàng, bạc, nikel…cũng đang được khai thác bằng công nghệ bioleaching

Bên cạnh việc mở rộng ứng dụng của công nghệ bioleaching trong công nghiệp khai thác quặng thì nhiều công trình nghiên cứu nhằm cải thiện và nâng cao hiệu suất của quá trình hòa tách vẫn đang được các nhà khoa học trên thế giới thực hiện Sự phát hiện vi khuẩn ưa nhiệt Leptospirillum ferriphilum trong chi

Leptospirillum, khác biệt với L ferrooxidans (được biết đến từ lâu) qua khả năng

phát triển tốt ở điều kiện nhiệt độ 45ºC (Coram và Rawling, 2002) là cơ sở để phát triển công nghệ tuyển khoáng sinh học ở nhiệt độ cao, cho phép tăng hiệu suất hòa tách quặng lên mức đáng kể

Bên cạnh đó, các loại quặng vàng và một số quặng của kim loại quý khác thông thường có các lớp vỏ bao bọc bên ngoài là suldide kim loại Do vậy, quá trình tiền xử lý quặng để hòa tan lớp vỏ sulfide kim loại bên ngoài góp phần quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất khai thác (Groza và cs, 2008) Trên thế giới, có nhiều công ty sử dụng công nghệ bioleaching cho mục đích tiền xử lý quặng vàng như BIOX, Bactech, Eldorado (Bảng 1.5)

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 (Olson và cs, 2003)