studia II stopnia Dwiczenie 6 MIKROBI

Biotechnologiczne metody w ochronie środowiska, wybrane zagadnienia z biotechnologii – studia II stopnia
Dwiczenie 6
MIKROBIOLOGICZNE ŁUGOWANIE METALI
Ługowanie metali polega na biochemicznym upłynnianiu nierozpuszczalnych związków metali. Przebieg biologicznego
ługowania i ich wydajnośd zależy od aktywności biochemicznej drobnoustrojów i fizykochemicznych właściwości związków
zawierających określone metale w optymalnych warunkach środowiska. Ługowanie metali z rud przy udziale mieszanych
populacji drobnoustrojów ma złożony charakter i jest skutkiem wielu reakcji enzymatycznych, chemicznych oraz
elektrochemicznych. Metody te pozwalają na doświadczalną eksploatację ubogich rud siarczkowych, takich jak: kobalt, molibden,
nikiel i cynk, jednak obecnie na skalę przemysłową wykorzystywane są jedynie w przypadku miedzi, uranu i złota. Większośd
mikroorganizmów zdolnych do ługowania metali należy do chemolitotrofów, które jako źródło węgla komórkowego
wykorzystują dwutlenek węgla.
Wśród mikroorganizmów uczestniczących w utlenianiu mineralnych związków siarki i żelaza, wyróżnid można:
 obligatoryjne chemolitotrofy (Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus ferrooxidans),
 fakultatywne chemolitotrofy - zdolne do wykorzystania organicznych i nieorganicznych związków siarki (A. novelus, A.
versutus)
 chemolitoheterotrofy - zdolne do wzrostu na podłożach zawierających związki organiczne (Beggiata sp., Thiotrix sp.).
Najbardziej efektywne w procesach ługowania okazują się mieszaniny szczepów, dlatego też w procesach Acidithiobacillus
thiooxidans, A. ferrooxidans i Leptospirillum biohydrometalurgicznych prowadzonych w skali przemysłowej nie stosuje się
monokultur bakteryjnych. Wykorzystuje się mieszaniny takich gatunków bakterii jak: Acidithiobacillus, Chromatium, Thiodyction,
Siderocapsa, Ferribacterium, Beggiatoa, Thiotrix i inne.
W procesach przekształcania nierozpuszczalnych siarczków w rozpuszczalne w wodzie siarczany uczestniczą zwykle bakterie z
gatunków: A. ferrooxidans.
Rola A. thiooxidans polega głównie na wytwarzaniu kwasu siarkowego(VI). W wyniku szybkiego utleniania zredukowanych
związków siarki następuje upłynnienie składników rudy, co stwarza warunki sprzyjające rozwojowi dwóch pozostałych,
wspomnianych wyżej, gatunków bakterii.
Schemat utlenienia tych związków może byd przedstawiony następująco:
20
222S ----------------- S --------------- S2O3 -------------------- SO3 ––––—— SO4
Efektywnośd procesu ługownia zależy głównie od A. ferrooxidans. Oprócz charakterystycznych dla wszystkich gatunków z rodzaju
Acidithiobacillus zdolności do bezpośredniego utleniania zredukowanych związków siarki według reakcji:
Me S + 2 O2 → Me SO4.
A. ferrooxidans mogą przeprowadzad proces utleniania jonów żelaza Fe(II) do Fe(III) według reakcji:
2+
+
3+
4Fe + 4H + O2 → 4Fe + 2H2O
W procesie utleniania jonów żelaza(II) współuczestniczą bakterie L. ferrooxidans niezdolne do samodzielnego utleniania
siarczków. Ich obecnośd istotnie zwiększa wydajnośd procesów biologicznego ługowania.
Na szeroką skalę ługowanie wykorzystuje się do uzyskiwania metali z ubogich rud, odpadów i koncentratów. W USA ok. 15%
rocznej produkcji miedzi jest pozyskiwane w wyniku mikrobiologicznego ługowania rud. Metoda ta jest opłacalna nawet wtedy,
gdy zawartośd metalu w rudzie stanowi mniej, niż 0,4% Cu. “Upłynniony” w wyniku ługowania metal otrzymuje się w stanie
czystym (miedź katodowa) z roztworu płynu ługującego w procesie elektrolizy.
Metody ługowania ubogich rud uranu stosuje się w kopalniach rud uranu w Kanadzie, natomiast złota - w Afryce, Brazylii i
Australii.
Problemy technologiczne związane z ługowniem metali w warunkach technicznych obejmują:
- niedostateczne natlenienie złoża, które staje się czynnikiem limitującym wzrost bakterii,
- mało skuteczny system zraszania,
- przegrzewanie złoża,
- zbyt duże odłamki rud, uniemożliwiające efektywne mikrobiologiczne ługowanie
- zbyt długi czas reakcji.
Prowadzone są badania nad nowymi szczepami bakterii, dzięki którym proces ługowania zachodziłby szybciej.
Odsiarczanie węgla
Odsiarczanie węgla metodami mikrobiologicznymi polega na usunięciu związków siarki występujących w pokładach węgla
przy wykorzystaniu mikroorganizmów.
Zawartośd siarki w węglu mieści się najczęściej w zakresie 0,05 – 7 %. Może ona występowad zarówno w związkach
nieorganicznych (siarczki, siarczany (IV, VI) ) oraz w związkach organicznych (alkilowe, arylowe pochodne siarkowodoru).
Podczas spalania węgla do atmosfery emitowany jest dwutlenek siarki, gdzie może on reagowad z wodą i tlenem prowadząc do
powstania kwasu siarkowego (IV), (VI). Proces ten jest powodem powstawania tzw. kwaśnych deszczów. Duże koszty
odsiarczania gazów odlotowych skłoniły do poszukiwania metod odsiarczania węgla. Taką metodą może byd metoda
mikrobiologiczna z wykorzystaniem bakterii z rodzaju Acidithiobacillus.
Skutecznośd odsiarczania biologicznego maleje wraz ze wzrostem zawartości organicznych związków siarki. Stopieo usunięcia
siarki występującej w postaci związków nieorganicznych wynosi zazwyczaj 70-80%, natomiast w przypadku siarki organicznej –
wynosi najczęściej kilka procent. Zasadniczą wadą odsiarczania węgla na hałdach jest czas niezbędny do osiągnięcia pożądanego
odsiarczenia, który wynosi średnio kilka lat.
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Biotechnologiczne metody w ochronie środowiska, wybrane zagadnienia z biotechnologii – studia II stopnia
Dwiczenie 6
MIKROBIOLOGICZNE ŁUGOWANIE METALI
Chociaż jest to metoda tania i prosta pod względem technologicznym, to czas reakcji sprawia, że jest to metoda mało
realistyczna.
Ługowanie metali z odpadów stałych, płynnych i gazowych
Duże nadzieje wiąże się z możliwościami wykorzystania procesów biologicznego ługowania do utylizacji stałych, płynnych i
gazowych odpadów i osadów ściekowych zawierających metale ciężkie.
Metody ługowania są opłacalne nawet wtedy, gdy zawartośd metali nie przekracza 5%. W zakresie ługowania metali ciężkich z
odpadów (stałych, ciekłych, gazowych) wyróżnia się dwa nurty:
- zmniejszenie ich uciążliwości,
- odzyskiwanie metali (także cennych i rzadko występujących) z zanieczyszczonych odpadów.
Zmniejszenie ładunków metali pochodzących ze ścieków (miejskich, przemysłowych), a w konsekwencji w osadach ściekowych,
polega m.in. na opracowaniu metod usuwania metali w miejscu ich powstawania. Innym sposobem jest spopielenie odpadów
(co powoduje znaczne zredukowanie objętości poddanej procesowi termicznemu).
Odzyskiwanie metali na drodze biologicznej polega na zastosowaniu bakterii z gatunku Acidithiobacillus. Wymaga ono
wprowadzenia dodatkowych związków chemicznych, które będą wykorzystywane przez te bakterie jako substraty. Są nimi
najczęściej: sproszkowana siarka bądź siarczan żelaza (II).
Głównym czynnikiem limitującym szybkośd procesu wymywania metali ze ścieków i osadów ściekowych jest odczyn pH, od
którego zależy specyficzna szybkośd wzrostu bakterii. W wyniku ługowania metali i obniżenia odczynu do pH 2 następuje
zmniejszenie ilości bakterii jelitowych (potencjalnie chorobotwórczych oraz wirusów), a w konsekwencji poprawa właściwości
sanitarnych osadu. Stało się to powodem podjęcia badao nad opracowaniem technologii umożliwiających równoczesne
ługowanie metali i stabilizację osadu.
W przypadku, gdy osady ściekowe mają byd wykorzystane do nawożenia gleb, należy wytrącid metale ciężkie poprzez
zastosowanie wapna. Dodatek wapna pozwala na równoczesną eliminację fosforanów.
Dalsze perspektywy biohydrometalurgii
Biologiczne ługowanie metali jest najczęściej spotęgowaniem naturalnie przebiegających procesów, warunkujących
odwieczne cykle krążenia metali w przyrodzie.
Koszty niezbędnych inwestycji i eksploatacji są niskie w porównaniu z kosztami tradycyjnych metod (fizykochemicznych)
wydobycia, przeróbki rud oraz oczyszczania odpadów stałych, płynnych i gazowych oraz osadów ściekowych z metali ciężkich.
Jednak ze względu na to, że wiedza z tego zakresu jest jeszcze niekompletna, istnieje pilna potrzeba badao nad
mikrobiologicznymi metodami usuwania i odzysku metali ciężkich.
Wykonanie dwiczenia (cz. 1)
1. Przygotowanie układów badawczych
3
1.1. Sporządzid 200 cm płynu ługującego o składzie:
3
(NH4)2SO4
- 3g/1dm
3
KCl
- 0,1g/1dm
3
K2HPO4
- 0,5g/1dm
3
Ca(NO3)2
- ślad/1dm
3
MgSO4 x 7H2O - 0,5g/1dm
3
3
10nH2SO4
- 1cm /1dm
3
1.2. Do kolby stożkowej o poj. 250 cm wprowadzid:
ok. 2 g rudy zawierającej piryt (zapisad dokładną jej masę),
3
90 cm płynu ługującego,
3
10 m mieszaniny aktywnych kultur A. thiooxidans i A. ferrooxidans zmieszanych w stosunku 1: 1
1.3. Równocześnie nastawid układ kontrolny, bez mieszaniny bakterii, zawierający ok. 2 g rudy zawierającej piryt (zapisad
3
masę rudy), 100cm płynu ługującego i niewielką ilośd sproszkowanego tymolu.
1.4. Opisad kolby wg wzoru:
HODOWLA: imię i nazwisko; nr grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli; rodzaj użytych bakterii.
KONTROLA: imię i nazwisko; numer grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli.
2+
3+
1.5. W obydwu kolbach oznaczyd zawartośd jonów Fe i Fe metodą podaną poniżej.
2+
3+
2. Oznaczanie zawartości jonów Fe i Fe .
2.1. Oznaczenie przeprowadzid metodą kompleksometryczną, miareczkując roztwór z jonami żelaza roztworem EDTA wobec
wskaźnika, którym jest roztwór kwasu sulfosalicylowego.
3
3
2.2. Przygotowad trzy czyste kolbki stożkowe do miareczkowania (o pojemności 50 cm ), do każdej wprowadzid po 1 cm
3
3+
hodowli i po 10cm wskaźnika (jeżeli w roztworze są obecne jony Fe powinien się on zabarwid na kolor fioletowy).
Kolby ogrzewad do początku wrzenia roztworów, a następnie gorące roztwory miareczkowad 0,025M roztworem EDTA
3
do odbarwienia z koloru fioletowego na słomkowy. Zanotowad ilości a cm EDTA. Następnie do kolb dodad nadmiar
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba
Biotechnologiczne metody w ochronie środowiska, wybrane zagadnienia z biotechnologii – studia II stopnia
Dwiczenie 6
MIKROBIOLOGICZNE ŁUGOWANIE METALI
nadsiarczanu amonu (zmiana barwy na fioletową) i powtórnie miareczkowad EDTA do odbarwienia na kolor słomkowy –
3
b cm .
(Ilośd nadsiarczanu amonu powinna byd tak dobrana, żeby po zakooczonym miareczkowaniu i wprowadzeniu
niewielkiej ilości utleniacza barwa roztworu nie uległa zmianie).
2.3. Powyższe czynności powtórzyd dla próby kontrolnej.
2+
3+
3
2.4. Ze wzorów obliczyd zawartośd jonów Fe i Fe w 1 dm badanego roztworu:
3
3+
3
A g/dm Fe = a cm x 1.396
3
2+
3
B g/dm Fe = b cm x 1.396
UWAGA!!! roztwory pobierad sterylnymi pipetami
Wykonanie dwiczenia (cz. 2)
2+
3+
2.5. W obydwu kolbach oznaczyd zawartośd jonów Fe i Fe metodą kompleksometryczną.
3. Opracowanie wyników
2+
3+
3.1. Na podstawie uzyskanych wyników przedstawid na wykresie zmianę zawartości jonów Fe i Fe w obydwu układach ( z
bakteriami i kontrolnym).
3.2. Znając ilośd utlenionego przez bakterie żelaza (wykresy) obliczyd ilośd wyługowanego pirytu.
3.3. Uzasadnid uzyskane wyniki. Wyciągnąd wnioski.
4. Zagadnienia teoretyczne
4.1. Bioługowanie metali
4.2. Charakterystyka bakterii chemoautotroficznych
4.3. Sposoby odżywiania bakterii.
4.4. Miareczkowanie kompleksometryczne.
4.5. Biohydrometalurgia
5. Literatura:
5.1. Chmiel A., Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne; Wyd. PWN, Warszawa; 1998
5.2. Russel S.; Biotechnologia; Wyd. PWN; Warszawa; 1990
5.3. Kowal K., Libudzisz Z.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
5.4. Ostrowski M., Sokołowska A., Małe bakterie wielka miedź – czytelnia (B.W. ul. Oleska).
Prowadzący: dr Sławomir Wierzba