Wykorzystanie mikroorganizmów i roœlin do pozyskiwania metali
Agnieszka Ga³uszka*
The use of microorganisms and plants in metal extracting. Prz. Geol., 53: 858–862.
S u m m a r y. Technologies using living organisms for extracting metals from mine wastes, ore concentrates and poor quality ores have been developed since the early 1980s. Of these technologies, the most popular is biomining that uses the natural ability of microorganisms to leach metals. Microorganisms oxidize sulfur and iron in sulfide ores, thus contributing to the conversion of insoluble metal sulfides to soluble sulfates, which enables to recover pure metals from extracts. By degrading the mineral (rock) matrix, microorganisms make extraction of precious metals with traditional techniques easier and more effective. Phytominig is based on the tendency of some plant species to bioaccumulate excessive amounts of metals from their hostrock. The plants, called hyperaccumulators are grown on highly mineralized soils or post-mine lands and their yield (bio-ore) is used as a pure metal source. Compared to the biomining, this technology is not so popular primarily because of the longevity of this process and its unprofitability. This report describes bio- and phytomining technologies, the most important species and their ecological demands, as well as biochemical processes that are associated with bio- and phytomining. The advantages and disadvantages of these technolo-gies, and their potential for future applications are summarized in the last chapter.
Key words: Biomining, phytomining, bioleaching, biooxidation, stirred tanks, dumps, microorganisms, hyperaccumulators
Biotechnologia znalaz³a zastosowanie w wielu dziedzi-nach dzia³alnoœci ludzkiej, zw³aszcza w medycynie, pro-dukcji ¿ywnoœci i rolnictwie. W Polsce ma³o znane jest wykorzystanie biotechnologii w górnictwie, choæ w wielu krajach zdoby³o ono du¿¹ popularnoœæ. „Biogórnictwo” (z ang. biomining) i „fitogórnictwo” (z ang. phytomining) mo¿na wspólnie okreœliæ jako biologiczne metody pozyskiwania metali. „Biogórnictwo” to wykorzystanie mikroorganizmów do ³ugowania metali z rud siarczko-wych i ich koncentratów (wg Rawlingsa i in., 2003), nato-miast „fitogórnictwo” to wykorzystanie roœlin do pozyskiwania metali z ha³d pogórniczych, szlamów poflo-tacyjnych oraz gleb i osadów zanieczyszczonych metalami ciê¿kimi (Anderson i in., 1999).
W ostatnich latach wzros³o zainteresowanie mikrobio-logicznymi metodami pozyskiwania metali. Jednoczeœnie rozwijaj¹ siê nowe metody usprawnienia procesu biogór-nictwa z zastosowaniem gatunków mikroorganizmów, któ-rych dotychczas nie wykorzystywano do tego celu, jak równie¿ poszukiwania optimum ekologicznego dla ich roz-woju, by proces ³ugowania metali ze z³ó¿, czy ha³d zacho-dzi³ najefektywniej. W biologicznych metodach górnictwa wykorzystuje siê niektóre roœliny (hiperakumulatory — z ang. hyperaccumulators) posiadaj¹ce znaczne zdolnoœci akumulacyjne w stosunku do metali (m.in. Dunn i in., 1992). Jest to wprawdzie metoda bardziej d³ugotrwa³a i mniej efektywna od metod mikrobiologicznych, jednak jej stosowanie jest uzasadnione ze wzglêdu na mo¿liwoœæ po³¹czenia z fitoremediacj¹ (oczyszczaniem gleb zdegra-dowanych chemicznie za pomoc¹ hiperakumulatorów).
W niniejszym artykule przedstawiono w zarysie pod-stawowe zagadnienia zwi¹zane z biologicznymi metodami pozyskiwania metali. Ze wzglêdu na fakt, ¿e technologia biogórnictwa jest obecnie doœæ powszechnie stosowana w wielu krajach, omówiono j¹ nieco szerzej ni¿ fitogórnic-two. Wiele szczegó³owych informacji dotycz¹cych
wyko-rzystania mikroorganizmów i roœlin w pozyskiwaniu meta-li znajdzie czytelnik w cytowanych w tekœcie pubmeta-likacjach specjalistycznych.
„Bakteryjni górnicy” i ich wymagania ekologiczne
Bakterie wykorzystywane w biogórnicwie to mezofile i umiarkowane termofile (w zale¿noœci od ich preferencji ekologicznych w stosunku do temperatury). Do pierwszej grupy organizmów, dla których optymalna temperatura nie przekracza 40oC, nale¿¹ gatunki bakterii najczêœciej stoso-wanych do ³ugowania metali z rud: Acidithiobacillus
fer-rooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans oraz Leptospirillum ferriphilum. S¹ one
obli-gatoryjnymi chemolitotrofami, które uzyskuj¹ energiê potrzebn¹ do ¿ycia z reakcji utleniania Fe2+do Fe3+(A.
fer-rooxidans, L. ferfer-rooxidans, L. ferriphilum) lub S2– do S6+ (A. thiooxidans — vide reakcje chemiczne w rozdziale
Bio-chemiczne podstawy biogórnictwa). Pod wzglêdem
wyma-gañ ¿yciowych w odniesieniu do odczynu panuj¹cego w otoczeniu, bakterie te s¹ obligatoryjnymi acidofilami (nie mog¹ wystêpowaæ przy pH powy¿ej 2). Optymalne pH dla wymienionych gatunków wynosi 1,4–1,6 (Rawlings i in., 2003). Bakterie te rozwijaj¹ siê najlepiej przy dostêpie tle-nu z powietrza, choæ znane s¹ te¿ gatunki, np. A.
ferrooxi-dans, dla których funkcjê akceptora elektronów mo¿e
pe³niæ nie tlen a Fe3+. Wœród innych cech, które decyduj¹ o przydatnoœci tych mikroorganizmów w biogórnictwie nale¿y wymieniæ ich niewielkie wymagania pokarmowe oraz znaczn¹ tolerancjê na wysokie stê¿enia jonów metali.
Do grupy umiarkowanych termofilów (maj¹cych opti-mum temperaturowe w zakresie 45–55oC) nale¿¹:
Acidi-thiobacillus caldus, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, Acidimicrobium ferrooxidans. Pierwszy z wymienionych
gatunków uczestniczy w utlenianiu siarki (S2–) z siarcz-ków, natomiast dwa pozosta³e — ¿elaza (Fe2+). Poniewa¿ reakcje utleniania siarczków s¹ egzotermiczne**
mikroor-*Zak³ad Geochemii i Ochrony Œrodowiska, Akademia Œwiê-tokrzyska w Kielcach, ul Chêciñska 5, 25-020 Kielce;
aggie@pu.kielce.pl
**Jako przyk³ad mo¿na przytoczyæ reakcjê utleniania pirytu, która wytwarza ok. 1500 kJ ciep³a z 1 mola tego siarczku (120 g). Temperatura powietrza w ha³dach odpadów ska³ p³onnych i rud miedzi mo¿e dochodziæ do 50–65oC (Cathles & Apps, 1975)
ganizmy z grupy termofilów (70–90oC), np. Sulfolobus
acidocaldarius, Acidianus brierleyi, Metallosphaera sedu-la (Brierley, 1999), odgrywaj¹ w nich znacz¹c¹ rolê,
pozwalaj¹c na zachowanie ci¹g³oœci procesu. W przypad-ku ³ugowania miedzi z chalkopirytu (CuFeS2), szczególnie istotny jest udzia³ bakterii z tej grupy, poniewa¿ z udzia³em mezofilów nie zachodzi ono w pe³ni (stopniowo zanika po osi¹gniêciu temperatury powy¿ej 40o
C), powoduj¹c pasy-wacjê metalu (Olson i in., 2003). Nadziejê na zwiêkszenie efektywnoœci bio³ugowania daj¹ mikroorganizmy z grupy
Archea (archebakterie) z ekologicznej grupy
ekstremal-nych termofilów, odkryte w bogatych w siarczki Ÿród³ach hydrotermalnych.
Biochemiczne podstawy biogórnictwa
Jak wspomniano, bakterie wykorzystywane w biogór-nictwie nale¿¹ do chemotrofów, czyli organizmów samo¿ywnych, które wytwarzaj¹ cukry w procesie chemo-syntezy. Jest to proces analogiczny do fotosyntezy, w któ-rym nie energia s³oneczna, ale energia pochodz¹ca z reakcji chemicznych przyczynia siê do rozbicia cz¹steczki wody. W zale¿noœci od rodzaju substancji jako Ÿród³a gii, bakterie dzieli siê na: chemolitotrofy (czerpi¹ce ener-giê z utleniania zwi¹zków nieorganicznych) oraz chemoorganotrofy (wykorzystuj¹ce jako Ÿród³o energii proste zwi¹zki organiczne). Najwiêcej energii w procesie chemosyntezy uzyskuj¹ bakterie utleniaj¹ce siarkowodór (789 kJ/mol atomów S), najmniej utleniaj¹ce Fe2+
do Fe3+ (11 kJ/mol atomów Fe). Do mikroorganizmów chemoli-totroficznych zalicza siê bakterie siarkowe, wodorowe, ¿elaziste, nitryfikacyjne, do chemoorganotrofów natomiast — bakterie metylotrofy (utleniaj¹ce metan, metanol, mrówczan). Chemosynteza, w porównaniu z fotosyntez¹, ma niewielki udzia³ w produkcji biomasy na Ziemi. Do rzadkoœci nale¿¹ równie¿ ekosystemy, w których jest ona podstaw¹ produkcji pierwotnej (np. ekosystemy oceanicz-nych Ÿróde³ hydrotermaloceanicz-nych; Migaszewski & Ga³uszka, 1999). W technologii biogórnictwa wytworzona przez bak-terie biomasa nie odgrywa tak wa¿nej roli, jak produkty tego procesu, z których odzyskuje siê metale.
Do podstawowych metod stosowanych w biogórnic-twie nale¿¹ bio³ugowanie i biooksydacja (ryc. 1). Pierwsza z nich polega na utlenianiu siarczków metali (Zn, Cu, Ni, Co) do siarczanów (VI) przy udziale Fe3+i H+(Nordstrom & Alpers, 1999). Druga metoda dotyczy odzyskiwania z³ota z arsenopirytu, pirytu i koncentratów siarczkowych poprzez rozk³ad matrycy mineralnej (skalnej) i u³atwienie ekstrakcji z³ota z rudy za pomoc¹ cyjanków (Pinches, 1975).
Opisano dwa mechanizmy bio³ugowania metali z siarczków (Schippers & Sand, 1999): (1) tiosiarczanowy i (2) polisiarczkowy. W pierwszym z nich na siarczki nieroz-puszczalne w kwasach (piryt FeS2, molibdenit MoS2, tung-stenit WS2) dzia³a Fe
3+
i powstaje jon S2O3 2–
(reakcja 1) jako produkt przejœciowy, a w koñcowym etapie jon SO4
2– (reakcja 2). FeS2+ 6Fe 3+ + 3H2O® S2O3 2– + 7Fe2+ + 6H+ [1] S2O3 2– + 8Fe3++ 5H2O® 2SO4 2– + 8Fe2++ 10H+ [2]
W mechanizmie polisiarczkowym, z siarczkami roz-puszczalnymi w kwasach, np. sfalerytem ZnS, chalkopiry-tem Cu2S, galen¹ PbS, reaguj¹ jony Fe
3+ i H+
, przy czym produktem przejœciowym jest siarka, a koñcowym SO4
2– . Bakteryjne utlenianie galeny prowadzi do powstania bardzo s³abo rozpuszczalnego siarczanu (VI) o³owiu (II) (0,045g dm–3 w temperaturze 25oC; Forward & Peters, 1985, cyt. Deveci i in., 2004), który pozostaje na miejscu, a wspó³wystêpuj¹cy z nim ZnSO4(powsta³y z utlenienia sfa-lerytu) przechodzi do roztworu:
PbS + Fe2(SO4)3® PbSO4+ 2FeSO4+ S
Znaj¹c w³aœciwoœci geochemiczne ³ugowanych metali mo¿na ³atwo przewidzieæ sk³ad chemiczny koñcowego roztworu.
Technologie biogórnictwa
W biogórnictwie stosuje siê dwa rodzaje technologii: na ha³dach i w komorach mieszania. W pierwszej z nich aglomerat rudny jest umieszczany na nieprzepuszczalnym pod³o¿u i irygowany roztworem ³uguj¹cym. Niekiedy dodaje siê nawozów, aby zapewniæ bakteriom optymalne warunki rozwoju. Rzadko stosuje siê czynne napowietrza-nie, które zwiêksza koszty procesu; najczêœciej powietrze jest dostarczane wraz z roztworem ³uguj¹cym. Bakterie wytwarzaj¹ Fe3+ i H2SO4, prowadz¹c do rozpuszczania minera³ów i uwalniania z nich metali. Otrzymane w ten sposób roztwory s¹ zbierane i transportowane do stacji odzysku, gdzie metale s¹ z nich usuwane, a uzyskane rafi-naty ponownie wykorzystane do irygacji ha³d. Technologia ta jest czêsto stosowana ze wzglêdu na niskie koszty, mimo ¿e wi¹¿¹ siê z ni¹ pewne niedogodnoœci. Przede wszystkim trudno jest prowadziæ napowietrzanie ha³dy, ze wzglêdu na niejednorodne warunki (pH, temperatura, dostêpnoœæ bio-genów) w niej panuj¹ce, jak równie¿ koniecznoœæ utrzyma-nia niskiego pH substratu (1,8–2,2) w ca³ej jego objêtoœci. Proces ten jest wiêc d³ugotrwa³y i zwykle trwa kilka mie-siêcy. Z tych te¿ wzglêdów nie jest on uwa¿any za wystar-czaj¹co efektywny.
Drugi rodzaj technologii (komory mieszania) wymaga rozdrobnienia substratu, a nastêpnie wymieszania z nawozami zawieraj¹cymi azot i fosfor. Po wykonaniu tych operacji, substrat przepuszcza siê przez wiele czynnie napowietrzanych komór, w których kontroluje siê pH i temperaturê. Rozk³ad substratu z u¿yciem tej metody zachodzi najszybciej (kilka dni) i jest ona uwa¿ana za naj-lepsz¹ z dot¹d stosowanych. Jedynym problemem jest utrzymanie w³aœciwej gêstoœci substratu. Aby proces ten zachodzi³ efektywnie, dopuszcza siê tylko 20% czêœci sta³ych w zawiesinie (Rawlings i in., 2003). Badania pro-wadzone nad odzyskaniem z³ota z koncentratów siarczko-wych z Olympias (Grecja) wykaza³y, ¿e optymalna dla procesu gêstoœæ substratu powinna wynosiæ 5–30%. Wzrost zawartoœci cz¹stek sta³ych w zawiesinie prowadzi do spadku uzysku z³ota z 87 do 62%, z kolei zmniejszenie rozmiarów ziaren koncentratu z 63 do 32 :m powoduje skrócenie czasu biooksydacji z 8 do 6 dni dla substratu o gêstoœci 5% (Komnitsas & Pooley, 1990, 1991). Badania Lindströma i Gunneriussona (1990) wykaza³y zahamowa-nie wzrostu liczby archebakterii z rodzaju Sulfolobus w substracie arsenopirytu o gêstoœci 1,5%. Technologia bio-górnictwa w komorach mieszania jest doœæ kosztowna i
dlatego znalaz³a zastosowanie g³ównie do rud wysokiej jakoœci.
Na pierwszym miejscu w œwiatowym rankingu metali wydobywanych technologi¹ biogórnictwa znajduje siê miedŸ. Takie jej minera³y jak chalkozyn (Cu2S), czy kowe-lin (CuS) s¹ rozdrabniane, poddawane dzia³aniu kwasu siarkowego (VI) i mieszane w bêbnach rotacyjnych. Otrzy-many aglomerat umieszcza siê na drenowanych ha³dach o wysokoœci 6–6,5 m, które od góry s¹ zraszane roztworem zawieraj¹cym Fe3+, a od spodu napowietrzane pod ciœnie-niem. Dodatek biogenów w postaci siarczanu (VI) amonu lub fosforanu (V) potasu stymuluje wzrost bakterii. £ugo-waniu Cu towarzysz¹ nastêpuj¹ce reakcje (Rawlings, 1998):
Cu2S + 0,5O2+ H2SO4® CuS + CuSO4+ H2O CuS + 2O2® CuSO4
Cu2S + 2Fe2(SO4)3® 2CuSO4+ 4FeSO4+ S CuS + Fe2(SO4)3® CuSO4+ 2FeSO4+ S
Powsta³y roztwór zawieraj¹cy ok. 1,5–6,0 g/l miedzi jest transportowany do stacji odzysku, gdzie uzyskuje siê metal na drodze elektrolizy, sedymentacji lub z zastosowa-niem rozpuszczalników. Najwiêkszym œwiatowym produ-centem miedzi metod¹ bio³ugowania jest Chile, gdzie w 1998 r. uzyskano w ten sposób 641 300 t tego metalu (Raw-lings i in., 2003).
Najbardziej interesuj¹ca z ekonomicznego punktu widzenia jest wydajnoœæ metod biogórnictwa, o której mo¿na wnioskowaæ na podstawie stopnia odzysku metalu z substratu. Bio³ugowanie pozwala, w zale¿noœci od zastoso-wanej technologii, na odzyskanie do 97% Cu, 99% Zn, 40% Ag (Olson i in., 2003); dla Mo odzysk osi¹ga 93%
(Nasernejad i in., 1999), a dla Co — 90% (Brierley & Brierley, 2001). W przypadku biooksydacji, z samego kon-centratu otrzymuje siê 95% z³ota, podczas gdy bez udzia³u bakterii tylko 30–50% (Rawlings, 1998). Jeszcze wiêksze ró¿nice w odzysku z³ota z koncentratów siarczkowych i wêglanowo-siarczkowych uzyskali Hutchins i wspó³pra-cownicy (1988). Prowadzenie biooksydacji przy u¿yciu termofili Acidianus brierleyi (w temperaturze ok. 60oC) zwiêkszy³o odzysk z³ota z 5 do 91%.
Wydobycie metali z udzia³em mikroorganizmów jest bardziej przyjazne dla œrodowiska przyrodniczego ni¿ z wykorzystaniem procesów fizykochemicznych powszech-nie stosowanych we wspó³czesnej metalurgii. Po pierwsze, bakterie nie zu¿ywaj¹ energii wymaganej do spiekania lub wytapiania rud, po drugie, nie prowadz¹ do powstania emi-sji zanieczyszczeñ oraz po trzecie, chroni¹ wody naturalne przed przedostawaniem siê do nich metali w postaci kwa-œnych odcieków. Najwa¿niejsz¹ korzyœci¹ jest jednak oszczêdnoœæ surowców mineralnych, poniewa¿ metody biogórnictwa mo¿na stosowaæ do rud metali gorszej jakoœci, które by³y dot¹d gromadzone jako odpady mineralne.
Roœliny a wydobycie metali — fitogórnictwo
Podobn¹ do mikroorganizmów rolê w wydobywaniu metali mog¹ pe³niæ roœliny wy¿sze zaliczane go grupy hiperakumulatorów. Za hiperakumulatory uznaje siê gatunki o wyj¹tkowych zdolnoœciach bioakumulacyjnych w stosunku do okreœlonych pierwiastków. Roœliny te wykazuj¹ w suchej masie nastêpuj¹ce koncentracje: 1 mg kg–1
(ppm) Au, 100 mg kg–1
Cd, 1000 mg kg–1
Ni lub 10 000 mg kg–1Mn i Zn (Anderson i in., 1999). Pocz¹tkowo grup¹ tych roœlin zainteresowano siê w aspekcie ich wykorzysta-nia w procesie oczyszczawykorzysta-nia gleb zdegradowanych che-micznie (fitoremediacji — Buczkowski i in., 2002; Migaszewski & Ga³uszka, 1998). Po raz pierwszy zwróco-no uwagê na mo¿liwoœæ u¿ycia hiperakumulatorów w fito-SUBSTRAT
(rudy niskiej jakoœci, odpady pogórnicze itp.)
SUBSTRATE (low-grade ores, mine tailings, etc.)
umieszczanie na ha³dach
placing in heap reactors
irygacja
irrigation
odpady
wastes
odzysk roztworu ³uguj¹cego
leaching liquid recovery
odpêdzanie rozpuszczalnika stripping elektrolityczne otrzymywanie metali electrowinning obieg zamkniêty closed cycle umieszczanie w komorach mieszania
placing in stirred tanks
rozdrobnienie
grinding
nawo¿enie, utrzymanie w³aœciwej gêstoœci
fertilization, mainaining of proper pulp density
NaCN filtracja filtration odzysk Au z matrycy skalnej Au recovery from mineral matrix w komorach mieszania
in stirred tanks POD£O¯E WZBOGACONE
W METAL
METAL ENRICHED GROUND
nawo¿enie, dodatek zwi¹zków kompleksuj¹cych fertilization, complexing agents addition spalanie biomasy biomass burning odzysk energii energy recovery bioruda bio-ore FITOGÓRNICTWO PHYTOMINING bio³ugowanie bioleaching biooksydacja biooxidation BIOGÓRNICTWO BIOMINING na ha³dach in heap reactors obsiewanie hiperakumulatorami hyperaccumulators seeding
Ryc. 1. Schemat technologii bio- i fitogórnictwa Fig. 1. The scheme of bio- and phytomining
górnictwie w 1983 r. (Anderson i in., 1999), a twórcy tej koncepcji (R.L. Chaney, J.S. Angle, A.J.M. Baker i J.M. Li) w USA w 1989 r. uzyskali patent: „Metoda biogórnic-twa niklu, kobaltu i innych metali z gleby”. Obecnie fitore-mediacjê i fitogórnictwo czêsto ³¹czy siê, aby uzyskaæ efekty ekonomicznie op³acalne i przyczyniæ siê do ochrony zdegradowanych chemicznie gleb, czy te¿ zminimalizo-waæ negatywny wp³yw ha³d na œrodowisko przyrodnicze (np. Robinson i in., 1997a, b).
Fitogórnictwo polega na obsadzaniu hiperakumulato-rami gleb wysoko zmineralizowanych lub terenów pogór-niczych (ryc. 1). Plon uzyskiwany w ten sposób jest po zakoñczeniu sezonu wegetacyjnego zbierany, spalany, a pierwiastki odzyskiwane ze wzbogaconej w nie suchej masy roœlin. W technologii tej, otrzymana biomasa jest nazywana „biorud¹” (z ang. bio-ore). Fitogórnictwo mo¿e byæ prowadzone w warunkach naturalnych lub te¿ byæ wspomagane poprzez dodatek nawozów i zwi¹zków kom-pleksuj¹cych (np. EDTA).
W Polsce wystêpuj¹ roœliny z rodzajów, które s¹ uwa-¿ane za hiperakumulatory (Anderson i in., 1999). Oczywiœ-cie ich potencjalne wykorzystanie w fitogórnictwie nale¿a³oby poprzedziæ szczegó³owymi analizami chemicz-nymi, które potwierdzi³yby zdolnoœæ poszczególnych gatunków do akumulacji okreœlonych metali. W aspekcie tym nale¿a³oby zbadaæ, jako potencjalne hiperakumulato-ry, krajowe gatunki z rodzajów: Thlaspi (Cd, Zn, Pb),
Alys-sum (Ni), Iberis (Tl), Atriplex (U). Anderson i wspó³autorzy podali wielkoœæ bioakumulacji metali dla gatunków z powy¿szych rodzajów roœlin (tab. 1).
Fitogórnictwo ma wiele zalet. Przede wszystkim pozwala ono na wykorzystanie metali zgromadzonych na ha³dach pogórniczych, które ze wzglêdów ekonomicznych nie nadaj¹ siê do eksploatacji, a dodatkowo mog¹ stanowiæ zagro¿enie dla œrodowiska przyrodniczego. Brak wiêksze-go zainteresowania t¹ technologi¹ wynika w du¿ej mierze z niskich cen metali na rynkach œwiatowych. Metody fito-górnictwa by³y dotychczas wykorzystywane g³ównie w badaniach laboratoryjnych (Nedelkoska & Doran, 2000;
Robinson i in., 1997a, b) lub jako uzupe³nienie fitoreme-diacji. W³asnym pomys³em autorki na wykorzystanie tej technologii jest u¿ycie biorudy jako substancji nawo¿¹cej w bio³ugowaniu. Zapewni³oby to dop³yw substancji bio-gennych dla bakterii, a z drugiej strony zwiêkszy³oby pulê metalu w substracie. Takie dzia³anie wymaga jednak szczegó³owych badañ, na ile stosowanie biorudy zmodyfi-kowa³oby efektywnoœæ procesu bio³ugowania, zw³aszcza w œwietle tego, ¿e wiêkszoœæ nawozów stosowanych w bio-górnictwie to zwi¹zki nieorganiczne — siarczan (VI) amo-nu i fosforan (V) potasu.
Przysz³oœæ biologicznych metod pozyskiwania metali
Biogórnictwo wydaje siê zdobywaæ coraz wiêksz¹ popularnoœæ na œwiecie. Pojawiaj¹ siê te¿ coraz czêœciej doniesienia na temat wykorzystania tej technologii w ró¿-nych krajach, szczególnie przy odzyskiwaniu z³ota. Jako przyk³ad ³ugowania tego metalu mog¹ s³u¿yæ: Fairview Mine w Republice Po³udniowej Afryki — 35 ton kon-centratu/dzieñ, Sao Bento w Brazylii — 150 ton/dzieñ i Har-bour Lights w Australii — 40 ton/dzieñ (Hansford & Bailey, 1992). W Polsce równie¿ opracowano metodê bio³ugowania miedzi z koncentratów poflotacyjnych z kopalni w Lubinie i Polkowicach (Sadowski i in., 2003). W przypadku fitogórnictwa dodatkow¹ korzyœci¹ jest detoksykacja obszarów zdegradowanych. Niestety, obec-nie ceny wiêkszoœci metali na œwiecie obec-nie s¹ na tyle wyso-kie, aby bio- i fitogórnictwo uznaæ za powszechnie op³acalne, jednak w przysz³oœci, przy zwiêkszonym zapo-trzebowaniu na metale i wzroœcie ich cen mo¿e staæ siê ono wa¿n¹ technologi¹.
Przysz³oœæ biogórnictwa wi¹¿e siê z poszukiwaniem takich mikroorganizmów, których optima ekologiczne pokrywa³yby siê z warunkami panuj¹cymi w trakcie bio³ugowania. Stwarza to du¿e pole do popisu dla bardziej szczegó³owych badañ z zakresu biotechnologii, jak rów-nie¿ ekosystemów gor¹cych Ÿróde³ (Migaszewski & Ga³uszka, 1999, 2003). Mo¿na tak¿e zacz¹æ
wykorzysty-Metal
Metal
Gatunek hiperakumulatora
Hyperaccumulator species
Zawartoœæ metalu w suchej masie roœlin
Metal content in plant dry mass
Przeciêtna zawartoœæ metalu w suchej masie roœlin zielnych
Average metal content in dry mass of herbaceous plants Cd Thlaspi caerulescens 3000 µg g–1Cd 1 µg g–1 Pb Thlaspi rotundifolium 8200 µg g–1Pb 5 µg g–1 Zn Thlaspi calaminare 10000 µg g–1Zn 100 µg g–1 Ni Alyssum bertolonii 13400 µg g–1Ni 2 µg g–1 Tl Iberis intermedia 3070 µg g–1Tl 1 µg g–1
Au Brassica juncea 10 µg g–1Au* 0,001 µg g–1
U Atriplex confertifolia 100 µg g–1U 0,5 µg g–1
Tab. 1. Bioakumulacja metali w wybranych gatunkach roœlin wraz z przeciêtn¹ zawartoœci¹ metali w suchej masie roœlin zielnych (za Anderson i in., 1999)
Table 1. Bioaccumulation of metals in selected plant species versus average metal contents in dry mass of herbaceous plants (after Anderson et al., 1999)
waæ bakterie beztlenowe do wydobywania tlenków metali (Ehrlich, 2001). Powa¿nym problemem w biogórnictwie jest toksycznoœæ niektórych pierwiastków w minera³ach (np. Ag, As) dla bio³uguj¹cych bakterii. W kontekœcie tego wa¿ne s¹ badania nad szczepami naturalnie lub sztucznie uodpornionymi na dzia³anie tych pierwiastków (Hallberg i in., 1996). Wa¿ne jest te¿ poszerzanie spektrum metali, dla których mo¿na stosowaæ metody biogórnictwa (Ni, platy-nowce), jak równie¿ wprowadzanie nowych oraz modyfi-kacja istniej¹cych technologii.
Niezale¿nie od kierunku rozwoju dalszych badañ nad zastosowaniem organizmów ¿ywych do wydobywania metali, technologie bio- i fitogórnictwa zwracaj¹ uwagê na kompleksowe wykorzystanie z³ó¿ surowców mineralnych. S¹ one równie¿ przyjazne œrodowisku przyrodniczemu i dlatego te¿ mo¿na je okreœliæ jako technologie zgodne z ide¹ zrównowa¿onego rozwoju.
Literatura
ANDERSON C.W.N., BROOKS R.R., CHIARUCCI A., LACOSTE C.J., LEBLANC M., ROBINSON B.H., SIMCOCK R. & STEWARD R.B. 1999 — Phytomining for thallium, nickel and gold. J. Geochem. Explor., 67: 407–415.
BRIERLEY J.A 1999 — Biooxidation Pretreatment of Refractory Sul-fidic and SulSul-fidic-Carbonaceous Gold Ores and Concentrates. [W:] L.H. Filipek & G.S. Plumlee (eds.). The Environmental Geochemistry of Mineral Deposits, Part B. Case Studies and Research Topics. Soc. of Econ. Geologists. Rev. in Econ. Geology, 6B: 539–547.
BRIERLEY J.A. & BRIERLEY C.L. 2001 — Present and future com-mercial applications of biohydrometallurgy. Hydrometallurgy, 59: 233–239.
BUCZKOWSKI R., KONDZIELSKI I. & SZYMAÑSKI T. 2002 — Metody remediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciê¿kimi. Wyd. UMK. Toruñ.
CATHLES L.M. & APPS J.A. 1975 — A model of the dump leaching process that incorporates oxygen balance, heat balance, and air convec-tion. Metallurgical Transactions B, 6B: 617–624.
DEVECI H., AKCIL A. & ALP I. 2004 — Bioleaching of complex zinc sulfides using mesophilic and thermophilic bacteria: a compara-tive importance of pH and iron. Hydrometallurgy, 73: 293–303. DUNN C.E., ERDMAN J.A., HALL G. & SMITH S.C. 1992 — Bioge-ochemical Exploration Simplified. Notes for a short course on methods of biogeochemical and geobotanical prospecting — with emphasis on arid terrains: 1–187 (niepubl.).
EHRLICH H.L. 2001 — Past, present and future of biohydrometallur-gy. Hydrometallurgy, 59: 127–134.
HALLBERG K.B., SEHLIN H.M. & LINDSTRÖM E.B. 1996 — Toxicity of arsenic during high temperature bioleaching of gold-be-aring arsenical pyrite. Appl. Microbiol. Biotechnol., 45: 212–216. HANSFORD G.S. & BAILEY A.D. 1992 — The logistic equation for modeling bacterial oxidation kinetics. Minerals Engineering, 5: 1355–1364.
HUTCHINS S.R., BRIERLEY J.A. & BRIERLEY C.L. 1988 — Microbal pretreatment of refractory sulfide and carbonaceous ores improves the economics of gold recovery. Mining Engineering, 40(4): 249–254.
KOMNITSAS C. & POOLEY F.D. 1990 — Bacterial oxidation of an arsenical gold sulphide concentrate from Olympias, Greece. Minerals Engineering, 3(3/4): 295–306.
KOMNITSAS C. & POOLEY F.D. 1991 — Optimization of the bacte-rial oxidation of an arsenical gold sulphide concentrate from Olympias, Greece. Minerals Engineering, 4(12): 1297–1303.
LINDSTRÖM E.B. & GUNNERIUSSON L. 1990 — Thermophilic bioleaching of arsenopyrite using Sulfolubus and a semicontinuous laboratory procedure. J. Industr. Microbiol., 5: 375–382.
MIGASZEWSKI Z. M. & GA£USZKA A. 1998 — Zastosowanie roœlin w prospekcji geologicznej oraz w pracach rekultywacyjnych. Prz. Geol., 46 (7): 594–599.
MIGASZEWSKI Z.M. & GA£USZKA A. 1999 – Smokersy – tajemni-ce g³êbin otajemni-ceanów. Prz. Geol., 47 (2): 175-180.
MIGASZEWSKI Z.M. & GA£USZKA A. 2003 – Zarys geochemii œro-dowiska. Wyd. Akad. Œwiêt. w Kielcach.
NASERNEJAD B., KAGHAZCHI T., EDRISI M. & SOHRABI M. 1999 – Bioleaching of molybdenum from low-grade copper ore. Pro-cess Biochemistry, 35: 437–440.
NEDELKOSKA T.V. & DORAN P.M. 2000 – Characteristics of heavy metal uptake by plant species with potential for phytoremediation and phytomining. Minerals Engineering, 13(5): 549–561.
NORDSTROM D.K. & ALPERS C.N. 1999 – Geochemistry of Acid Mine Waters. [W:] G.S. Plumlee & J.J. Logsdon (eds.) — The Environ-mental Geochemistry of Mineral Deposits, Part A. Processes, Tech-niques, and Health Issues. Soc. of Econ. Geologists. Rev. in Econ. Geology, 6A: 133–160.
OLSON G.J., BRIERLEY J.A. & BRIERLEY C.L. 2003 – Bioleaching review part B: Progress in bioleaching: application of microbial proces-ses by the minerals industries. Appl. Microbiol. Biotechnol., 63: 249–257.
PINCHES A. 1975 – Bacterial leaching of an arsenic-bearing sulphide concentrate. [W:] A.R. Burkin (ed.) — Leaching and Reduction in Hydrometallurgy. The Institute of Mining and Metallurgy. London: 28–35.
RAWLINGS D.E. 1998 — Industrial practice and the biology of lea-ching of metals from ores. The 1997 Pan Labs Lecture. J. Industrial Microbiol. & Biotechn., 20: 268–274.
RAWLINGS D.E., DEW D. & DU PLESIS C. 2003 — Biomineraliza-tion of metal-containing ores and concentrates. Trends in Biotechno-logy, 21: 38–44.
ROBINSON B.H., BROOKS R.R., HOWES A.W., KIRKMAN J.H. & GREGG P.E.H. 1997a — The potential of the high-biomass Berkheya coddii for phytoremediation and phytomining. J. Geochem. Explor., 60: 115–126.
ROBINSON B.H., CHIARUCCI A., BROOKS R.R., PETIT D., KIRKMAN J.H., GREGG P.E.H. & DE DOMIMINCIS V. 1997b — The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agentfor phytoremediation and phytomining of nickel. J. Geochem. Explor., 59: 75–86.
SADOWSKI Z., JAZDZYK E. & KARAS H. 2003 — Bioleaching of copper ore flotation concentrates. Mineral Engineering, 16: 51–53. SCHIPPERS A. & SAND W. 1999 — Bacterial leaching of metal sulfi-des proceeds by two indirect mechanisms via thiosulfate or via polysul-fides and sulfur. Appl. Environ. Microbiol., 65: 319–321.
Przegl¹d Geologiczny jest do nabycia:
— w Warszawie:
Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, punkt sprzeda¿y, budynek A, pok. 1 w godz. 9–15; Kiosk na Wydziale Geologii UW, ul. ¯wirki i Wigury 93;
— w Krakowie: Kiosk Skryptów, AGH ³¹cznik A1–C1;
— w Poznaniu: Biblioteka Instytutu Geologii UAM, ul. Maków Polnych 16; — w Sosnowcu: Wydzia³ Nauk o Ziemi UŒl¹ski, ul. Bêdziñska 60.
