Mikrobiologia przemysłowa w ochronie środowiska

Mikrobiologiczne ługowanie metali

• Ługowanie – proces ekstrakcji chemicznej związków lub pierwiastków przy zastosowaniu odpowiednich rozpuszczalników (roztworów ługujących) o działaniu selektywnym

• Mikrobiologiczne ługowanie metali (procesy biohydrometalurgiczne) – wykorzystanie zdolności mikroorganizmów utleniających siarkę i/lub żelazo do przeprowadzania nierozpuszczalnych siarczków metali w rozpuszczalne siarczany

Mikrobiologiczne ługowanie metaliPierwiastek Minerał Wzór chemiczny

Antymon Błyszcz antymonowy Sb2S3

Arsen Arsenopiryt

Aurypigment

Realgar

FeAsS

As2S3

As4S4

Cynk Sfaleryt ZnS

Miedź Chalkozyn

Chalkopiryt

Kowelin

Cu2S

CuFeS2

CuS

Molibden Molibdenid MoS2

Nikiel Milleryt NiS

Ołów Galena PbS

Uran Uraninit UO2

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Mikroorganizmy wykorzystywane w procesach biohydrometalurgicznych

Thiobacillus sp. Thiobacillus ferrooxidans Thiobacillus thiooxidans Leptospirillum ferrooxidans Sulfolobus sp. Sulfobacillus sp. Acidianus sp. Chromatium sp. Ferribacterium sp.

W procesach biohydrometalurgicznych wykorzystuje się konsorcja mikroorganizmów

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Thiobacillus thiooxidansThiobacillus ferrooxifans

Chemolitoautotrofy• wykorzystują CO2 jako źródło

węgla• wykorzystują S0, S2-, S2O3

2-, Fe2+ jako źródło energii

Bezwzględne tlenowce Acidofile – zdolne do wzrostu

w pH 1,5-2,8 Wykazują dużą tolerancję na

wysokie stężenie metali w środowisku

Thiobacillus thiooxidans

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Utlenianie pirytu do siarczanu żelaza (III)

1) 2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O 2 FeSO4 + 2 H2SO4

2) 4 FeSO4 + O2 + 2 H2SO4 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O

3) FeS2 + 2 Fe2(SO4)3 2 FeSO4 + 2 S

4) 2 S + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4

1 – reakcja chemiczna; 2 – T. ferrooxidans; 3 – reakcja chemiczna; 4 - T. thiooxidans

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Ługowanie metali z rud siarczkowych zawierających piryt

Fe(III) MeS

T. ferrooxidans

Fe(II) Me(II)

CuS CuSO4

ZnS + Fe2(SO4)3 ZnSO4 + 2 FeSO4 + S

CdS CdSO4

Opłacalne, nawet gdy ruda zawiera 0,4% Cu

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Ługowanie metali z rud siarczkowych Ługowanie w stosach – ubogie rudy i odpady z

kopalni odkrywkowych (poniżej 0,4% metalu) Stosy zawierające do 109 t rudy Formowanie stosów na nieprzepuszczalnym podłożu lub na

uszczelnieniu asfaltowym Pompowanie roztworu ługującego• zakwaszona woda (pH 1,5-3) – rudy zawierające piryt

• roztwór FeSO4 i pożywka mineralna (źródło azotu, fosforu, magnezu)

Metody zwiększenia efektywności – kruszenie rudy, dodatkowe natlenianie

Zatężanie i wytrącanie metali z roztworu ługującego (ok. 2g/dm3)

Ługowanie metali ze skał usypanych w stosy

Ługowanie metali ze skał usypanych w stosy

Problemy technologiczne Niedostateczne natlenienie złoża (ograniczenie

wzrostu bakterii) Optymalna ilość biomasy 7% Mało skuteczny system zraszania Optymalne pH 2,3 Przegrzanie złoża Optymalna temperatura 35 °C Zbyt małe rozdrobnienie złoża Zbyt długi czas procesu (do 20 lat)

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Ługowanie metali ze skał usypanych w zwały Masa rudy 1000x mniejsza Większe rozdrobnienie (ø 20-25 mm) Większa efektywność natleniania Większa efektywność zraszania Mniejsze niebezpieczeństwo przegrzania Czas ługowania – kilka miesięcy

Ługowanie metali w bioreaktorach przepływowych Kolumny z pokruszonej rudy Ciągły przepływ roztworu ługującego Czas reakcji ok. 60 h

Ługowanie metali z rud in situ Zatapianie nieczynnych kopalni Metoda odwiertu w skale

Ługowanie metali ze skał w nieczynnej kopalni

Ługowanie metali metodą odwiertu w skale

Mikrobiologiczne odsiarczanie węgla

Kwaśne deszcze powstają na skutek emisji SO2

podczas spalania węgla Stężenie siarki w węglu wynosi

0,05-7% Odsiarczanie gazów odlotowych

jest bardzo kosztowne Mikrobiologiczne odsiarczanie

węgla z wykorzystaniem Thiobacillus sp. umożliwia równoczesne usunięcie innych metali (nikiel, kobalt, beryl, wanad)

Mikrobiologiczne odsiarczanie węgla

Kwaśne deszcze powstają na skutek emisji SO2

podczas spalania węgla Stopień usunięcia siarki wynosi 70-

80% (siarka nieorganiczna w postaci pirytu)

Warunki procesu• rozdrobnienie (kilka-kilkadziesiąt

μm)• mieszanie 200-250 obr./min• temperatura 25-35 °C• pH 2,0• zawartość suchej masy w pulpie

10-25%• czas ługowania 15 dni

Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych

Źródła zanieczyszczenia gleby produktami naftowymi

(ropa naftowa, paliwa, smary, oleje silnikowe, asfalty) procesy wydobywcze przerób rafineryjny transport magazynowanie

Tereny najbardziej narażone na skażenie okolice rafinerii okolice stacji paliw okolice warsztatów naprawczych okolice rurociągów przesyłowych paliwa lotniska

Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych

Mikroorganizmy zdolne do rozkładu węglowodorów Bakterie• Pseudomonas• Micrococcus• Alcaligenes• Aeromonas• Flavobacterium• Vibrio• Acinetobacter• Mycobacterium• Bacillus• Arthrobacter

Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych

Mikroorganizmy zdolne do rozkładu węglowodorów Grzyby• Candida• Saacharomyces• Fusarium• Penicillium• Aspergillus• Rhizopus• Geotrichum

Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych

Mikroorganizmy zdolne do rozkładu węglowodorów Promieniowce• Actinomycetes• Nocardia• Streptomyces Cyjanobakterie i glony• Oscillatoria• Anabaena• Nostoc• Chlorella• Chlamydomonas• Scenedesmus• Phormidium

Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych

Sposoby pobierania węglowodorów przez drobnoustroje

W postaci mikrokropli W postaci makrokropli W postaci rozpuszczonej w wodzie

Pobieranie węglowodorów w postaci mikrokropli Wytwarzanie substancji powierzchniowo czynnych, które emulgują

węglowodory i ułatwiają przenikanie przez błonę komórkową kompleksy polisacharydów, kwasów tłuszczowych i białek glikolipidy lipopeptydy fosfolipidy

Metody biologiczne oczyszczania gruntów z produktów ropopochodnych

• in situ – w miejscu (bez wybierania zanieczyszczonego gruntu)

• ex situ – po usunięciu gruntu z miejsca skażenia i ułożeniu w wytypowanym punkcie do remediacji

Stymulacja rozwoju mikroorganizmów autochtonicznych (0,01-1% mikroorganizmów glebowych)

Wprowadzanie mikroorganizmów zdolnych do rozkładu produktów ropopochodnych

Czynniki wpływające na szybkość biodegradacji węglowodorów

• Budowa chemiczna i właściwości węglowodorów• Stężenie węglowodorów → toksyczność dla mikroorganizmów (do 5%)• Zawartość tlenu (4 mg/mg paliwa)• Wilgotność (powyżej 15%)• pH (6-8)• Temperatura (20-30 °C)• Zawartość związków biogennych (dodatkowe źródła N i P)• Liczebność i rodzaj drobnoustrojów (powyżej 105/g s.m. gruntu)• Obecność innych niż węglowodory źródeł węgla i energii • Procesy sorpcji

Regulacja liczebności i rodzaju drobnoustrojów

Stymulacja wzrostu mikroorganizmów autochtonicznych• napowietrzanie• dodatek soli biogennych• nawilżanie

Izolacja mikroorganizmów ze skażonego gruntu, namnażanie i ponowne wprowadzanie do gruntu

Wprowadzanie biopreparatów

Kontrola przebiegu procesu bioremediacji

Badania fizyko-chemiczne• ilość węglowodorów• wilgotność• ilość biogenów• pH

Badania mikrobiologiczne• oznaczenia ilościowe• oznaczenia jakościowe

90-99% gatunków biorących udział w biodegradacji węglowodorów nie rośnie na podłożach hodowlanych