UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

DISCIPLINA:BIOTEHNOLOGII

TEMA PROIECT:

Valorificarea deşeurilor din Aluminiu utilizandprocese biotehnologice

PROF. COORD. STUDENT:

2014

Valorificarea deşeurilor din Aluminiu utilizandprocese biotehnologice

Aluminiul este un element chimic, notat cu simbolul Al. Numărul atomic al aluminiului arevaloarea 13, iar masa atomică este 26.97. Este un element chimic comun, ocupând poziția a treia,după oxigen și siliciu, ca răspândire terestră, existând în procent de 7.4%. Compușii aluminiuluiconstituie 8.13% din scoarța terestră, fiind întâlniți în substanțele minerale, precum și în lumeavegetală și animală.

În stare naturală este întâlnit sub forma mineralelor, dintre care amintim silicații,silicoaluminații (feldspat, mică, argile), criolitul (fluoaluminat de sodiu), bauxita, co rindonul.

După fier, acesta a devenit metalul cu cea mai largă întrebuințare. Aluminiul a fost remarcatpentru faptul că este un metal ușor, cu o densitate de 2.7 g/cm3. Aceasta calitate îl face să fieutilizat în cantități mari în industria navală și aeronautică. Capacitatea mare de reflexie estefolosită în construirea oglinzilor metalice.

Este un bun conducător electric și termic, fiind folosit în industria electrochimică sub formăde sârmă, înlocuind conductoarele electrice din cupru, care sunt mai scumpe.

Este un metal ductil și maleabil, fiind posibilă obținerea unei foițe subțiri de 0.005 mmgrosime. Totodată, această proprietate este utilizată în industria alimentară, aluminiul fiindfolosit la ambalarea produselor alimentare sau în industria farmaceutică.

Efectele reciclării aluminiului asupra consumului de energie și de materiale

- salvează ~95% din energia consumată pentru producerea aceleaşi cantităţi de aluminiu pe calea

metalurgiei extractive;

- salvează materiale: reciclarea unui kilogram de aluminiu poate salva: ~8kg bauxită, 4kg

produse chimice şi 14kWh energie.

Efectele reciclării aluminiului asupra protecţiei mediului:

- salvează resursele de materii prime naturale

- reduce impactul exploatărilor miniere asupra ecosistemului, reduce consumurile energetice.

- producerea aluminiului primar generează cantităţi mari de deşeuri solide (în principal nămol

roşu 1.600–3.200kg/tona de aluminiu produs prin procedeul Bayer).

Ce este biotehnologia?

Biotehnologia se definește ca fiind mulțimea metodelor și tehnologiilor folosite în cadrulproceselor biologice industrial-productive sau proceselor biogenetice controlate in scopulregenerărilor vegetale, animale, sau umane.

Microorganisme si procese utilizate pentru recuperarea metalelordin zonele miniere

In ultimul timp cercetarile ştiinţifice s-au axat pe mediile extreme datorită potenţialuluipe care îl au microorganismele extremophile(sunt microorganisme ce au capacitatea de a crestein conditii de temperatura, aciditate, alcalinitate sau concentratii de saruri ridicate) înbiotehnologie. Studiul ecologiei microbiene a mediilor extreme, bogate în metale, oferă baza pecare s-au dezvoltat tehnologiile de procesare a minereurilor.

Cercetarea în domeniul ecologiei mediilor extrem de acide, cu concentraţii crescute de ionimetalici, a relevat că diversitatea microorganismelor acidofile este considerabilă. Aceastacuprinde în principal ca reprezentanţi Bacteria şi Archaea, precum şi alte microorganisme cuefect sinergic sau antagonic asupra procesului de oxidare a minereurilor sulfurice.

Acţiunea bacteriilor acidofile la nivel de ecosistem este foarte complexă: (a) în lanţurileşi reţelele trofice; (b) în limitarea dezvoltării populaţiilor unor anumite organisme; (c) înformarea şi menţinerea structurii solului, esenţial pentru circulaţia apei, aerului şi nutrienţilor; (d)bioindicatori pentru “sănătatea” ecosistemelor.Dezvoltarea proceselor biotehnologice, bazate peactivitatea microorganismelor acidofile, a demonstrat eficacitatea acestora în îndepărtarea ionilormetalici din efluenţi minieri cu două efecte benefice:

bioremedierea mediului poluat cu substanţe anorganice reziduale, cum suntmetalele grele care sunt toxice pentru majoritatea formelor de viaţă, inclusivomul;

recuperarea unor cantităţi de ioni metalici în vederea refolosirii acestora înscop economic

Bacteriile acidofile prezente în drenaje acide de mină şi în solul învecinat acestora pot fiheterotrofe sau chemolitotrofe, fiind implicate în procesele de biosolubilizare, bioacumulare şi

biofixare a metalelor. Ele semnalizează apariţia unor modificări negative ale ecosistemelor cedecurg din activitatea unor poluanţi sau alţi factori perturbatori, înainte ca acestea să afectezeorganismele mai evoluate).

In ultima decadǎ cercetǎrile legate de bioremedierea mediului poluat cu metale grele auluat o mare amploare, bazatǎ pe activitatea microorganismelor acidofile a cǎror diversitatemetabolicǎ explicǎ eficienţa îndepǎrtǎrii compuşilor toxici din mediul înconjurǎtor.

Accentuarea gradului de poluare a mediului a determinat creşterea interesului cu privirela rezistenţa microbianǎ la ioni metalici şi mai ales asupra extinderii potenţialului de aplicatiibiotehnologice acestor microorganisme. Microorganismele acidofile, cum sunt: bacteriileheterotrofe acidofile şi bacterii chemolitotrofe fier- şi sulf- oxidante, care s-au dovedit rezistentela concentraţii crescute de cupru sunt de interes pentru aplicaţii biotehnologice(biohidrometalurgice).

Bacteriile acidofile prezintǎ un interes deosebit în aplicaţii biotehnologice: bioleşiere(biominerit) şi biosorbţie pentru recuperarea unor cantitǎţi apreciabile de metale, în controlulpoluǎrii şi îmbunǎţirea combustibililor fosili.

In urmǎtorul mileniu se preconizeazǎ o extindere pe scarǎ largǎ a bioprocesǎriiminerurilor, cǎt şi a tipurilor de minereu care pot fi astfel preluate. Diferite tulpini, specii sauchiar genuri de microorganisme acidofile pot deveni cei mai importanţi agenţi de oxidare aminereurilor. Dizolvarea reductivǎ a minereurilor conţinǎnd fier feric de cǎtre bacteriile fier-oxidante acidofile poate fi folositǎ la îndepǎrtarea impuritǎţilor de oxizi de fier din depunerileminiere (caolinul, ilmenitul). Alte posibile aplicaţii ale microorganismelor acidofile includfolosirea bacteriilor fier-reducǎtoare pentru bioremedierea controlatǎ a apelor acide reziduale.

Biogeotehnologia include biohidrometalurgia (leşierea microbianǎ), bioacumulareametalelor, bioprecipitarea metalelor, biosorbţia metalelor şi desulfurizarea combustibililor fosili.Biohidrometalurgia este un domeniu de mare importanţǎ, cunoscut fiind faptul cǎ peste 20% dinproducţia mondialǎ de cupru este obţinutǎ din minereuri prin tehnologie microbianǎ. Aceastǎtehnologie are la bazǎ în principal activitatea microorganismelor chemolitotrofe acidofile dingenurile Thiobacillus, Leptospirillum, Sulfolobus, Metallosphaera, care se dezvoltǎ pe bazasulfului şi fierului din mineruri sulfurice, pe care le oxideazǎ în prezenţa oxigenului atmosferic.Alte microorganisme acidofile acumuleazǎ, fixeazǎ si precipitǎ metalele , participînd la formareade noi zǎcǎminte metalifere.

Activitatea şi selectivitatea proceselor de recuperare a metalelor se datoresc proprietăţilorfiziologice ale microorganismelor, caracteristicilor elementelor, cât şi factorilor fizici şi chimiciai mediului (temperatură, pH), modului de preparare a biomasei, compoziţiei mediului nutritiv,prezenţa diferitelor substanţe organice în apa reziduală, acestea constituind elemente de bază înînţelegerea şi controlarea proceselor microbiologice de îndepărtare a ionilor metalici din apereziduale industriale.

O importanţă deosebită în utilizarea microorganismelor acidofile în procese de biosorbţie,bioacumulare şi biosolubilizare a metalelor din ape reziduale industriale (în special drenajele

miniere acide) o reprezintă rezistenţa acestor microorganisme la concentraţii crescute de ionimetalici existente în mediile respective. Acest fapt oferă posibilitatea utilizării lor eficiente înprocesele biotehnologice.

Pe de altă parte, studiul rezistenţei microorganismelor acidofile la concentraţii diferite deioni metalici contribuie la îmbunătăţirea proceselor de biosorbţie, bioacumulare şi biosolubilizarea metalelor şi eliminarea acestora din ape reziduale industriale, prin stabilirea experimentală ainfluenţei ionilor metalici asupra dezvoltării acestor microorganisme.

Procesele de bioacumulare, bioconcentrare şi bioamplificare

Expunerea unui sistem biologic (organism) la stresul chimic are loc atunci când un

compus chimic ajunge în contact cu acel sistem sau când prezintă o formă biodisponibilă. Pentru

a fi considerat biodisponibil compusul chimic trebuie să ajungă într-o locaţie a organismului

unde poate cauza un efect. Gradul de biodisponibilitate al unui compus chimic poate fi măsurat

în diferite moduri, fiind în legătură cu tipul de contaminant considerat. Cu cât este mai mică

biodisponibilitatea compusului cu atât riscul pe care îl are va fi mai mic. În absenţa

biodisponibilizării nu există expunere şi contaminantul nu va poseda nici un fel de risc pentru

sistemele biologice. Trebuie subliniat faptul că gradul de biodisponibilizare diferă de la o specie

la alta şi se poate schimba sub influenţa factorilor de mediu. Spre exemplu, pH-ul are un efect

marcant asupra solubilităţii metalelor în sol şi apă. Dacă pH-ul scade unele metale devin solubile

şi astfel biodisponibile. Aluminiul, spre exemplu, este insolubil la valori de pH neutre sau slab

acide, însă la valori de pH sub 4,5 solubilitatea sa creşte şi devine compus extrem de toxic.

În momentul în care compuşii toxici ajung în organism ei pot atinge concentraţii mai mari

faţă de compartimentele de unde au fost preluaţi. Pentru a înţelege cum pot fi transferaţi poluanţii

de-a lungul lanţurilor trofice, trebuie cunoscut potenţialul de bioacumulare al compusului chimic

de interes.

Bioacumularea se referă la gradul în care un organism preia şi reţine un compus chimic

în urma expunerii la acesta. Bioacumularea descrie o tendinţă a organismelor vii de a prelua, din

mediu sau din hrană, şi depozita substanţe chimice. Bioacumularea ia în considerare faptul că

organismele pot acumula compuşii chimici la care sunt expuse (pe cale directă sau alimentară) şi

că procesul de acumulare depinde de rata de preluare a compusului faţă de rata de eliminare sau

degradare a sa pe cale metabolică. Bioacumularea are loc fie pentru ca substanţele chimice sunt

preluate mai rapid decât pot fi utilizate sau excretate, fie pentru că ele nu pot fi descompuse sau

degradate şi către organism. Spre exemplu, biacumularea Cd în animale este relativ mare faţă de

a altor metale deoarece Cd este asimilat rapid şi excretat încet.

Bioconcentrarea se referă la absorbţia sau preluarea unui compus chimic din mediu şi

concentrarea sa în părţi ale organismului (ţesuturi) unde atinge concentraţii mai mari decât în

mediul de unde a fost preluat. Termenul este folosit mai ales în cazul organismelor acvatice.

Gradul în care un compus chimic poluant se poate concentra în organism se exprimă prin

factorul de bioconcentrare (BCF) care este definit ca fiind raportul dintre concentraţia

compusului chimic într-un ţesut al organismului şi concentraţia compusului chimic în momentul

expunerii. Astfel, un factor de bioconcentrare de 100 înseamna că organismul a concentrat de

100 de ori compusul chimic faţa de mediul de unde a fost preluat. Factorul de bioconcentrare

este cel mai adesea folosit în cazul organismelor acvatice când se calculează raportându-ne la

concentraţia compusului chimic din apă. Termenul poate fi folosit şi pentru organismele terestre

dacă se referă la trecerea compuşilor chimici din aer sau din sol, prin pătrundere transfoliară sau

transradiculară în cazul organismelor vegetale şi prin inhalare sau difuzie în cazul animalelor. El

diferă în cadrul aceleaşi specii în funcţie de compusul chimic considerat. BCF variază, de

asemenea, de la o specie la alta şi este influenţat şi de condiţiile de mediu specifice locului unde

este determinat.

Dacă un organism prezintă un factor de bioconcentrare ridicat pentru o anumită

substanţă, acest lucru se poate datora proceselor biochimice caracteristice lui. Spre exemplu,

animalele care prezintă exoschelet sau carapace preiau Pb sau St în cantităţi mai mari decât

animalele care nu prezintă aceste formaţiuni deoarece cele 2 substanţe urmează modele

biochimice similare cu ale Ca care este asimilat în cantităţi mari.

Bioamplificarea se referă la tendinţa unor compuşi chimici de a se concentra o dată cu

trecerea către nivelurile trofice superioare ca urmare a fluxului energetic din ecosisteme.

Producătorii preiau din mediul înconjurător nutrienţii necesari sintezei organice. Pentru că

disponibilitatea acestor nutrienţi poate fi limitată, adesea sunt preluate cantităţi de nutrienţi mai

mari decât necesarul imediat. Astfel, plantele prezintă concentraţii ale nutrienţilor mai mari decât

cele din mediul înconjurător. Urmând acelaşi mecanism, poluanţii care sunt similari chimic cu

aceşti nutrienţi şi sunt prezenţi în mediu pot fi preluaţi şi depozitaţi în ţesuturile plantelor. Primul

pas în bioamplificare are loc atunci când poluanţii sunt depozitaţi în ţesuturile producătorilor

primari la concentraţii mai mari decât cele din mediul înconjurător. Al doilea stadiu al

bioamplificării are loc atunci când producătorii sunt consumaţi de consumatori. Este cunoscut că

un consumator primar trebuie să consume o cantitate mare de biomasă pentru a-şi satisface

nevoiele sale energetice. Dacă această biomasă va conţine un poluant, acesta va fi preluat în

cantităţi mari de către consumator. Poluantul o dată intrat în procesul de bioamplificare îşi

schimbă şi caracteristicile şi comportamentul. Spre exemplu, poluanţii solubili în grăsime (DDT,

PCB) odată ce sunt digeraţi trec şi se acumulează în ţesutul gras de la consumatorii primari către

cei terţiari. Poluanţii solubili în apă nu se pot acumula în acest fel pentru că pot fi eliminaţi din

organism o dată cu apa. Subliniem faptul că bioconcentrarea şi bioacumularea sunt procese care

au loc în organisme, în timp ce bioamplificarea are loc de-a lungul lanţurilor trofice.

METODE DE RECUPERARE A METALELOR DIN

ZĂCĂMINTE CU AJUTORUL MICROORGANISMELOR

Microorganismele sunt utilizate pentru oxidarea mineralelor metalifere din minereuri şiconcentrate, dar şi ca agenţi de flotaţie pentru tratarea mineralelor sau pentru extracţia şiconcentrarea metalelor din soluţie.

Biomineritul reprezintă un complex de aplicaţii biotehnologice destinate recuperăriimetalelor din zăcămintele epuizate, prin extracţia acestora cu ajutorul microorganismelorspecializate, în locul tehnologiilor convenţionale.

Biomineritul este un procedeu biotehnologic extrem de eficient, sigur şi economic,dar mai ales deosebit de compatibil cu mediul, spre deosebire de metodele tradiţionale deminerit, utilizate în ultimul secol.Eficienţa tehnico-economică a biomineritului poate fi sporită, fie prin selecţionarea unorsurşe eficace de microorganisme, existente în mediul natural, fie prin modificarea genetică acelor existente în culturile in vitro, prin utilizarea tehnicilor avansate din domeniul biologieimoleculare şi al ingineriei genetice.

Condiţia esenţială pentru asigurarea eficienţei biomineritului este reprezentată de selecţiariguroasă a populaţiilor de microorganisme care vor fi utilizate pentru recuperarea metalelorprezente în minele exploatate excesiv în decursul timpului. Acest fapt impune cunoaştereacorespunzătoare a tuturor caracteristicilor morfologice, fiziologice şi biochimice ale speciilormicrobiene care vor fi utilizate în aplicaţiile biomineritului.

SPECII DE MICROORGANISME UTILIZATE PENTRURECUPERAREA METALELOR DIN ZACAMINATE

În aplicarea tehnologiilor de recuperare a metalelor din zăcăminte au fost utilizate speciilebacteriene: Thiobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans, T. organoparus, Leptospirillum

ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfooxidans, Sulfolobus acidocaldarius, S.brierley,Thermothrix thioparus.

Thiobacillus ferrooxidans este o specie bacteriană chemotrofă, moderat termofilă,care poate produce energie prin oxidarea compuşilor anorganici, cum sunt cei ai sulfuluişi fierului. Este cea mai des utilizată specie bacteriană în activităţile de biominerit şi deţine unrol fundamental în procedeele de recuperare a metalelor din minereuri, prin realizareaconversiei Fe feros (Fe2+) la Fe feric (Fe3+). De asemenea, această specie bacteriană poatetransforma compuşii sulfului, prezenţi în compoziţia unor minereuri, în diferite grade deoxidare, produsul final al acestor reacţii de transformare fiind atomul de sulf care posedă maipuţini electroni de valenţă. T. ferrooxidans accelerează de 200.000-500.000 ori reacţiile deoxidare ale Fe2+ şi ale S0, comparativ cu procesele similare, care pot avea loc în mod spontan, înmediul natural.

Au fost evidenţiate suşe ale unor specii aparţinând genului Thiobacillus care sunt extremde active în medii cu pH neutru. Acestea acţionează în fazele iniţiale ale procesului debiosolubilizare, având rolul de a creşte aciditatea substratului asupra căruia acţionează şi de afacilita multiplicarea bacteriilor acidofile.

BIOSOLUBILIZAREA ŞI BIOOXIDAREA MICROBIANĂ A METALELOR

Biomineritul include două tipuri diferite de procese biotehnologice: biosolubilizarea(bioleşierea) şi biooxidarea, ambele fiind realizate prin acţiunea specifică a unor populaţii demicroorganisme.

Sistemele de leşiere a metalelor sunt complexe şi includ un număr important demicroorganisme, în special chemolitotrofe, precum şi o activitate intensă la un pH scăzut.

Biosolubilizarea se referă la ansamblul modalităţilor tehnice şi tehnologice, care conduc laeliberarea metalelor din zăcăminte sau din depozitele de steril şi recuperarea lor cu ajutorul unorspecii de microorganisme înalt specializate pentru acumularea acestora. Descoperirea roluluibacteriilor Fe-oxidante, active în mediu acid, a determinat reconsiderarea acestui proces, înprimul rând prin recunoaşterea sa ca proces pur biotehnologic, datorită contribuţiei esenţialeaduse de componenta sa biologică. Aceste procedee tehnologice de biosolubilizare cuprind maimulte etape: fragmentarea minereului, extracţia şi selecţia unei anumite categorii de minerale şide concentrate, solubilizarea propriu-zisă, realizată de către anumite specii bacteriene sau demetaboliţii acestora şi extracţia metalelor din soluţia minerală.

S-a demonstrat că bacteriile pot acţiona pe trei căi: directă (prin oxidarea nemijlocită amineralelor sulfurate), indirectă (prin participarea la procesele de oxidare cu producerea de Fe3+

şi H2SO4) şi galvanică.

a. Biosolubilizarea directăProcesul de biosolubilizare direct se realizează fără participarea sulfatului feros (FeSO4), careeste produs pe cale microbiană (bacteriană), deoarece metalele sunt eliberate din minereulinsolubil, în mod direct, prin metabolismul oxidativ al microorganismelor.

Pe parcursul biosolubilizării directe, bacteriile acţionează asupra componenţilor mineralisusceptibili de oxidare, transferând, în cursul desfăşurării metabolismului lorenergetic, electronii de la atomii de Fe sau S la cei de oxigen. Aşadar, procesul este unulaerob, fiind mediat de proteine de transport, care transferă electronii eliberaţi în cursul reacţiilorde oxidare, de la nivelul membranei celulare către atomii de oxigen.

Existenţa unui asemenea mecanism biochimic a fost demonstrată experimental prinexpunerea unor sulfuri metalice, preparate sintetic şi lipsite de atomi de Fe, la acţiuneabacteriilor chemolitotrofe din specia Thiobacillus thiooxidans.

Interacţiunea acestor bacterii cu substraturile minerale, preparate sintetic, a evoluat cuconsum de oxigen având drept rezultat solubilizarea metalului respectiv.

Adăugarea de Fe feric (Fe3+) dublează rata de extracţie, fapt care conduce laemiterea ipotezei conform căreia valenţa elementului metalic încorporat în minereu sau înconcentrat, care urmează a fi solubilizat de microorganisme, deţine un rol determinant înrandamentul procesului de biosolubilizare directă.

b.Biosolubilizarea indirectăBiosolubilizarea indirectă este procedeul prin care metalele sunt eliberate din

mineralele insolubile, prin intermediul oxidanţilor chimici produşi de diverse microorganisme.Reacţiile oxidative caracteristice leşierii indirecte se pot produce şi ca oxidări pur chimice.

Prezenţa şi activitatea microorganismelor accelerează mult viteza reacţiilor chimice. Încondiţii naturale, cele două tipuri de procese, chimice şi biologice, constituie un sistemcomplex, a cărui funcţionare concomitentă depinde de factori fizici, hidrologici, geologici şiindustriali.

Sistemul de oxidare cel mai bine studiat şi considerat ca model actual este cel referitor laeliberarea fierului din pirită (FeS2), care este cel mai frecvent întâlnit şi mai uşor oxidabilminereu. În leşierea indirectă, bacteriile produc Fe feric (Fe3+) sub formă de Fe2(SO4)3, prinoxidarea Fe feros (Fe2+) solubil.

Deoarece Fe2(SO4)3 este un oxidant puternic, acesta poate dizolva o mare varietatede metale, pe care le transformă în ioni oxidanţi, solubili într-o soluţie de acidsulfuric.

Pe parcursul acestei reacţii, reapare Fe feros care este rapid reoxidat de bacterii. Acestfapt explică denumirea de leşiere ,,asistată”, care a fost dată leşierii indirecte.

În figura 1 este reprezentată schematic tehnologia de biosolubilizare (leşiere) a sulfurilormetalice din compoziţia minereurilor metalifere.

Fig1. Reprezentarea schematică a procesului de biosolubilizare (leşiere) a sulfurilor metalicedin minereurile metalifere

În timpul acestui proces, intervenţia bacteriei T. ferrooxidans măreşte viteza reacţiei deoxidare de peste un milion de ori. În mod evident, atomii de Fe şi cei de S din compoziţiapiritelor sunt oxidaţi simultan, însă numai după ce sulfurile sunt disociate din reţeauacristalină a mineralelor respective.

Metoda de biosolubilizare indirectă este aplicabilă şi unei game largi de sulfuri de cuprupentru recuperarea acestui metal din minereurile existente în minele sărăcite, prin exploatareaexcesivă. Prin leşierea indirectă se pot obţine atât cuprul, cât şi sulful existent în minereuri.

Sulful elementar (S°) produs în cursul acestor reacţii poate fi convertitde bacteria T.ferrooxidans la acid sulfuric. În acest mod, se generează şi semenţine un mediu acid favorabil existenţei bacteriilor şi, în acelaşi timp, sesolubilizează o serie de oxizi ai cuprului.

c.Biosolubilizarea galvanicăBiosolubilizarea sau conversia de tip galvanic reprezintă cea de-a treia cale de

solubilizare şi recuperare a metalelor cu ajutorul microorganismelor, dar acest proces nu a fostobservat în condiţii naturale.

Acest proces se bazează pe principiul fizico-chimic conform căruia contactul fizic dintredouă sulfuri metalice diferite, scufundate într-un electrolit, generează o celulă galvanică.

PROCEDEE DE BIOSOLUBILIZARE AEROBĂ A METALELOR

a).Biosolubilizarea ex situ

Biosolubilizarea în bioreactoare cu agitare continuăProcesele de oxidare bacteriană a minereurilor metalifere pot fi efectuate în vasele de

cultivare ale unor bioreactoare, prevăzute cu sisteme de agitare continuă, prin intermediul cărorase obţine o cantitate însemnată de metale recuperate, a căror valoare economică totală justificăpe deplin costurile de instalare şi operare a echipamentului biotehnologic respectiv.

Vasul de cultivare a bacteriilor pe substraturi constituite din minereuri ale metalelor ceurmează a fi solubilizate şi recuperate din compoziţia acestora poate fi dotat fie cu un agitatormecanic prevăzut cu palete, precum şi cu un sistem de injectare a aerului sub presiune, direct îninteriorul şlamului, fie cu un dispozitiv de introducere a aerului de înaltă presiune prin parteainferioară vasului de cultivare, astfel încât să se realizeze concomitent agitarea şi oxigenareaşlamului.

Thiobacillus este genul de bacterie cel mai des utilizat în aplicarea acestprocedeu,deoarece este o bacterie aerobă care se dezvoltă extrem de repede pe substraturileconstituite din şlam bine aerat. Aportul masiv de aer în vasul de cultivare are loc pe toată durataprocesului de biosolubilizare prin oxidarea minereurilor.

În general, procesul se desfăşoară în,,cascadă”, utilizând în acest scop mai multebioreactoare interconectate, şlamul circulând dintr-unul în altul până când se realizează oxidareacompletă a minereurilor respective. În final, şlamul complet oxidat este spălat cu apă curentăşi, apoi, tratat cu anumite substanţe chimice pentru recuperarea totală a metalelor.

Biosolubilizarea în stive de oxidare

Stivele de oxidare sunt formate din minereuri epuizate, extrase din zăcăminte, amplasatepe platforme prevăzute în partea inferioară cu conducte de colectare a soluţiilor rezultate în

urma biosolubilizării, care asigură transportul acestora într-o instalaţie de extracţie a metalelorprin precipitare cu solvenţi specifici.

Pentru asigurarea unei oxigenări corespunzătoare a minereurilor colonizate de bacteriilechemoautotrofe din genul Thiobacillus, se introduce aer sub presiune, cu ajutorul unuidispozitiv de pompare aflat la baza stivelor de oxidare. Soluţiile acide care se utilizeazăpentru spălarea şi curăţarea produşilor rezultaţi din biooxidare sunt apoi neutralizate pentruprecipitarea metalelor, de tipul cuprului sau fierului.

b) Biosolubilizarea in situPrin utilizarea acestor tehnologii de biosolubilizare, sunt extrase, în mod direct, metalele

existente în zăcăminte, chiar în interiorul minelor în care se află, fără a fi colectate şi apoitransportate în instalaţii speciale pentru extracţie şi recuperare din minereuri.

Acest procedeu tehnologic este utilizat pentru extracţia cantităţilor mici de metaleremanente în compoziţia minereurilor din zăcăminte, după ce exploatarea metalelor prin metodeconvenţionale a fost încheiată. În consecinţă, mina este supusă unor detonări cu materialexplozibil, în scopul fragmentării cât mai puternice a rocilor care mai conţin minerale metalifereşi pentru a spori permeabilitatea acestora, iar apoi materialul rezultat este spălat şi tratat cusoluţii acide conţinând inoculum bacterian, chiar în interiorul minei, concomitent asigurându-seaportul de aer necesar pentru procesele intense de oxidare.

În acest mod, biooxidarea are loc in situ, datorită activităţii metabolice a bacteriiloroxidante, rezultatul fiind acela al extracţiei şi recuperării metalelor existente în minereurilerespective.

PROCEDEE DE BIOSOLUBILIZARE ANAEROBĂ A METALELOR

Acest procedeu de biosolubilizare anaerobă şi denitrificare oferă posibilitatearecuperării metalelor din zăcăminte, la costuri scăzute şi în condiţiile reducerii efectelor poluante,deoarece nu utilizează surse de aerare a substraturilor pentru extracţia metalelor şi nici nugenerează substanţe reziduale extrem de poluante (soluţiile de acizi tari, rezultate prinaplicarea tehnologiilor aerobe de biosolubilizare).

Avantajele aplicării acestui procedeu tehnologic constau în:- eliminarea costurilor de producţie pentru asigurarea aportului permanent de oxigen,

necesare în condiţiile utilizării procedeelor aerobe;- eliminarea producerii de reziduuri toxice, reprezentate de apele acide ce rezultă încantităţi apreciabile din procesele de biosolubilizare aerobă;- producerea de subproduse netoxice din procesele de biosolubilizare anaerobă, cum sunt: N2,CO2 şi H2O.

Tehnologia anaerobă de biosolubilizare utilizează culturi bacteriene anaerobe din genulThiobacillus, în asociere cu specii microbiene heterotrofe denitrificatoare, care permitrecuperarea metalelor cu minime efecte poluante asupra mediului.

Această tehnologie poate fi utilizată pentru tratarea zăcămintelor, care, în mod curent, nupot fi solubilizate prin aplicarea tehnologiilor de biosolubilizare aerobă, a carbonaţilor,silicaţilor, piritelor şi oxizilor de cupru prezenţi în minereurile din zăcămintele metalifere.

Schema de aplicare a tehnologiei de biosolubilizare anaerobă este redată în figura 2.

Fig.2. Reprezentarea schematică a tehnologiei de biosolubilizare anaerobă

Pentru creşterea în continuare a eficienţei acestor procedee biotehnologice, se studiazăposibilităţile de selecţie a unor noi suşe bacteriene cu potenţial ridicat de biosolubilizare,precum şi de obţinere a unor bacterii modificate genetic, capabile să determine sporireaproductivităţii de extracţie şi recuperare a metalelor din zăcăminte, în special a metalelorgrele.

Există microorganisme care deţin enzime ce le conferă protecţie faţă de toxicitateamanifestată de aceste elemente chimice sau posedă mecanisme biochimice de inactivare prinmetabolizare, precum şi de eliminare a acestora în mediul extracelular.

CONCLUZIIMicroorganismele sunt utilizate pentru oxidarea mineralelor metalifere din minereuri şi

concentrate, dar şi ca agenţi de flotaţie pentru tratarea mineralelor sau pentru extracţia şiconcentrarea metalelor din soluţie.

Biomineritul reprezintă un complex de aplicaţii biotehnologice destinate recuperăriimetalelor din zăcămintele epuizate, prin extracţia acestora cu ajutorul microorganismelorspecializate, în locul tehnologiilor convenţionale.

Biomineritul include două tipuri diferite de procese biotehnologice:biosolubilizarea (bioleşierea) şi biooxidarea.

PRINCIPIUL BIOLIXIVIERII AEROBE

Biolixivierea, recunoscută şi sub denumirea de bio-solubilizare sau bio- oxidare, acâştigat o atenţie sporită, fiind inovatoare, ecologică şi economică. Procesele biolixiviante sebazează pe capacitatea microorganismelor de a transforma compuşii solizi în elemente solubileşi extractibile care pot fi recuperate.

În procesul de biolixiviere aerobă, microorganismele sau bacteriile folosite oxidează înmod direct sau indirect compuşii anorganici (Figura 1).Oxidarea şi activitatea de producere a

Microorganisme Procese Aria de aplicabilitateBacterii de genulAcidithiobacillus şiLeptospirillum

Oxidarea sulfurilor metalice, S şiFe2+ la pH 1.4-3.5 şitemperatura 5-35° C.

- În lixivierea metalelor învrac, subteran sau în bazin,din minereuri şi concentrate,din deşeuri din industriilepirometalurgice,

Bacterie termofilăsimilară cuAcidihiobacilli

Acelaşi la pH 1.1-3.5 şitemperatură 30-55° C.

- Biosolubilizarea metalelordin sulfuri metalice.- La desulfurarea cărbunelui.- Biolixivierea minereului deaur pentru îndepărtareamatricei pirită

Bacterie termofilă degenul Sulphobacillus

Acelaşi la pH 1.1-5.0 şitemperatură 20-60° C.

- Biosolubilizarea metalelordin sulfuri metalice.

Bacterie acidofilă degenul Sulpholobus şiAcidianus

Acelaşi la pH 1-5 şitemperatură 45-96° C.

- Biolixivierea minerelui deaur pentru îndepărtareamatricei pirită

Microorganismeorganotrofe

- Distrugerea sulfurilor metaliceşi silicaţi de aluminiu

- Pentru extracţia prin lixivierea metalelor din minereuri

acidului de către bacteriile sulfo-oxidante sunt esenţiale . Aceste procedee se fac cu ajutorulmicroorganismelor chemolitoautotrofe ce aparţin unor grupuri cunoscute sub numele deextremofile, deoarece trăiesc în condiţii extrem de acide (pH 1-3.0) şi în prezenţaconcentraţiilor foarte mari de metale grele toxice.

Fig. 1. Biolixivierea solului poluat utilizând bacterii aerobe sulfo-oxidante.

Mecanismele importante în procesul de biolixiviere sunt: oxidarea şi activitateade producere a acidului de către bacterii

Concret microorganismele de tipul Acidithiobacillus ferrooxidans,Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulpholobus spp. şibacteriile termofile, incluzând Sulpholobus hermosulphidoxidans sunt cunoscute a fiimplicate în procesul de biosolubilizare (Tabelul 1).

Tabel 1. Microorganisme, procese şi aria de aplicabilitate

Pentru biolixiviere au fost utilizate atât speciile bacteriene cât şi fungice. Speciile bacterieneacidofile au fost folosite în biolixivierea minerelui de aur pentru îndepărtarea matricei pirită.

Bacteriile aparţinând genului Acidithiobacillus sunt autotrofe aerobe şi acidofile, ce joacă un rolimportant în biosolubilizarea metalelor din minerale sulfide. Aceste microorganisme cedeazăenergia necesară oxidării compuşilor de fier şi sulf. Fierul feeric şi acidul sulfuric produse însistem produc solubilizarea metalului.

TEHNICI DE EXTRACŢIE PRIN BIOLIXIVIERE

Tehnicile principale folosite în procedeul de biolixiviere sunt: prin percolare şi prinagitare în instalaţii speciale numite bioreactoare. Realizarea acestora se face în condiţii aerobe şianaerobe.

Biolixivierea în bioreactor cu curent ascendent

Solul este plasat într-un reactor cu un raport sol/mediu nutritiv lichid ce permiteformarea unei suspensii de sol. Particulele de sol sunt amestecate şi ţinute în suspensie într- unmediu nutritiv lichid sub un flux permanent de aer comprimat care promoveazăomogenizarea şi oxigenarea suspensiei de sol.

Un bioreactor cu curent ascendent (Figura 2) este format din 3 părţi: partea de sus, coloanaprincipală cu manta de apă şi partea de jos ce presupune insuflarea de aer. Coloana principalăconstă dintr-un tub interior de 5 cm diametru, un tub exterior cu diametrul de 15 cm şi 150 cmînălţime. Aerul comprimat este insuflat în partea de jos a coloanei în tubul intern, producând unflux de recirculare a suspensiei din coloană. Partea de sus a reactorului este pentru a prevenirevărsarea suspensiei.

Figura 2. Bioreactor cu curent ascendent de aer folosit pentru biolixiviere

Biolixivierea prin percolare în condiţii aerobe

Solul excavat se depune sub formă de grămadă pe o geomembrană. Zona de tratare conţineun sistem de colectare şi un sistem de post-tratare fizică sau chimică a lixiviatelor înainte deprocesul de reciclare, o unitate de aerare (extracţie sau insuflare de aer) pentru a optimizatransferul de oxigen şi o instalaţie de precipitare a metalelor şi metaloizilor extrase

Grămada de sol va avea o înălţime de câţiva metri în cazul solurilor argiloase, prin caresoluţia percolează mai greu sau de 10-20 m în cazul solurilor permeabile.

Biolixivierea în bioreactor în condiţii anaerobe

Solul contaminat este excavat şi introdus într-un bioreactor etanş sub formă de nămol. Înprealabil, este necesară eliminarea fracţiilor grosiere prin pre-tratare fizico- chimică. Înreactor, se adaugă elemente nutritive şi eventual un agent chelator, cum ar fi EDTA (etilen-diamină-triacetică), şi se agită continuu sau discontinuu. Urmează o separare lichid/solid, fazalichidă fiind supusă tratării metalelor dizolvate.

Biolixivierea prin percolare în condiţii anaerobeSolul excavat se plasează într-un bazin etanş, şi încorporat cu scopul de a menţine

un strat de apă deasupra fazei solide. Nutrienţii sunt injectaţi în stratul de apă pentru apercola prin sol într-o mişcare descendentă (Figura 3).

Figura 3. Biolixivierea prin percolare în condiţii anaerobe

Faza lichidă este recuperată la baza bazinului, tratată pentru a elimina metalele dizolvate, şireutilizată pentru a pregăti soluţia de nutrienţi. Este posibil ca bazinul să fie acoperit pentru areduce oxigenarea stratului de apă, evitând astfel re-precipitarea metalelor în zona superioară astratului de sol.

. CONCLUZII

Analizând principiul biolixivierii anaerobe se concluzionează că prin utilizareamicroorganismelor de tipul Acidithiobacillus decontaminarea se face atât în mod direct, caz încare microorganismele pot oxida direct ionul de sulf din sulfura de metal, cât şi indirect cândoxidarea sulfurilor metalice se face prin intermediul ionilor ferici generaţi pe cale microbiană.

Din analiza comparativă făcută asupra tehnicilor de remediere reiese faptul că

aplicabilitatea în condiţii optime a procedeelor aerobe şi a celor anaerobe are un impactnegativ minor asupra mediului şi randamente de depoluare mari. În aceste condiţii sănătateaumană nu este pusă în pericol.

EXEMPLE DE UTILIZARE A MICROORGANISMELOR IN MINERIT

Compania chiliană de stat Codelco, cel mai mare operator de mine de cupru din lume, acreat în colaborare cu societatea japoneză Nippon Metals and Mining firma de biotehnologieBiosigma, care a dezvoltat o tehnologii de minerit cu ajutorul bacteriilor.

Extragerea cuprului este crucială pentru Chile, mult-prețuitul metal reprezentând 70% dintotalul exporturilor naționale, și cu cât se extrage, cu atât se câștigă mai mult – numai că foartemulte mine au sărăcit sau au fost abandonate. Cererea de cupru, în schimb, este în continuăcreștere; cuprul este aproape omniprezent în viața urbană – de la fire electrice sau telefonice șicircuite integrate, la suplimente nutritive și bijuterii. Ca și fierul, cuprul a fost creat în ”forjesolare”, acum multe miliarde de ani, devenind unul dintre materialele care alcătuiesc Pământul.

Vulcanii și alte activități tectonice aduc minereul mai aproape de suprafață, dar oricumextragerea lui implică eforturi serioase. Metodele de minerit convenționale sunt în primul rândpericuloase, foarte mari consumatoare de energie, extrem de costisitoare, și implică pierderimari, plus un nivel ridicat de toxicitate. Spre exemplu, dacă în trecut se mai găseau zăcăminte cuconcentrații de până la 30%, acum multe minereuri conțin doar între 1 și 1,8 procente cupru – iarcea mai mare parte a minereurilor extrase au concentrații sub 1%, fiind de obicei aruncate.

Aici intervin bacteriile. Mai concret, doar două specii: Acidithiobacillus ferrooxidans șiThiobacillus ferrooxidans. Cei doi bacili au capacitatea de a descompune mineralele extrase,îmbunătățind substanțial ratele de recuperare a cuprului și reducând costurile de operare. ”Știmcă metodele de extracție convenționale nu pot fi utilizate la zăcămintele mai sărace, astfel încâtunica modalitate de a obține cupru din ele este să utilizăm noi cunoștințe și posibilități – în cazulnostru biotehnologia”, a declarat directorul executiv al Biosigma, Ricardo Badilla, într-uninterviu acordat BBC.

Prin implicarea celor două specii de bacterii, cuprul este recuperat în proporție de până la90%, comparativ cu maxim 60%, cât se poate obține prin metode clasice. Ambii bacili se găsescîn mod natural în zăcămintele cuprifere, unde și acționează, numai că procesul de separare acuprului, lăsat să decurgă de la sine, durează sute de ani. Ceea ce fac specialiștii Biosigma e să-laccelereze printr-un proces numit biodizolvare.

Minereul este plasat în acid, apoi sunt introduse bacteriile, care transformă soluția prindizolvarea rocii și eliberarea cuprului în formă coloidală – practic lichidă. Suspensia de cuprueste apoi supusă unui proces electrochimic, care redă metalului forma solidă - și la grade depuritate foarte ridicate. Mulți numesc această tehnologie ”mineritul viitorului”, având în vederecă procesul este mult mai ieftin și mai ecologic decât metodele de extracție clasice. În plus,biomineritul poate fi utilizat și la extragerea altor metale în afară de cupru, singura diferență fiindspecia de bacterie implicată în proces.

Aceste bacterii fac oricum parte din habitatul local și sunt non-patogene, adică absolut

inofensive pentru oameni sau alte animale. Tipuri de bacili diferite sunt puse deja la treabăpentru extragerea unui metal prețios (aur) și a unuia periculos (uraniu) în țări precum Australia,Brazilia și Africa de Sud. Biomineritul va mai implica ân viitorul apropiat și utilizarea unormicroorganisme care nu participă la procesul de extracție propriu-zis, ci descompun substanțelecorozive poluante rămase în urma biodizolvării.

La Baia Mare se experimentează o tehnologie inedită în minerit,se va folosibacterii pentru extragerea aurului!

“Tehnologia, care poate fi folosită pentru orice metal, este ieftină şi ecologică. Să dăm unexemplu pentru aur: într-o cuvă plină cu minereu conţinând acest metal preţios se toarnă osoluţie cu bacterii care se hrănesc cu aur, acestea «pasc» metalul pentru metabolismul propriu -chiar aşa se spune, «păscut » -, apoi lichidul care conţine bacteriile «hrănite » este trecut în altăcuvă, unde se depune sub formă de structuri formate din microorganisme moarte - pentru că eleau o viaţă foarte scurtă şi un ritm de înmulţire foarte rapid - pline cu aur. Astfel se obţineminereu pur în a doua cuvă, care poate fi turnat în lingouri”, ne-a spus dr. Gheorghe Popescu,profesor la catedra de mineralogie a Facultăţii de Geologie din Bucureşti.

Microorganismele «pasc» metalul

În ţara noastră s-a pus problema folosirii bacteriilor, pentru prima dată, la minele de cupru şi laexploatarea zăcămintelor de fier din Dobrogea, dar aceste proiecte din anii ’80 nu s-aumaterializat.

“Recent, la minele din Baia Mare, acolo unde s-a produs dezastrul în anul 2000, a începutexperimentarea extracţiei urmelor de metal din steril prin intermediul a trei tipuri de bacterii:pentru aur, cupru şi arseniu. Desigur, detaliile tehnologice sunt secrete. Dacă metoda se va arătaeficientă din punct de vedere economic, atunci exploatarea resurselor minerale din ţara noastră arputea cunoaşte o dezvoltare excepţională”, a adăugat profesorul Gheorghe Popescu.

Resturile miniere pe care bacteriile “pasc” aur la Baia Mare, provin din exploatările vechi, deunde s-au scos doar bucăţile vizibile de metal, restul fiind depozitat sub formă de steril. Acest

steril poate fi stors de aurul fin pe care îl conţine prin cianurare - care este o metodă periculoasăpentru mediu - sau prin acest procedeu nou, cu ajutorul bacteriilor.

Microorganisme care ar putea fi trimise pentru biominerit şi pe Marte

Biomineritul, sau biosolubilizarea aurului, a fost pus la punct în anul 2009, de un grup deoameni de ştiinţă din Australia, condus de cercetătorul Frank Reith. Australienii au descoperit cămetabolismul bacteriei Cupriavidus metallidurans poate fi folosit în mineritul aurului. Anultrecut, un lot de microorganisme a fost trimis pe Staţia Orbitală Internaţională pentru a se verificadacă rezistă în condiţii extraatmosferice. “Dacă vom construi, la un moment dat, baze pe Lună şipe Marte, vom putea folosi bacteriile pentru biominerit ”, a declarat pentru BBC cercetătorul dr.Karen Olsson-Francis, de la Universitatea Open din Milton Keynes, Anglia.

Bibliografie:

1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Aluminiu

2.Minea , E., M., Environment - class notes,Univ. Babeş-Bolyai, Cluj-Napoca,2007.

3.Petre, M., Teodorescu A., Environmental biotechnology, Volumul II, Ed. CD Press,Bucharest, 2008

4.Petre, M., Biotechnology for degradation and microbial conversion of plant constituents,Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 2002.

5. Raicu, P., Modern biotechnology, Ed.Tehnică, Bucharest, 1990.

6. Săsărman, E., Jurcoane Şt., Industrial Microbiology , Ed. Mirton Timişoara, 2000.

7. Cociorhan Camelia Simona, 2010, Stadiul actual al cercetărilor asupra tehnologiei de depoluareex-situ a solului contaminat în urma activităŃilor secifice industriei metalurgice - Referat ştiinŃific I,Universitatea Tehnică Cluj-Napoca