Vědecko-výzkumné projekty

Štúdium kinetiky biooxidácie vybraných sulfidov a ich dopad na vznik AMD

SP2014/173

Projekt je zameraný na posúdenie rizika biochemickej oxidácie sulfidov na opustených ložiskách na vznik AMD a ich porovnanie s kinetikou chemickém oxidácie Banská aktivita spôsobila zmeny v reliéfe krajiny, viedla k otvoreniu lomov, početných štôlní, vytvoreniu háld a odkalísk so značným obsahom rudných (hlavne sulfidických) minerálov. Substrát banských háld bol náhle premiestnený z prostredia, v ktorom bol v rovnovážnom stave, do prostredia, kde je priamo vystavený pôsobeniu atmosféry a vody nasýtenej atmosferickými plynmi a iným vplyvom vrátane biologických. Navyše, dramatické zväčšenie reakčného povrchu, spôsobené jemným mletím rúd a použitie chemických činidiel v technologickom procese výroby sulfidických koncentrátov vyvolalo zvýšenie reaktivity reliktných sírnikov obsiahnutých v deponovanom odpade. Postupne sa vytvárali podmienky pre kolonizáciu deponovaného odpadu mikroorganizmami. Banské diela otvorili celé pohoria, zmenili cirkuláciu vôd a to vyvolalo intenzívnu oxidáciu horninového prostredia. Vysoké zvyškové koncentrácie kovov v deponovaných tuhých odpadoch a kontaminovaných zeminách sú trvalým zdrojom znečistenia in situ. Povrchové a podzemné vody sú znečisťované aj prvkami obsiahnutými v použitých flotačných činidlách. Uvoľnené kovy a iné chemické látky môžu potom vstupovať do potravinového reťazca živočíchov i človeka prostredníctvom rastlín a vody. Princíp biochemickej oxidácie sulfidov Podstata biogénnej katalýzy oxidácie sulfidov spočíva v aktívnej činnosti acidofilných, thiónových, síru a železo oxidujúcich baktérií, ktoré plnia v oxidačnom procese transportnú funkciu v prenose uvoľnených elektrónov od donora, ktorým je sulfid, k akceptoru, ktorým je kyslík. Výsledkom takejto aktívnej činnosti špecifických druhov acidofilných baktérií je až 200 000 násobné zvýšenie rýchlosti oxidácie Fe2+ dokonca uvádza na základe teoretických prepočtov predpoklad až mnohotisícnásobného zvýšenia rýchlosti oxidácie Fe2+ . V prípade sulfidických minerálov sú jedným zo základných prvkov biogénnej katalýzy autochtónne, acidofilné, chemolitotrofné baktérie z radu Pseudomonales, rodu Thiobacillus. Baktérie oxidujúce síru ako prvý izoloval Beijerinch v roku 1904. Odvtedy bol objavený veľký počet druhov týchto baktérií, pričom prinajmenšom 14 druhov spomedzi nich patrí do rodu Acidithiobacillus. Najväčší (aj priemyselný) význam majú mezofilné druhy ATF, zriedkavejšie aj Acidithiobacillus thiooxidans (ATT), ale aj baktérie z čeľade Spirillaceae: Leptospirillum ferrooxidans, oxidujúce tiež Fe2+ v extrémne kyslom prostredí. Morfologicky sú to tyčinky o priemere 0,5 – 0,8 µm, dĺžke 0,9 – 1,5 µm opatrené jediným špirálovitým bičíkom v nich opísali aj fimbrie. Baktérie získavajú energiu oxidáciou Fe2+ sulfidov. Experimentálne sa podarilo doložiť aj oxidáciu Cu+, Sn2+ a iných prvkov. Niektoré kmene ATF dokážu fixovať aj atmosferický dusík. ATF sú aktívne v rozmedzí teplôt 2 – 40°C, s optimom pri 28 - 38°C a výrazným poklesom aktivity pri teplotách pod 15°C. Všetky baktérie rodu Acidithiobacillus oxidujú aj elementárnu síru, ktorá vzniká rozkladom sulfidov. Energiu získavajú oxidáciou Fe2+ a S0 . Sulfidické minerály môžu byť oxidované aj nepriamym biologicko-chemickým dejom - metabolickou katalýzou, t.j. produktami metabolizmu baktérií ATF vznikajúcich v prítomnosti sulfidov a to H2SO4 a Fe2(SO4)3. Najčastejšie dochádza k uplatneniu oboch dejov súbežne. Aktívna činnosť ATF je obyčajne spätá s aeróbnym prostredím. V anaeróbných podmienkach ATF oxiduje síru nepriamo biologicko-chemicky zooxidovanými katiómi Fe3+. Kinetika oxidačných procesov je okrem biologických faktorov ovplyvňovaná aj energiou mriežky oxidovaných sulfidov. Selekciu procesov oxidácie významne ovplyvňujú aj eletrochemické vlastnosti jednotlivých minerálov, pretože sulfidickú rudu je možné v podstate považovať za zložitú polyminerálnu elektródu, v ktorej sú jednotlivé sulfidické minerály vo vzájomnej chemickej závislosti. Priamym dôsledkom biologicko-chemických oxidačných procesov je výrazna zmena morfológie povrchu a následne aj štruktúry oxidovaných sulfidov. Zmeny majú idividuálny charakter a súvisia s energetickým stavom jednotlivých častí a celku kryštalickej štruktúry atakovaného sulfidného minerálu. Metodika práce Biogénna katalýza oxidácie vybraných sulfidov bude experimentálne študovaná v prostredí lúhovacieho činidla, ktoré pozostáva zo živného média 9K podľa Silvermana a Lundgerna, ktoré obsahuje nutričné látky pre rast buniek Acidithiobacillus ferrooxidans (ďalej ATF). Pre štúdium biogénnej katalýzy sulfidov sa dajú zhotoviť nábrusy vybraných rudných minerálov (pyrotín, pyrit) a bakteriálne kultúry ATF vyizolované z AMD banských háld zo študovaných lokalít. Následne sa nábrusy budú študovať elektrónovým mikroanalyzátorom za účelom prošného mapovania distribúcie hlavných a izomorfných prvkov, aby bolo možné porovnať kinetiku lúhovania s chemickým zložením jednotlivých sulfidov. Experimenty biologicko-chemickej oxidácie skúmaných minerálov sa budú realizovať v dvoch paralelných experimentoch: - za prítomnosti baktérií ATF, vyizolovaných z banských vôd a technogénnych sedimentov zo študovaných lokalít ložiska (biologicko-chemický proces) - abiotickej kontroly, uskutočnenej chemicky identickým lúhovacím médiom, ktoré neobsahovalo baktérie ATF (chemický proces). V obidvoch prípadoch budú nábrusy s obsahom skúmaných sulfidov lúhované pri rôznych teplotách v Petriho miskách. Zmeny morfológie povrchu skúmaných sulfidov boli opticky hodnotené v stanovených časových intervaloch elektrónovým mikroanalyzátorom.

2014

2014

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Remešicová Erika Ing., Ph.D.