Vědecko-výzkumné projekty

Aplikace nových bakteriálních kultur Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans a Sulfobacillus thermosulfidooxidans při získávání kovů z odpadních materiálů

SP2022/82

Projekt navazuje na výzkum SP2021/60 Bioloužení sulfidických rud, kde se hlavní řešitel zabýval optimalizací procesu získávání kovů s využitím acidofilní bakterie Acidithiobacillus ferrooxidans a přídavkem aditiv, jejichž vliv byl sledován. Experimenty byly provedeny u vzorků z lokalit Ústeckého kraje odval štola Lehnschafter, žilovina štola Lehnschafter a odval Mikulov (štola Leopoldina), hlavní metodika byla v případě solid phase XRF a liquid phase AAS. Bylo prokázáno, že proces byl účinný a v navazujícím projektu by byly aplikovány nové bakteriální kultury Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans a termofilní mikroorganismy Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Tyto typy bakteriálních kultury nebylo možné zaslat z České sbírky mikroorganismů, ani jiných vědeckých pracovišť v České republice, a proto byly objednány z německého institutu DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH. Jejich dovoz na naši univerzitu je očekáván v příštím roce. Mikroorganismy ještě nebyly na Hornicko-geologické fakultě aplikovány ve výzkumu. Projekt by se zabýval jejich správnou kultivací s využitím autoklávu UltraClave IV (Milestone) a následně jejich adaptací na již získané vzorky, před následným bioloužením. Další testované vzorky by byly z oblasti Rožná a Staré Ransko, které mi byly vzhledem ke covidové situaci dopraveny až na začátku prosince tohoto roku. Vzorky byly poskytnuty společností Diamo s. p. Dále bych chtěla v navazujícím projektu zprostředkovat převoz vzorků ze zahraničí (Srbsko, Serbia Zijin Copper DOO) a následně podle analýz vhodně aplikovat určité typy bakterií na vzorky z České republiky, anebo ze zahraničí. Cílem by měla být komplexní studie, kde bude porovnán vliv nových bakteriálních kultur (mezofilních a termofilních bakterií) a také směsných bakteriálních kultur. Zároveň bude sledována účinnost některých aditiv, což bych ale specifikovala až během výzkumu. Veškerá experimentální činnost včetně analýz by byla provedena v laboratořích Hornicko-geologické fakulty, včetně laboratoří v budově Centra pokročilých inovačních technologií. Výzkum souvisí s tématem disertační práce hlavního řešitele projektu. Postup řešení: 1. etapa (leden–březen): Příprava vzorků – dojednání a přeprava nových vzorků ze Srbska (oblast Bor, chalkopyrit), úprava stávajícího vzorku z oblasti Rožná (mechanická aktivace, získání reprezentativního vzorku), analýza XRD (rentgenové práškové difrakce) u všech nových vzorků 2. etapa (únor-duben): Příprava kultivačních médií (9K, sirné médium) a jejich sterilizace v autoklávu UltraClave IV (Milestone), kultivace nových acidobazických mezofilních a termofilních mikroorganismů (Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans a Sulfobacillus thermosulfidooxidans), postupná adaptace mikroorganismů na určité typy vzorků (arzenopyrit) 3. etapa (duben–červen): Provedení laboratorních experimentů bioloužení pro jednotlivé mikroorganismy nebo směsné bakteriální kultury, popř. přidání aditiv, odběry vzorků (solid a liquid phase) 4. etapa (květen–červenec): Analýzy vzorků kapalné fáze AAS (atomová absorpční spektrometrie), ICP-AES (indukčně vázané plazma-atomová emisní spektrometrie) a pevné fáze XRF (rentgenová fluorescence), SEM (skenovací elektronový mikroskop), získání dat, jejich vyhodnocení a zpracování (výpočet procentuálního vyloužení kovů do roztoku) 5. etapa (duben–listopad): Publikační činnost 6. etapa (prosinec): Zhodnocení projektu a vypracování závěrečné zprávy Proces využití mikroorganismů v procesu loužení je aktuálním tématem, což vyplývá z mnoha zahraničních publikací. V případě využití nových bakteriálních kultur, výzkumu optimalizace procesu a přidání aditiv se jedná o rozsáhlé téma, z něhož přikládám část rešerše článků, které se daným tématem zabývají. Rešerše: V práci Zhang Y. a kol. [1] byl sledován vliv aditiva (AgNO3) na loužení arsenopyritu pomocí bakterie Acidithiobacillus ferrooxidans. V dřívějších studiích bylo prokázáno, že byla zlepšena kinetika rozpouštění a zkrátila se doba biovyluhování při využití některých kovových iontů jako katalyzátorů (Bi, Co) [2, 3]. Bylo zjištěno, že Ag+ zvyšuje vyluhování minerálů arsenu jako je realgar nebo orpiment. Katalytický účinek Ag+ je připisován jeho autokatalytické roli a vlivu na tvorbu autokatalyckého povrchu. [4] V práci Zhang [1] a kol. bylo prokázáno, že na povrchu arsenopyritu se od počátečního stádia biovyluhování (<36 h) vytváří kompaktní pasivační film (zmiňovaný autokatalytický povrch), kdy tento povrch by mohl výrazně bránit následnému procesu loužení. Tvorba tohoto pasivačního filmu, u kterého bylo ukázáno, že sestává převážně z As2S2, As2S3 a S, byla považována za hlavní důvod pomalé kinetiky loužení a dlouhých period vyluhování [5, 6]. V práci Zhang.a kol. [1] byly sledovány různé koncentrace Ag+ v roztoku při loužení odpadního materiálu z těžby. Bylo zjištěno, že přidání aditiva podstatně zvýšilo účinnost a kinetiku biovyluhování s optimální koncentrací Ag+ 5 mg/l, kdy bylo získáno 47,8 % arsenu. Celkové loužení bylo navíc zkráceno z 19 dní na 15 dní. Z výsledků je také patrné, že již na počátku loužení s přidanými 5 mg stříbra došlo ke značnému narušení, či k úplné pasivaci povrchu arsenopyritu, jelikož po 1 dni loužení se účinnost zvýšila na 12,3 %. Účinnost loužení bez přidaného stříbra činila po 1 dni pouze 2,4 %. V navazující práci Zhang Y. a kol. [7] byl sledován vliv Cu na procentuálním vyloužení kovů pomocí bakterie Acidithiobacillus ferrooxidans. V práci Xue a kol. [8] byl zkoumán vliv bakterie Sulfobacillus thermosulfidooxidans na loužení As a je také sledována tvorba biofilmů během procesu loužení. Studie Zhang H. a kol. [9] se zabývá loužením arzenopyritu bakterií Sulfobacillus thermosulfidooxidans a inhibičními účinky arzenu (snížení jeho vyluhování). V práci Arshadi a kol. [10] byla sledována účinnost bioloužení bakterií Acidithiobacillus ferrooxidans pro maximalizaci výtěžnosti Cu, Ni a Fe. Testy byly provedeny za podmínek 10 % (w/w), 30°C a 130 ot./min. Optimalizace složení elektronického odpadu vedla ke 100% extrakci Cu a Fe a 54 % regeneraci Ni. Použitá literatura: [1] ZHANG, Yan, Qian LI a Xiaoliang LIU. Role of Ag+ in the Bioleaching of Arsenopyrite by Acidithiobacillus ferrooxidans. Metals [online]. 2020, 10(3), 403-403 [cit. 2021-12-17]. ISSN 20754701. Dostupné z: doi:10.3390/met10030403 [2] PATHAK, Ashish, Liam MORRISON a Mark Gerard HEALY. Catalytic potential of selected metal ions for bioleaching, and potential techno-economic and attachment al issues: A critical review. Bioresource Technology [online]. 2017, 229, 211-221 [cit. 2021-10-14]. ISSN 09608524. Dostupné z: doi:10.1016/j.biortech.2017.01.001 [3] ZHANG, Yan, Qian LI, Xiaoliang LIU, Huaqun YIN, Yongbin YANG, Bin XU, Tao JIANG a Yinghe HE. The catalytic effect of copper ion in the bioleaching of arsenopyrite by Acidithiobacillus ferrooxidans in 9K culture medium. Journal of Cleaner Production [online]. 2020, 256 [cit. 2021-10-14]. ISSN 09596526. Dostupné z: doi:10.1016/j.jclepro.2020.120391 [4] ZHANG, Guangji, Xingwu CHAO, Pei GUO, Junya CAO a Chao YANG. Catalytic effect of Ag+ on arsenic bioleaching from orpiment (As2S3) in batch tests with Acidithiobacillus ferrooxidans and Sulfobacillus sibiricus. Journal of Hazardous Materials [online]. 2015, 283, 117-122 [cit. 2021-10-14]. ISSN 03043894. Dostupné z: doi:10.1016/j.jhazmat.2014.09.022 [5] LIU, Xiaoliang, Qian LI, Yan ZHANG, Yongbin YANG, Bin XU a Tao JIANG. Formation Process of the Passivating Products from Arsenopyrite Bioleaching by Acidithiobacillus ferrooxidans in 9K Culture Medium. Metals [online]. 2019, 9(12) [cit. 2021-10-14]. ISSN 2075-4701. Dostupné z: doi:10.3390/met9121320 [6] LIU, Xiaoliang, Qian LI, Yan ZHANG, Tao JIANG, Yongbin YANG, Bin XU a Yinghe HE. Electrochemical behaviour of the dissolution and passivation of arsenopyrite in 9K culture medium. Applied Surface Science [online]. 2020, 508 [cit. 2021-10-14]. ISSN 01694332. Dostupné z: doi:10.1016/j.apsusc.2020.145269 [7] ZHANG, Yan, Qian LI, Xiaoliang LIU, Huaqun YIN, Yongbin YANG, Bin XU, Tao JIANG a Yinghe HE. The catalytic effect of copper ion in the bioleaching of arsenopyrite by Acidithiobacillus ferrooxidans in 9K culture medium. Journal of Cleaner Production [online]. 2020, 256 [cit. 2021-12-17]. ISSN 09596526. Dostupné z: doi:10.1016/j.jclepro.2020.120391 [8] XUE, Zhen, Zhen-yuan NIE, Hong-chang LIU, et al. Effect of the surface microstructure of arsenopyrite on the attachment of Sulfobacillus thermosulfidooxidans in the presence of dissolved As(III). International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials [online]. 2021, 28(7), 1135-1144 [cit. 2021-12-17]. ISSN 16744799. Dostupné z: doi:10.1007/s12613-020-2231-9 [9] ZHANG, Huai-dan, Ya-long MA, Yu-hang ZHOU, Hong-chang LIU, Zhen-yuan NIE, Xuan PAN, Xiao-lu FAN a Jin-lan XIA. The differential inhibitive effects and fates of As(III) and As(V) mediated by Sulfobacillus thermosulfidooxidans grown on S0, Fe2+ and FeS2. Ecotoxicology and Environmental Safety [online]. 2021, 222 [cit. 2021-12-17]. ISSN 01476513. Dostupné z: doi:10.1016/j.ecoenv.2021.112502 [10] ARSHADI, M., S. YAGHMAEI a S.M. MOUSAVI. Optimal electronic waste combination for maximal recovery of Cu-Ni-Fe by Acidithiobacillus ferrooxidans. Journal of Cleaner Production [online]. 2019, 240 [cit. 2021-12-17]. ISSN 09596526. Dostupné z: doi:10.1016/j.jclepro.2019.118077

2022

2022

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Rouchalová Dana Ing.