لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
فرمت فایل word و قابل ویرایش و پرینت
تعداد صفحات: 11
مجله محیط شناسی، شماره37، بهار 1384، صفحه 34-27
فعالیت باکتری های گوگردی در
خاک معدن مس سرچشمه
((
چکیده
به منظور بررسی پتانسیل باکتری های کمولیتوتروف در استخراج مس از خاک معدن مس سرچشمه و نیز جداسازی گوگرد آن (در حال حاضر به صورت آلاینده دی اکسید گوگرد به محیط رها می شود) فعالیت دو باکتری گوگردی بر روی خاک های این معدن در کشت خالص هر یک از باکتری ها و کشت های مخلوط دو باکتری مقایسه گردید. محلول محتوی دو باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدانس(1) (TF) و تیوباسیلوس تیواکسیدانس(2) (TT ) که هر کدام بتنهایی و نیز با هم به ترتیب در محیط کشت 9K و ایمایی(3) کشت شدند، به خاک معدن مس سرچشمه با سه عیار 2/0، 3/0 و 4/0 درصد مس اضافه شدند. نتایج حاصل از اندازه گیری مقدار مس آزاد شده در محلول ها با استفاده از اسپکتروفتومتر جذب اتمی نشان داد که در مدت 60 روز باکتری TF مقدار بیشتری مس را نسبت به باکتری TT آزاد کرده و مقدار مس آزاد شده در محیط کشت مخلوط دو باکتری، کمی کمتر از مقدار آن در محیط کشت های حاوی باکتری TF وبه طور معنی داری بیشتر از باکتری TT بود. گوگرد آزاد شده حاصل از فعالیت باکتری ها که به صورت گوگرد عنصری در رسوب آزاد می شود، توسط حلال آلی کربن دی سولفید جداسازی شد. مقدار گوگرد آزاد شده در محلول محتوی هر یک از باکتری ها و محلول محتوی مخلوط دو باکتری نیز تفاوت معنی دار نشان داد. میزان اسید سولفوریک تولید شده در اثر فعالیت باکتری ها که به وسیله تغییراتpH محلول ها در آغاز و انتهای هر آزمایش اندازه گیری شد، نشان داد که مقدار این اسید نیز همزمان با تغییر عیار سنگ معدن و محیط کشت باکتری تغییر کرد. شمارش تعداد باکتری ها در محیط های کشت نشان داد که افزایش میزان آزاد شدن مس با افزایش تعداد هر دو گونه باکتری همبستگی مثبت دارد، با این حال تعداد باکتری TF در کشت های خالص بیشتر از TT و بیشتر از مجموع دو باکتری در کشت مخلوط بود.
کلیدواژه:
باکتری های گوگردی، آلاینده های محیطی، گوگرد عنصری، مس سرچشمه، اسپکتروفتومتر.
تاریخ دریافت: 24/10/1382 تاریخ پذیرش: 30/6/1383
* مربی پژوهشی مرکز بین المللی علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی.
** استادیار بخش زیست شناسی دانشگاه شهید باهنر کرمان.سرآغاز
استخراج مس در معادن مس از جمله معدن سرچشمه به روش گداخت(4) صورت می گیرد که منجر به آزاد شدن مقدار زیادی گاز دی اکسید گوگرد می شود. این گاز تأثیر سوئی بر پوشش گیاهی منطقه و همچنین بر pH خاک دارد و منجر به حلال بودن کاتیون های بازی در خاک می گردد. وجود این گاز در هوا نیز از طریق تولید باران های اسیدی خسارت جبران ناپذیری بر منطقه وارد می کند (احمدی مقدم، 1366؛ کوچکی و حسینی، 1380). امروزه استفاده از میکروارگانیزم های گوگردی کمولیتوتروف(5) و مزوفیل در استخراج فلزاتی چون مس، آهن، اورانیوم و نیکل معروف به پدیده استخراج میکربی(6) در کشورهایی مانند استرالیا،کانادا، شیلی، چین، پرو و ایالات متحده امریکا، بویژه در سنگ هاییکه دارای عیار کم هستند تا حد زیادی جانشین روش های گداخت استخراج فلزات شده است. به طوری که مس در مجموع در این کشورها به میزان 1/12288 هزار تن در سال 1998، 12712 هزار تن در سال 1999 و 7/13243 هزارتن در سال 2000 با این روش استخراج شده است (Fernando, 2002 و Smith, 1996). در روش استخراج میکربی از باکتری های کمولیتوتروف مزوفیل، برای مثال تیوباسیلوس ها استفاده می شود. با توجه به وفور معادن کم عیار مس در ایران و به صرفه نبودن استخراج آنها با روش های گداخت و همچنین عدم تولید آلاینده های هوا در استخراج میکربی نیاز به کارگیری این روش احساس می شود. استفاده از این روش می تواند منشا فعالیت های جدید اقتصادی و سالم زیست محیطی برای استخراج فلزات از جمله مس باشد. مزیت این روش علاوه بر اهمیت اقتصادی آن در بازیافت فلزات از سنگ های کم عیار، جلوگیری از تبدیل ترکیبات گوگردی موجود در خاک معدن به دی اکسید گوگرد و هیدروژن سولفوره است که هر دو از آلاینده های محیطی هستند(Schippers et al.,1999). برای توسعه صنعت استخراج میکربی فلزات، علاوه بر نیاز به ساخت دستگاه ها، توجه به فعالیت های میکربی مربوط، بویژه با استفاده از منابع طبیعی موجود لازم است. تاکنون تیوباسیلوس های متفاوتی از خاک های معدنی جداسازی شده که در برخی موارد اثر این باکتری ها بر روی پاره ای از کانی های مس یا آهن مطالعه شده است. همان طوری که اثر مخلوط دو یا چند باکتری از جنس های متفاوت براستخراج آهن از پیریت موجود در معادن آهن انجام شده است (Batagelia et al., 1998)، با این حال بیشتر کارهای انجام شده با این روش بر روی سنگ های معدن مس در حالی صورت گرفته که فقط نقش یک باکتری بررسی شده است (امینی، 1381، سعید و معطری، 1381؛ Suzuki, 2001) و نقش و تأثیر متقابل باکتری ها که عموماً در محیط های طبیعی ممکن است به صورت مخلوط وجود داشته باشند کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
باکتری های کمولیتوتروف گوگردی TTو TFهوازی اجباری، میله ای شکل، گرم منفی و دارای فلاژله قطبی اند و تشکیل اسپور نمی دهند. در محدودة pH 5/1 تا 5/4 بهترین رشد را دارند. دامنة دمایی آنها 10- 35 درجة سانتیگراد و بهینة فعالیت آنها در دمای 25-30 درجة سانتیگراد است. انرژی خود را از اکسیداسیون مواد معدنی به دست می آورند(Johnson, 1998). منبع ازت مورد نیاز آنها نمک های آمونیوم و نیترات است. این باکتری ها انرژی مورد نیاز خود را از اکسیداسیون سنگ معدن کوولیت (CuS) و تبدیل آن به مس محلول و گوگرد عنصری طبق معادلة زیر به دست می آورند(Umrania, 2002).
معادلة (1):
در صورتی که باکتری توانایی انجام معادله 1 را نداشته باشد می تواند گوگرد موجود در محیط را طبق معادله2 به سولفات تبدیل کرده و از انرژی حاصل استفاده کند .
معادله (2):
وجود سنگ معدن مس به صورت کالکوسیت (Cu2S) نیز در محیط کشت باکتری این امکان را به باکتری گوگردی می دهد که این ماده را ابتدا به کوولیت تبدیل کند و سپس طبق واکنش 1 فرایند را ادامه دهد .
معادله (3):
این پدیده به طور طبیعی گاهی در معادن آهن و مس اتفاق می افتد که منجر به آزاد شدن یونهای سنگین Fe++ و Cu++ و نیز اسیدی شدن زه آبهای این معادن می شود (Suzuki, 2001).
در این مطالعه میزان فعالیت دو باکتری TTو TF که توسط مرکز تحقیقات و مطالعات سرچشمه از خاک این معدن جداسازی شده بودند به صورت مخلوط و همچنین جداگانه بر روی سه نوع خاک کم عیار معدن مس سرچشمه (2/0، 3/0و 4/0) بررسی شد. به منظور بررسی کمی فعالیت باکتری ها در جداسازی کاتیون مس از گوگرد عنصری، مقدار مس آزاد شده در محیط های مختلف کشت اندازه گیری و مقدار گوگرد آزاد شده نیز با روش شیمیایی جداسازی و اندازه گیری شد. بعلاوه، همزمان با فعالیت باکتریها رشد باکتریها نیز از طریق شمارش آنها کنترل گردید.
مواد و روش ها
ابتدا باکتریTFدر محیط کشت اختصاصی 9K ((Silverman & Lundgren,1959
[KCl 0.1 g/l, MgSO4 .7 H2O 0.5g/l, KH2PO4 0.5 g/l, Ca(NO3)2 .4H2O 0.01g/l, (NH4)2SO4 .7 H2O 0.5 g/l, FeSO4 . 7H2O 44g/l ]
و باکتری TT در محیط کشت اختصاصی ایمایی(Imai, 1978)
]NH4Cl 0.1 g/l, KH2PO4 0.3 g/l, MgCl2 . 6H2O 0.1g/l, CaCl2. 2H2O 0.14 g/l, FeSO4. 7H2O 0.01 g/l, S 10 g/l [
کشت شدند. برای تهیة کشت مخلوط دو باکتری نیز حجم های مساوی از باکتری ها بر روی محیط کشت ایمایی کشت شدند. در سری های 5 تایی از ارلن مایر250 سی سی، از ظروف لرزان آزمایشگاهی در هر ظرف هر کدام 5 گرم خاک معدن و 30 سانتیمتـر مکعب از محلــول کشت پایــه
[(NH4)2SO4 3.7g/l, H3PO4 0.8 g/l, KOH 0.48 g/l, MgSO4 .7 H2O 0.52 g/l] ریخته شد. اسیدیته محیط کشت با اضافه کردن قطراتی از سولفوریک اسید به 2 رسانده شد؛ این اسیدیته منطبق با دامنة pH مورد نظر باکتری هاست. همچنین محیط کشت پایه فاقد هر نوع کاتیون فلزی است که امکان رقابت را با مس در واکنش های اکسیداسیون و احیا از بین می برد. با استفاده از سرنگ استریل یک سانتیمتر مکعب از محیط کشت های حاوی باکتری ها (ایمایی ، 9K) به ارلن مایرها اضافه شد به طوری که برای هر تیمار باکتری 5 تکرار در نظر گرفته شد. مجموعه ای 5 تایی نیز بدون اضافه کردن باکتری ها تهیه و به عنوان شاهد در نظر گرفته شد . ظروف آزمایشگاهی در دمای 30 (Konishi et al., 2001) درجه سانتیگراد به مدت 60 روز در انکوباتور قرار داده شدند. هر 10 روز یک بار یک نمونه 10 سانتیمتر مکعبی از هر ظرف برداشت و سانتریفوژ و غلظت مس در محلول رویی آن با استفاده از اسپکتروفتومتر جذب اتمی اندازه گیری شد و سپس محلول و رسوب حاصل به ظرف اولیه برگردانده شدند. بعد از 60 روز مقدار کل هر محلول سانتریفوژ و پس از اندازه گیری مقدار مس در محلول بالایی pH آن اندازه گیری و بر اساس تغییرات pH مقدار سولفوریک اسید تولید شده در اثر فعالیت باکتری ها محاسبه گردید. به رسوب زیرین مقدار 10 سانتیمترمکعب از ماده آلی کربن دی سولفید اضافه و پس از مخلوط کردن آن و حل شدن گوگرد در حلال مزبور، محلول با استفاده از کاغذ صافی صاف شد. پس از اینکه حلال فرار کربن دی سولفید از محلول صاف شده تبخیر شد وزن گوگرد باقیمانده اندازه گیری گردید. در عین حال، در فاصله های 10 روز، همزمان با اندازه گیری جذب اتمی مس 1سی سی از محلول بالایی، ابتدا 6-10 بار رقیق و سپس با استفاده از اسپریدر(7) 1/0 میلی لیتر از محلول رقیق شده روی محیط کشت جامد 9K و ایمایی که به آنها آگار اضافه شده بود، کشت شدند و سپس در انکوباتور در دمای 30 درجه سانتیگراد قرار داده شدند. پس از رشد باکتری ها تعداد کلونی ها شمارش و در معکوس درجه رقت ضرب و بر اساس آن تعداد باکتری ها در 100میلی لیتر از محلول اولیه بر حسب MPN(8) محاسبه گردید(Oblinger et al., 1975). حدود اطمینان 95% برای داده های حاصل از آزمایشات محاسبه و همراه با میانگین داده های مربوط با استفاده از نرم افزار آماری Excel به صورت نمودار رسم شد.
یافته ها
نتایج حاصل از اندازه گیری مقدار کاتیون مس در محلول های محتوی سه تیمار باکتریایی در هر سه نوع خاک نشان می دهد که فعالیت باکتری TF به طور معنی داری بیشتر از TT است و در مخلوط دو باکتری نیز مقدار کمتری مس نسبت به باکتری TFدر حالت تنها آزاد شده است. منحنی های مربوط به آزاد سازی مس در هر سه خاک و با تیمارهای TF و مخلوط دو باکتری، شکل مشابهی دارند. به طوری که تا روز سی ام این میزان روند صعودی دارد و پس از آن ثابت می ماند.
نتایج حاصل از اندازه گیری میزان گوگرد تخلیص شده، تفاوت آشکاری را بین مقدار گوگرد آزاد شده در تیمار باکتری TF با دو تیمار دیگر نشان می دهند.
همچنین مقدار سولفوریک اسید تولید شده در پایان آزمایش در محیط کشت مخلوط دو باکتری بیش از دو تیمار دیگر است (نمودار های 1 تا 4).
نمودار شماره (1): میزان مس آزاد شده توسط تیمارهای مختلف باکتریایی در خاک مس با عیارهای 2/0 درصد.خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (2): میزان مس آزاد شده توسط تیمارهای مختلف باکتریایی در خاک معدن مس با عیار 3/0 درصد
خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
شمارش تعداد باکتری ها نیز در تیمارهای مختلف افزایش تعداد این میکروارگانیسم ها را همزمان با فعالیت آنها نشان می دهد.
نمودار شماره (3) : میزان مس آزاد شده توسط تیمارهای مختلف باکتریایی در خاک معدن مس با عیار 4/0 درصد.خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (4): میزان گوگرد تخلیص شده، حاصل از فعالیت باکتری های مختلف در خاک مس با عیارهای2/0 ،3/0 و 4/0 درصد پس از 60 روز تماس باکتری با خاک. خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (5): میزان اسیدسولفوریک تولید شده توسط تیمارهای مختلف باکتریایی در خاک مس با عیارهای2/0 ،3/0 و 4/0 درصد پس از 60 روز تماس باکتری با خاک. خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (6): تعداد باکتری ها در محیط کشت سه تیمار باکتریایی که بر روی خاک معدن مس با عیار 2/0درصد رشد کرده اند. خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (7): تعداد باکتری ها در محیط کشت سه تیمار باکتریایی که بر روی خاک معدن مس با عیار3/0 درصد رشد کرده اند. خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
نمودار شماره (8): تعداد باکتری ها در محیط کشت سه تیمار باکتریایی که بر روی خاک معدن مس با عیار4/0 درصد رشد کرده اند. خطوط عمودی حدود اطمینان(CI) 95% را برای هر میانگین نشان می دهند.
بحث و نتیجه گیری
احداث کارخانه های استخراج فلز با استفاده از باکتری های شیمیوسنتز کننده روز به روز در دنیا، بویژه در کشورهای در حال توسعه که بیشترین معادن فلزی را هم دارند در حال انجام و گسترش است. این مسئله علاوه بر اینکه موجب رونق اقتصادی در این کشورها می شود، به عنوان یک صنعت سالم محیط زیستی، ضمن جلوگیری از آلودگی ها از هدر رفتن مقادیر زیاد گوگرد به صورت SO2 و فلزات کمیاب نیز ممانعت می کند. در این صنعت تنها با وجود باکتری، آب، هـوا و مقــدار کمــی محیط کشت می توان عناصر موجود در سنگ معدن فلزی از جمله مس را استخراج کرد. با این حال علی رغم وجود تعداد بی شماری از معادن کوچک و بزرگ مس در ایران تا کنون به منظور راه اندازی این صنعت در کشور گام مـﺅثری برداشته نشده است. البته در این راه لازم است تا ضمن به کارگیری مهارت های فن آوری شده در ساخت ابزار مربوط، میزان و چگونگی فعالیت باکتری های مربوط نیز مورد بررسی قرار گیرد. از آنجا که باکتری های شیمیوسنتز کننده، جنس ها و گونه های متفاوتی دارند، شناسایی میزان فعالیت هر کدام از این تاکسون ها می تواند راه گشای فعالیت های صنعتی در این زمینه باشد. نتایج حاصل از تحقیق حاضر جنبه هایی از فعالیت دو باکتری را روشن ساخته است. برای مثال بر اساس نتایج به دست آمده از فعالیت دو باکتریTF و TT در این تحقیق ضمن اینکه توانایی TF در آزاد سازی مس مشخص می شود، نتایج نشان می دهد که باکتری TT این توانایی را ندارد. اما زیاد شدن میزان اسید سولفوریک در محیط کشت محتوی باکتری TT نشان می دهد که این باکتری توانایی تولید اسید را از طریق اکسیداسیون گوگرد عنصری داراست و از این رو می توان پیش بینی کرد که در کشت مخلوط دو باکتری، گوگرد حاصل ازفعالیت باکتری TF را نیز تبدیل به اسید کند. فعالیت باکتری TF سبب می شود که ضمن آزاد سازی مس از کوولیت (CuS)، گوگرد موجود نیز به صورت گوگرد عنصری آزاد و روی سطوح ذرات خاک رسوب کند و در این صورت پس از اشغال سطوح خاک به وسیلة گوگرد و نیز باکتری TT در کشت مخلوط، باکتری TF نتواند تماس بیشتری با خاک داشته باشد که این موضوع باعث کاهش فعالیت آزاد سازی مس به ویژه در کشت مخلوط نسبت به کشت خالص TF می شود. به همین دلیل است که در صنایع استخراج میکربی سعی صنعتگران بر این است تا تانک هایی را با حداقل حجم و حداکثر کارایی برای انجام فعالیت میکربی بسازند که محلول موجود در آن دائماً مخلوط شود تا هر چه بیشتر سطح تماس باکتری با ذرات خاک افزایش یابد و در ساخت این تانک ها ضمن اینکه این جنبه مد نظر است مقاومت آن به اسید نیز مورد توجه قرار می گیرد. بر این اساس می توان گفت که در صورت فراهم بودن شرایط ایده آل تماس باکتری TF با ذرات خاک، میزان آزاد سازی مس توسط این باکتری ها در کشت مخلوط نیز کمتر از کشت خالص نخواهد بود.
جنبه ای که از عدم رشد باکتری TT در محیط کشت پایه بدون آهن می توان برداشت کرد این است که باکتری یادشده ضمن اینکه نیاز به آهن دارد شاید بتواند در اکسیداسیون سنگ معدن گوگردی آهن (پیریت) مـﺅثر باشد و آهن را آزاد کند. به هر حال این مسئله نیاز به تحقیق بیشتر دارد. همان طور که ذکر شد باکتری TT در آزاد سازی مس نقش ندارد و فعالیت آن بر روی اکسیداسیون گوگرد حاصل از فعالیت TF است که منجر به تولید اسید می شود. از طرف دیگر باکتری TF ضمن آزادسازی گوگرد و مس می تواند مقداری از گوگرد را به اسید تبدیل کند (نمودار 5). این نتایج پیشنهاد می کند که می توان فقط با وجود باکتری TF مس و گوگرد را به دست آورد؛ همچنین این باکتری محیط اسیدی لازم برای فعالیت خود را فراهم می کند. در صورتی که در صنایع مربوط هدف فقط استخراج مس و گوگرد عنصری باشد، می توان در این مرحله از طریق الکترولیز و استفاده از حلال گوگرد این دو ماده را جدا کرد، اما اگر هدف تبدیل مقدار گوگرد بیشتری به اسید و در نهایت تولید کودهای شیمیایی مربوط باشد، لازم است یا در کشت مخلوط دو باکتری و اسید مورد نظر را در کشت های متوالی که به ترتیب حاوی TF و TT باشند، به دست آورد. البته همان طور که نتایج به دست آمده نشان می دهند مقدار مس آزاد شده توسط فعالیت باکتری ها همیشه با مقدار اسید سولفوریک تولید شده و یا گوگرد استخراج شده همبستگی خطی مثبت نداشته است (نمودار 5). این موضوع را می توان به این واقعیت مربوط دانست که اگر چه خاک های معدنی مورد استفاده از نظر مقدار مس موجود در آنها عیار سنجی و در آزمایش های به کار گرفته می شوند، اما از نظر مقدار گوگرد موجود عیار سنجی نمی شوند و مانند کانی های موجود در خاک های مزبور از انواع مختلفی اند که مقدار گوگرد هر یک از آنها می تواند متفاوت باشد. چنانکه کالکوسیت (Cu2S) و کوولیت (CuS) هر یک می توانند منشا مقدار متفاوتی از اسید تولید شده باشند. همین وضعیت علت تفاوت در میزان گوگرد استخراج شده در محیط کشت باکتری ها را توضیح می دهد. با این حال ممکن است با افزایش عیار خاک، باکتری نوع ماده مصرفی برای تأمین انرژی خود را نیز تغییر دهد. همان طور که می تواند در عیارهای متفاوت از کالکوسیت (Cu2S)، کوولیت (CuS) و یا گوگرد برای تامین انرژی، استفاده کند و واکنش های اکسیداسیون را بسته به تراکم مواد موجود در محیط انجام دهد که این مسئله موجب تفاوت در میزان محصولات تولید شده خواهد شد.
مقادیر مس آزاد شده به وسیلة باکتری ها در کشت های خالص و مخلوط نشان می دهد که این مقدار از خاک های با عیار 2/0 و 3/0 درصد مس به ترتیب افزایش داشته است. اما با خاک با عیار 4/0 درصد مس مقدار آن نسبت به 3/0 درصد ثابت مانده است. این نتایج ضمن اینکه تأییدی بر این است که استخراج میکربی حداقل در شرایط موجود در خاک های کم عیار کارایی دارد، جنبه های دیگری را نیز در این زمینه روشن می کند. همان طور که گفته شد برای افزایش میزان آزاد سازی مس همراه با افزایش عیار سنگ، لازم است امکان تماس باکتری ها با ذرات خاک افزایش یابد که این مسئله نیاز به طراحی های صنعتی در تانک های مربوط دارد؛ از طرف دیگر ایجاد شرایطی که در تانک های مربوط، فعالیت مداوم باکتری ها در کشت های مداوم صورت گیرد و در همان زمان خارج کردن محصولات حاصل یعنی مس، گوگرد و اسید می تواند موجب تداوم انجام واکنشها و تولید بیشتر محصولات همزمان با افزایش عیار خاک گردد. با این حال باید توجه داشت که در مورد چگونگی انجام واکنش های استخراج میکربی دو نظریه وجود دارد. نظریة اول به این مسئله معتقد است که باکتری مستقیماً به خاک معدن حمله می کنــد و با اکسیــده کردن فلــز مربوط الکتــرون موجــود را صرف واکنش های احیایی در غشای خود و در نتیجه تأمین انرژی مورد نیاز خود می کند(استخراج میکربی مستقیم). نظریة دوم بر این اساس مبتنی است که باکتری با اکسیده کردن آهن فرو موجود در محیط کشت پایه و تبدیل آن به آهن فریک و استفاده از الکترون آن خلاء الکترونی ایجاد می کند و در نتیجه مس و یا آهن موجود در سنگ معدن را به طور غیر مستقیم اکسیداسیون القایی و سپس آن را آزاد می کند (استخراج میکروبی غیر مستقیم) (Tributsch, 2001). نتایج حاصل از تحقیق حاضر که افزایش آزاد سازی مس را همراه با افزایش عیار خاک نشان نمی دهد بیشتر نظریه اول را تأیید می کند که در آن سطوح تماس ذرات خاک توسط گوگرد حاصل پوشیده می شوند. این وضعیت می تواند راهگشایی برای استفادة باکتری ها در استخراج فلز از سنگ های معدن با عیار بالا باشد. همان طور که ذکر شد لازم است با حذف دائمی محصولات واکنش ها در کشت های مداوم، امکان تماس باکتری ها با خاک معدن را به طور دائم فراهم کرد. با توجه به موارد پیش گفته می توان پیش بینی کرد که در شرایط غیر صنعتی موجود در این تحقیق، تعداد باکتری های تولید شده در کشتهای با عیار مختلف، متفاوت باشد (نمودارهای 6 الی 8). همان طور که از نمودارها بر می آید در عیار کم سنگ معدن، امکان تماس باکتری ها با سطوح بیشتری از خاک به نسبت مقدار مس موجود میسر بوده است تا خاک های با عیار بالاتر که در نتیجة آن میزان اشغال سطوح خاک در عیارهای بالا تا نسبت کمتر و در نتیجه فعالیت و تعداد باکتری ها به همان نسبت پایین تر آمده است( نمودار 8).
نتایج حاصل از این تحقیق می تواند گامی در راه استخراج میکربی مس به منظور اقتصادی کردن آن و جلوگیری از تولید آلاینده SO2 باشد. به هر حال باید گفت که روش استخراج میکربی فلزات ضمن اینکه می تواند در استخراج فلزات از معادن موجود مورد استفاده قرار گیرد، می تواند به طور وسیعی در بازیافت فلزات کمیاب که عموماً در پسماندهای صنعت ذوب مس یافت می شوند مورد استفاده قرار گیرد.
جداسازی گوگرد با ماده آلی CS2 که در این تحقیق انجام گرفت ضمن اینکه می تواند راهگشایی برای جلوگیری از آلودگی گوگردی و نیز استخراج این ماده شود، موجب خواهد شد پساب حاصل از استخراج میکربی فلزات نیز پس از جداسازی گوگرد به طور جداگانه با باکتری های مربوط تیمار و فلزات کمیاب و ارزشمند آن از این طریق به دست آید. نکته دیگری که ذکر آن لازم به نظر می رسد این است که سنگ معدن مس بجز سنگ های گوگردی معمولاً محتوی مقداری سنگ های اکسیدی مس است که برای استخراج مس از این سنگها لازم است واکنش های مورد نیاز با افزودن مواد شیمیایی دیگر مورد تحقیق قرار گیرد. برای پیشبرد فعالیت در زمینة استخراج میکربی، شناسایی گونه های دیگر باکتریایی مزوفیل و نیز استفاده از باکتری های ترموفیل کمولیتو تروف در کشت های خالص و مخلوط و تأثیر آنها بر سنگ های پر عیار، در شرایطی که حتی الامکان محدودیت تماس باکتری ها با ذرات خاک از بین رفته باشد، ضروری به نظر می رسد. البته برای راه اندازی این صنعت لازم است علاوه بر به دست آوردن نتایج مربوط به جنبه های بیولوژیک از فعالیت های متخصصان صنایع فلزی و زمین شناسان استفاده شود.
تشکر و قدردانی
بدین وسیله از جناب آقای دکترعبدالحمید نمکی شوشتری که در شناسایی باکتری ها راهنمایی و کمک های ارزنده ای کرده اند و نیز از مسئولان محترم مرکز تحقیقات و مطالعات مس سرچشمه که نمونه های باکتری و خاک را در اختیار ما قرار داده اند، تشکر می کنیم .
یادداشت ها
1- Thiobacillus ferrooxidans
2- Thiobacillus thiooxidans
3- Imai
4- Metallurgic
5- Cemolitotroph
6- Bioleaching
7- Spreader
8- Most probable number
فهرست منابع
احمدی مقدم،ع . 1366. بررسی اثرات صنایع مس سرچشمه بر محیط با توجه به پوشش گیاهی منطقه. پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه تهران. 155 ص.
امینی ، م . 1381 . استخراج بیولوژیکی مس به روش ستونی . خلاصه مقالات اولین همایش آشنایی با کاربردهای بیوتکنولوژی در استان کرمان. سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران.
سعید ، م . معطری ، ب. 1381 . بازیابی مس به روش بیولیچینگ از سنگهای سولفوری کم عیار معدن دره زار مجتمع مس سرچشمه. خلاصه مقالات اولین همایش آشنـایی با کاربــردهای بیوتکنولــوژی در استان کرمان. سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران.
کوچکی ، ع . حسینی ، م 1380. بوم شناسی محیط زیست، تألیف بیل فرید من. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد. 256 ص.
Batagelia, F. et al. 1998. The mutual effect of mixed thiobacilli and leptosprilli population on pyrite bioleaching. Mineral Engineering. 11: 195 - 205.
Fernando, A. 2002. Present and future of bioleaching in developing countries. Electronic journal of
biotechnology. 5: 196-199.
Imai, K. 1978. On the mechanism of bacterial leaching, In: Metallurgical Application of Bacterial Leaching and Related Microbiologic Phenomena. Murr, L.E. Torma, A.E. Brierley, J.A (Eds). Academic press, New York. 275 - 282.
Johnson, D. B. 1998. Biodiversity and ecology of acidophilic microorganisms. FEMS Microbiology Ecology. 27: 307- 317.
Konishi, Y. et al. 2001. Copper recovery from chalcopyrite concentrate by acidophilic thermophile Acidianus brierleyi in batch and continuous flow stirred tank reactors. Hydrometallurgy. 59: 271–282.
Oblinger, J. L. et al. 1975. Understanding and teaching the most probable number technique. Journal milk food technol. 38: 540- 545.
Schippers, A. et al. 1999. Intermediary sulphur compounds in pyrite oxidation. Apple, Microbial Biotechnology. 52: 104 – 110.
Silverman, M. P and Lundgren, D. G. 1959. Studies on the chemo-autotrophic iron bacterium ferrobacillus ferrooxidance.In: An improved medium and a harvesting procedure for securing high cell yields. Journal of Bacteriology.77: 642-647.
Smith, j. E. 1996. Biotechnology.Thired Edition. Cambridge University Press. Pp236.
Suzuki, I. 2001. Microbial leaching of metals from sulphid minerals. Biotechnology Advances.19: 119-132.
Tributsch, H. 2001. Direct versus indirect bioleaching. Hydrometallurgy. 59: 177- 185.
Umrania, V. V. 2002. Screening of thermoacidophilic autotrophic bacteria for covellite solubilization. Applied Biochemistry and Biotechnology. 103: 359- 366.
سرآغاز
استخراج مس در معادن مس از جمله معدن سرچشمه به روش گداخت(4) صورت می گیرد که منجر به آزاد شدن مقدار زیادی گاز دی اکسید گوگرد می شود. این گاز تأثیر سوئی بر پوشش گیاهی منطقه و همچنین بر pH خاک دارد و منجر به حلال بودن کاتیون های بازی در خاک می گردد. وجود این گاز در هوا نیز از طریق تولید باران های اسیدی خسارت جبران ناپذیری بر منطقه وارد می کند (احمدی مقدم، 1366؛ کوچکی و حسینی، 1380). امروزه استفاده از میکروارگانیزم های گوگردی کمولیتوتروف(5) و مزوفیل در استخراج فلزاتی چون مس، آهن، اورانیوم و نیکل معروف به پدیده استخراج میکربی(6) در کشورهایی مانند استرالیا،کانادا، شیلی، چین، پرو و ایالات متحده امریکا، بویژه در سنگ هاییکه دارای عیار کم هستند تا حد زیادی جانشین روش های گداخت استخراج فلزات شده است. به طوری که مس در مجموع در این کشورها به میزان 1/12288 هزار تن در سال 1998، 12712 هزار تن در سال 1999 و 7/13243 هزارتن در سال 2000 با این روش استخراج شده است (Fernando, 2002 و Smith, 1996). در روش استخراج میکربی از باکتری های کمولیتوتروف مزوفیل، برای مثال تیوباسیلوس ها استفاده می شود. با توجه به وفور معادن کم عیار مس در ایران و به صرفه نبودن استخراج آنها با روش های گداخت و همچنین عدم تولید آلاینده های هوا در استخراج میکربی نیاز به کارگیری این روش احساس می شود. استفاده از این روش می تواند منشا فعالیت های جدید اقتصادی و سالم زیست محیطی برای استخراج فلزات از جمله مس باشد. مزیت این روش علاوه بر اهمیت اقتصادی آن در بازیافت فلزات از سنگ های کم عیار، جلوگیری از تبدیل ترکیبات گوگردی موجود در خاک معدن به دی اکسید گوگرد و هیدروژن سولفوره است که هر دو از آلاینده های محیطی هستند(Schippers et al.,1999). برای توسعه صنعت استخراج میکربی فلزات، علاوه بر نیاز به ساخت دستگاه ها، توجه به فعالیت های میکربی مربوط، بویژه با استفاده از منابع طبیعی موجود لازم است. تاکنون تیوباسیلوس های متفاوتی از خاک های معدنی جداسازی شده که در برخی موارد اثر این باکتری ها بر روی پاره ای از کانی های مس یا آهن مطالعه شده است. همان طوری که اثر مخلوط دو یا چند باکتری از جنس های متفاوت براستخراج آهن از پیریت موجود در معادن آهن انجام شده است (Batagelia et al., 1998)، با این حال بیشتر کارهای انجام شده با این روش بر روی سنگ های معدن مس در حالی صورت گرفته که فقط نقش یک باکتری بررسی شده است (امینی، 1381، سعید و معطری، 1381؛ Suzuki, 2001) و نقش و تأثیر متقابل باکتری ها که عموماً در محیط های طبیعی ممکن است به صورت مخلوط وجود داشته باشند کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
باکتری های کمولیتوتروف گوگردی TTو TFهوازی اجباری، میله ای شکل، گرم منفی و دارای فلاژله قطبی اند و تشکیل اسپور نمی دهند. در محدودة pH 5/1 تا 5/4 بهترین رشد را دارند. دامنة دمایی آنها 10- 35 درجة سانتیگراد و بهینة فعالیت آنها در دمای 25-30 درجة سانتیگراد است. انرژی خود را از اکسیداسیون مواد معدنی به دست می آورند(Johnson, 1998). منبع ازت مورد نیاز آنها نمک های آمونیوم و نیترات است. این باکتری ها انرژی مورد نیاز خود را از اکسیداسیون سنگ معدن کوولیت (CuS) و تبدیل آن به مس محلول و گوگرد عنصری طبق معادلة زیر به دست می آورند(Umrania, 2002).
معادلة (1):
در صورتی که باکتری توانایی انجام معادله 1 را نداشته باشد می تواند گوگرد موجود در محیط را طبق معادله2 به سولفات تبدیل کرده و از انرژی حاصل استفاده کند .
معادله (2):
وجود سنگ معدن مس به صورت کالکوسیت (Cu2S) نیز در محیط کشت باکتری این امکان را به باکتری گوگردی می دهد که این ماده را ابتدا به کوولیت تبدیل کند و سپس طبق واکنش 1 فرایند را ادامه دهد .
معادله (3):
این پدیده به طور طبیعی گاهی در معادن آهن و مس اتفاق می افتد که منجر به آزاد شدن یونهای سنگین Fe++ و Cu++ و نیز اسیدی شدن زه آبهای این معادن می شود (Suzuki, 2001).
در این مطالعه میزان فعالیت دو باکتری TTو TF که توسط مرکز تحقیقات و مطالعات سرچشمه از خاک این معدن جداسازی شده بودند به صورت مخلوط و همچنین جداگانه بر روی سه نوع خاک کم عیار معدن مس سرچشمه (2/0، 3/0و 4/0) بررسی شد. به منظور بررسی کمی فعالیت باکتری ها در جداسازی کاتیون مس از گوگرد عنصری، مقدار مس آزاد شده در محیط های مختلف کشت اندازه گیری و مقدار گوگرد آزاد شده نیز با روش شیمیایی جداسازی و اندازه گیری شد. بعلاوه، همزمان با فعالیت باکتریها رشد باکتریها نیز از طریق شمارش آنها کنترل گردید.
مواد و روش ها
ابتدا باکتریTFدر محیط کشت اختصاصی 9K ((Silverman & Lundgren,1959
[KCl 0.1 g/l, MgSO4 .7 H2O 0.5g/l, KH2PO4 0.5 g/l, Ca(NO3)2 .4H2O 0.01g/l, (NH4)2SO4 .7 H2O 0.5 g/l, FeSO4 . 7H2O 44g/l ]
و باکتری TT در محیط کشت اختصاصی ایمایی(Imai, 1978)
]NH4Cl 0.1 g/l, KH2PO4 0.3 g/l, MgCl2 . 6H2O 0.1g/l, CaCl2. 2H2O 0.14 g/l, FeSO4. 7H2O 0.01 g/l, S 10 g/l [
کشت شدند. برای تهیة کشت مخلوط دو باکتری نیز حجم های مساوی از باکتری ها بر روی محیط کشت ایمایی کشت شدند. در سری های 5 تایی از ارلن مایر250 سی سی، از ظروف لرزان آزمایشگاهی در هر ظرف هر کدام 5 گرم خاک معدن و 30 سانتیمتـر مکعب از محلــول کشت پایــه
[(NH4)2SO4 3.7g/l, H3PO4 0.8 g/l, KOH 0.48 g/l, MgSO4 .7 H2O 0.52 g/l] ریخته شد. اسیدیته محیط کشت با اضافه کردن قطراتی از سولفوریک اسید به 2 رسانده شد؛ این اسیدیته منطبق با دامنة pH مورد نظر باکتری هاست. همچنین محیط کشت پایه فاقد هر نوع کاتیون فلزی است که امکان رقابت را با مس در واکنش های اکسیداسیون و احیا از بین می برد. با استفاده از سرنگ استریل یک سانتیمتر مکعب از محیط کشت های حاوی باکتری ها (ایمایی ، 9K) به ارلن مایرها اضافه شد به طوری که برای هر تیمار باکتری 5 تکرار در نظر گرفته شد. مجموعه ای 5 تایی نیز بدون اضافه کردن باکتری ها تهیه و به عنوان شاهد در نظر گرفته شد . ظروف آزمایشگاهی در دمای 30 (Konishi et al., 2001) درجه سانتیگراد به مدت 60 روز در انکوباتور قرار داده شدند. هر 10 روز یک بار یک نمونه 10 سانتیمتر مکعبی از هر ظرف برداشت و سانتریفوژ و غلظت مس در محلول رویی آن با استفاده از اسپکتروفتومتر جذب اتمی اندازه گیری شد و سپس محلول و رسوب حاصل به ظرف اولیه برگردانده شدند. بعد از 60 روز مقدار کل هر محلول سانتریفوژ و پس از اندازه گیری مقدار مس در محلول بالایی pH آن اندازه گیری و بر اساس تغییرات pH مقدار سولفوریک اسید تولید شده در اثر فعالیت باکتری ها محاسبه گردید. به رسوب زیرین مقدار 10 سانتیمترمکعب از ماده آلی کربن دی سولفید اضافه و پس از مخلوط کردن آن و حل شدن گوگرد در حلال مزبور، محلول با استفاده از کاغذ صافی صاف شد. پس از اینکه حلال فرار کربن دی سولفید از محلول صاف شده تبخیر شد وزن گوگرد باقیمانده اندازه گیری گردید. در عین حال، در فاصله های 10 روز، همزمان با اندازه گیری جذب اتمی مس 1سی سی از محلول بالایی، ابتدا 6-10 بار رقیق و سپس با استفاده از اسپریدر(7) 1/0 میلی لیتر از محلول رقیق شده روی محیط کشت جامد 9K و ایمایی که به آنها آگار اضافه شده بود، کشت شدند و سپس در انکوباتور در دمای 30 درجه سانتیگراد قرار داده شدند. پس از رشد باکتری ها تعداد کلونی ها شمارش و در معکوس درجه رقت ضرب و بر اساس آن تعداد باکتری ها در 100میلی لیتر از محلول اولیه بر حسب MPN(8) محاسبه گردید(Oblinger et al., 1975). حدود اطمینان 95% برای داده های حاصل از آزمایشات محاسبه و همراه با میانگین داده های مربوط با استفاده از نرم افزار آماری Excel به صورت نمودار رسم شد.
یافته ها
نتایج حاصل از اندازه گیری مقدار کاتیون مس در محلول های محتوی سه تیمار باکتریایی در هر سه نوع خاک نشان می دهد که فعالیت باکتری TF به طور معنی داری بیشتر از TT است و در مخلوط دو باکتری نیز مقدار کمتری مس نسبت به باکتری TFدر حالت تنها آزاد شده است. منحنی های مربوط به آزاد سازی مس در هر سه خاک و
تحقیق درباره فعالیت باکتری های گوگردی
