Biohydrometalurgia - laboratorium
A. Pawłowska 2011
- 1 -
Ćwiczenie nr 6, 7, 8
Bioługowanie rudy łupkowej z udziałem bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans
Wstęp teoretyczny
Proces ługowania jest procesem elektrochemicznym zachodzącym w warunkach, gdy jeden lub kilka składników
roztworu różni się stopniem utlenienia w roztworze i stanie stałym. Celem ługowania jest roztworzenie ciała
stałego i przeprowadzenie użytecznego składnika lub składników do roztworu. Proces ługowania można
przedstawić następująco:
ciało stałe → jon w roztworze + elektron w roztworze
Jeśli do ługowania zostaną użyte szczepy bakterii, to proces ten nazywa się bioługowaniem. Nie wszystkie
bakterie można jednak wykorzystać w tym procesie. Jedynie te, które wykazują zdolność do utleniania różnych
substancji. Najliczniejszą grupą mikroorganizmów wykorzystywanych w procesie bioługowania są
chemolitoautotrofy. Mają one zdolność utleniania siarczków do rozpuszczalnych w wodzie siarczanów. Proces
bioutleniania przebiega w warunkach tlenowych, a uzyskaną energię mikroorganizmy wykorzystują do wiązania
CO
2
.
Można wyróżnić następujące mechanizmy procesu bioługowania:
▪
mechanizm bioutleniania bezpośredniego
MeS + 2O
2
+ mikroorganizmy → MeSO
4
▪
mechanizm bioutleniania pośredniego
MeS + 2Fe
3+
+ mikroorganizmy → Me
2+
+ S
0
+ 2Fe
2+
▪
mechanizm elektrochemiczny.
Zgodnie z mechanizmem bezpośredniego bioutleniania działanie bakterii przymocowanych do powierzchni
minerału rozpoczyna się od jego utlenienia za pomocą systemu enzymów produkowanych przez komórki. Siarka
występująca w minerałach siarczkowych jest biologicznie utleniana do siarczanu.
Mechanizm bioutleniania pośredniego polega na utlenianiu przez jony żelaza (III), roztwarzające siarczki
metalu. Powstają jony żelaza (II) i siarka elementarna. Produkty te mogą być biologicznie utleniane do żelaza
(III) oraz siarczanów. Nie jest konieczne, by komórka mikroorganizmu uległa adhezji do powierzchni
ługowanego materiału. Mechanizmy bioutleniania można opisać za pomocą następujących równań reakcji:
▪
mechanizm bezpośredni
FeS
2
+ 1,5O
2
+ H
2
O = Fe
2+
+ 2H
+
+ 2SO
2
2Fe
2+
+ 0,5O
2
+ 2H
+
= 2Fe
3+
+ H
2
O
▪
mechanizm pośredni
FeS
2
+ 14Fe
3+
+ 8H
2
O = 15Fe
2+
+ 16H
+
+ 2SO
4
2-
MeS + 2Fe
3+
= Me
2+
+ S
0
+ 2Fe
2+
S
0
+ 1,5O
2
+ H
2
O = 2H
+
+ SO
4
2-
Mechanizm elektrochemiczny opiera się na efekcie galwanicznym, występującym w warunkach fizycznego
kontaktu minerałów o różnym potencjale elektrochemicznym. Zauważono, że bioługowanie minerałów
siarczkowych jest efektywniejsze w obecności pirytu.
W przypadku fizycznego kontaktu dwóch minerałów siarczkowych o różnych potencjałach spoczynkowych
dochodzi do powstania „komórki galwanicznej”, w której siarczek o większym potencjale będzie odgrywał rolę
katody, a siarczek o niższym potencjale wskazuje cechy anody.
Parametry wpływające na szybkość procesu bioługowania:
▪
skład ziarnowy materiału wyjściowego;
▪
skład chemiczny płynu ługującego;
▪
pH roztworu;
▪
temperatura;
▪
sposób mieszania i napowietrzania;
▪
aktywność życiowa oraz ilość wprowadzanych mikroorganizmów.
Źródło: Z. Sadowski, Biogeochemia. Wybrane zagadnienia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 2005
Biohydrometalurgia - laboratorium
A. Pawłowska 2011
- 2 -
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie procesu bioługowania rudy łupkowej z udziałem bakterii
Acidithiobacillus ferrooxidans.
Odczynniki i roztwory
1)
Materiał mineralny;
2)
Składniki pożywek;
3)
Inokulum bakterii At. ferrooxidans;
4)
Kuprizon- roztwór 0,1%;
5)
10 % roztwór cytrynianu amonu.
TYDZIEŃ I
Doświadczenie należy rozpocząć od wykonania 0,5 L podłoża 2 K, według tabeli poniżej.
Tabela 1. Skład podłoża hodowlanego 2K Silvermana-Lundgrena
Doprowadzić pH roztworu II do wartości 1,9 z użyciem 5M H
2
SO
4
. Wartość pH ustalać używając pH-metru.
Zmieszać rozwory, ponownie sprawdzić pH. W razie potrzeby skorygować wartość do 1,9. Całość dokładnie
wymieszać bagietką. Następnie pobrać 100 mL pożywki i przenieść do czterech kolb o pojemności 250 mL. Do
trzech z nich dodać inokulum w ilości 10% v/v. Całość dobrze wymieszać. Następnie do wszystkich kolb dodać
10 g materiału mineralnego. Ponownie sprawdzić czy pH wynosi 1,9 i ewentualnie skorygować.
Kolba bez bakterii będzie służyć jako próba kontrolna. Ze wszystkich hodowli pobrać próby do określenia ilości
białka (1 mL). Proszę pobrać więcej roztworu, ponieważ niezbędna jest jego filtracja przed analizą. Należy
również zmierzyć pH i Eh roztworów kolbie. Następnie przygotować korki z waty i zamknąć nimi kolby. Tak
przygotowane hodowle umieścić inkubatorze z wytrząsaniem (120 rpm, 35ºC) na okres dwóch następnych zajęć.
TYDZIEŃ II, III
Z każdej kolby pobrać próbki i zanalizować na zawartość jonów miedzi (II) oraz pod względem ilości białka.
Proszę pamiętać o próbkach z zeszłego tygodnia!
Instrukcje do wykonania analiz na stronie 3.
Ponadto, należy zmierzyć Eh oraz pH. W razie potrzeby skorygować pH do wartości wyjściowej (~2,0).
SKŁAD CHEMICZNY
ROZTWÓR I
ROZTWÓR II
H
2
O
700
300 ml
KH
2
PO
4
0,5 g
-
MgSO
4
.
7H
2
O
0,5 g
-
FeSO
4
.
7 H
2
O
-
9,95 g
Biohydrometalurgia - laboratorium
A. Pawłowska 2011
- 3 -
Oznaczanie zawartości jonów miedzi (II) w próbkach
Odczynniki i roztwory
1)
Kuprizon- roztwór 0,1%;
2)
10 % roztwór cytrynianu amonu.
Z każdej kolby pobrać 3 ml i przenieść do kolb miarowych o poj. 50 ml. Dodać ok. 25 mL wody dejonizowanej,
a następnie 3 ml 10 % cytrynianu amonu. Doprowadzić pH roztworu do wartości 8 – 9 stosując roztwór wody
amoniakalnej. pH sprawdzać używając papierka wskaźnikowego. Po ustaleniu pożądanego pH, dodać 5 ml
roztworu kuprizonu i uzupełnić wodą dejonizowaną do kreski. Dokładnie wymieszać, inkubować
w temperaturze pokojowej przez 10 minut. Po tym czasie zmierzyć absorbancję roztworu przy długości fali 600
nm wobec wody destylowanej jako odnośnika.
Na podstawie krzywej wzorcowej, przygotowanej na poprzednich zajęciach, odczytać stężenia Cu
2+
w poszczególnych próbach.
Oznaczanie zawartości białka w próbkach
Odczynniki i roztwory
1)
Roztwór roboczy Folina i Ciocalteua;
2)
Odczynnik Lowry’ego.
Do 1 ml próbki dodać 1 ml odczynnika Lowry’ego, wymieszać (vortex) i inkubować przez 20 minut
w temperaturze pokojowej. Po upływie 20 minut dodać 0,5 ml fenolowego odczynnika Folina-Ciocalteua.
Dobrze wymieszać. Próby pozostawić w temperaturze pokojowej przez okres 30 minut. Po tym czasie należy
przenieść roztwory do kuwet i odczytać absorbancję przy 750 nm względem próby kontrolnej, jako odnośnika.
Należy pamiętać o jednoczesnym przygotowaniu próby kontrolnej, w której zamiast roztworu białka stosuje
się wodę dejonizowaną (1 mL) oraz te same odczynniki i procedurę, co w pozostałych próbach.
Na podstawie krzywej wzorcowej, przygotowanej na poprzednich zajęciach, odczytać zawartość białka
w poszczególnych próbach.