바이오마이닝

Biomining
바이오프로스펙팅과 혼동하지 말 것.
이 이미지는 92개의 양성자를 가진 원소 우라늄의 전자 궤도를 보여준다.

바이오미닝(Biomining)은 일반적으로 원핵생물, 곰팡이 또는 식물(phytoextraction)을 사용하여 광석과 기타 고체 물질에서 금속을 추출하는 기술이다.[1] 이 유기체들은 금속을 환경으로부터 분비하여 그들이 전형적으로 전자를 조정하기 위해 사용되는 세포로 다시 가져온다. 1900년대 중반 미생물이 세포 안에서 금속을 사용한다는 사실이 밝혀졌다. 일부 미생물들은 철, 구리, 아연, 금과 같은 안정적인 금속뿐만 아니라 우라늄, 토륨과 같은 불안정한 원자를 사용할 수 있다. 기업들은 이제 그들의 매체로부터 금속을 침출하는 미생물의 큰 체스트들을 기를 수 있고, 이러한 문화의 덩어리는 시장성이 있는 많은 금속 화합물로 바뀔 수 있다. 바이오마이닝은 일반적인 채굴에 비해 환경 친화적인 기술이다. 바이오마이닝에서 배출되는 화학 물질은 박테리아가 분비하는 대사물이나 기체뿐이지만, 채굴은 많은 오염물질을 배출한다. 동일한 개념이 생물 매개 모델에 사용될 수 있다. 박테리아는 금속, 기름 또는 다른 유독성 화합물에 오염된 환경에 접종될 수 있다. 이 박테리아는 세포 내에서 에너지를 생성하기 위해 이러한 독성 화합물을 흡수함으로써 환경을 청소할 수 있다. 미생물들은 인간이 결코 할 수 없는 화학적 수준에서 사물을 성취할 수 있다. 박테리아는 금속을 캐고, 기름 유출물을 청소하고, 금을 정화하며, 에너지를 위해 방사성 원소를 사용할 수 있다.

바이오마이닝의 역사

가장 먼저 인정된 바이오마이닝 시스템은 1951년 케네스 템플 박사학위가 철, 구리, 마그네슘이 풍부한 환경에서 산디티오바실러스 페로옥시던스가 번성한다는 사실을 발견하면서 발표되었다. 템플의 실험에서, A. 페록시던스는 2천에서 2만 6천ppm의 철분이 함유된 매체에 접종되었다. 그는 박테리아가 더 빨리 자라고 높은 철분 농도에서 더 활동적이라는 것을 발견했다. 박테리아 증식의 부산물은 매체가 매우 산성으로 변하게 했고, 그 안에서 미생물은 여전히 번성했다.[2] 케네스 템플스 실험은 미생물이 세포에서 사용하기 위해 금속을 감지하고 흡수하는 메커니즘을 가지고 있다는 것을 증명했다. 이 발견은 복잡한 현대 바이오마이닝 시스템의 개발로 이어진다. 바이오마이닝은 미생물이 성장 매개체에서 금속을 침출하는 것을 말한다. 이 시스템들은 생물 정화, 생물 수소화, 심지어 상업적 사용을 위해 광석에서 금속을 추출하는 데 사용될 수 있다. 나중에 일부 곰팡이가 그들의 환경으로부터 금속을 침출한다는 것이 발견되었다.[3] 일부 미생물은 우라늄과 토륨 등 방사성 금속을 흡수하는 메커니즘을 갖고 있는 것으로 나타났다.[4]

개요

산업 광물 처리의 발전은 현재 남아프리카, 브라질, 호주를 포함한 몇몇 국가에서 확립되었다. 철과 황산화 미생물은 황화 미네랄로부터 막힌 구리, 금, 우라늄을 방출하는 데 사용된다. 금을 함유한 농축액의 생물산화용 산업용 플랜트는 대부분 40℃에서 일반산디티오빌루스(Axidithiacillus) 또는 렙토스피릴룸 페록시단(Leptospirillum perrooxidans)의 중소세균이 혼합된 배양액으로 운영돼 왔다. 이후 연구에서는 철분 감소 고고학 피로코쿠스 푸리오수스와 피로바쿨룸 섬섬이 염화 금을 용해되지 않는 금으로 환원하는 것으로 나타났다.

산디티오바실러스 페록시단 등의 박테리아를 광산 꼬리부분에서 구리를 침출하는 방법으로 회수율이 향상되고 운영비가 절감됐다. 게다가, 그것은 낮은 등급의 광석에서 추출하는 것을 허용한다 – 높은 등급의 광석이 고갈되는 상황에서 중요한 고려사항이다.[5]

생물공학에서 과거 프로젝트의 일부 예로는 상황 채굴 프로그램, 생물분해 방법, 산성 암석 배수의 수동적 생물 거름화, 광석과 농축물의 생물 적출 등이 있다. 이 연구는 종종 더 높은 효율성과 생산성을 위한 기술 구현 또는 복잡한 문제에 대한 새로운 해결책으로 귀결된다. 추가 기능으로는 황화물질에서 금속을 바이오리허싱, 인산광석 바이오프로세싱, 용액에서 금속을 바이오콘크리션하는 기능 등이 있다. 최근 조사 중인 한 프로젝트는 석탄 세척 용도에 황을 줄이기 위해 생물학적 방법을 사용하는 것이다. 현장 채굴에서부터 광물 처리 및 처리 기술에 이르기까지, 생명공학은 혁신적이고 비용 효율적인 산업 솔루션을 제공한다.[buzzword]

구리 추출에서 열성 황화-산화 고고학의 잠재력은 황화 광석에서 금속을 효율적으로 추출하여 용해에 이르기 때문에 관심을 끌었다. 미생물 침출은 특히 구리 광석에 유용하다. 왜냐하면 황화 구리 광석의 산화 과정에서 형성된 황산 구리는 수용성이 매우 높기 때문이다. 전 세계 구리 채굴의 약 25%는 현재 침출 과정을 통해 얻어진다. 산도필성 고고학자인 술폴로부스 메탈릭루스와 메탈로스포세라 세둘라는 구리의 최대 4%를 견디며 광물 바이오미닝에 악용되어 왔다. 구리 추출은 1차 원자로에서 40~60%가 달성되었고, 2차 원자로에서 90% 이상이 추출되었으며, 전체 거주 시간은 약 6일이었다.

철 이온(Fe2+)과 철 이온(Fe3+)의 산화 작용은 일부 미생물에 대한 에너지를 생성하는 반응이다. 소량의 에너지만 얻으므로 다량의 (Fe2+)를 산화시켜야 한다. 더욱이 (Fe3+)는 HO에서2 용해되지 않는 Fe(OH)
3 침전물을 형성한다. 많은 Fe2+ 산화 미생물은 또한 황을 산화시켜 HSO의24 생산으로 환경을 더욱 산성화하는 산성화물을 의무화한다. 이는 중립 pH Fe에서2+ 공기와 접촉하여 화학적으로 빠르게 산화되기 때문이다. 이러한 조건에서는 상당한 성장을2+ 허용할 Fe가 충분하지 않다. 그러나 낮은 pH에서는 Fe가2+ 훨씬 더 안정적이다. 이것이 왜 Fe2+ 산화 미생물의 대부분이 산성 환경에서만 발견되고 산호화 물질을 의무적으로 생산하는지를 설명해준다.

가장 잘 연구된 Fe2+ 산화 박테리아는 산도필리코빌루스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferrooxidans), 산도필리화학석소세포다. Fe의2+ 미생물학적 산화는 광산에서의 산성 pHs 발달의 중요한 측면이며, 심각한 생태학적 문제를 구성한다. 그러나 이 과정은 통제될 때 유용하게 이용될 수도 있다. 광석 피라이트(FeS2)를 함유한 유황은 이 공정의 시작점에 있다. 피라이트는 석탄과 광물 광석이 풍부한 불용성 결정체 구조물이다. 다음과 같은 반응에 의해 생성된다.

S + FeS → FeS2

일반적으로 피라이트는 산소와 접촉하지 않도록 보호되고 미생물이 접근할 수 없다. 그러나 광산을 착취하면 피라이트가 공기(산소)와 접촉하게 되고 미생물과 산화가 시작된다. 이 산화는 화학적으로 그리고 미생물학적으로 촉매된 과정의 조합에 의존한다. 두 개의 전자 수용기가 이 과정에 영향을 줄 수 있다: O와2 Fe3+ 이온이다. 후자는 산성 조건(pH < 2.5)에서만 상당한 양이 존재할 것이다. 먼저 O를2 전자 수용체로 하는 느린 화학적 과정이 피라이트의 산화를 시작할 것이다.

FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 SO2−
4 + 2 H+

이 반응은 환경을 산성화시키고 Fe가2+ 형성될 것이다. 그러한 환경에서는 산디티오바실러스 페록시단스가 빠르게 성장할 수 있을 것이다. 페로플라즈마 또한 산성화가 진행되면 더욱 산성화될 것이다. 미생물 활동의 결과(에너지 생산 반응):

Fe2+ → Fe3+

낮은 pH에서 용해성을 유지하는 이 Fe는3+ 피라이트와 자연적으로 반응한다.

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO2−
4 + 16 H+

생성된 Fe는2+ 미생물에 의해 다시 사용될 수 있고 따라서 계단식 반응이 시작될 것이다.

처리 방법

참고 항목: 바이오리어링

흔히 바이오리허싱으로 알려진 산업용 미생물 침출 공정에서는 저등급 광석을 큰 더미(리출 덤프)에 버리고 희석된 황산용액(pH2)이 더미 사이로 스며든다.[5] 광물이 풍부한 더미 바닥에 나오는 액체를 모아 다시 회수하고 정화시키는 강수 공장으로 운반한다. 그런 다음 액체를 다시 말뚝 꼭대기로 펌핑하여 순환을 반복한다.

산디티오바실러스 페로옥시던스는 페인(Fe2+3+ in)을 페로 산화시킬 수 있다.

철 이온의 미생물 산화에 의해 형성된 철(Fe3+) 이온과 구리 광석의 화학적 산화(파이라이트의 산화에서 파생됨) 구리 광석의 산화에 대해 가능한 세 가지 반응은 다음과 같다.

Cu2S + 1/2 O2 + 2 H+ → CuS + Cu2+ + H2O
CuS + 2 O2 → Cu2+ + SO2−
4
CuS + 8 Fe3+ + 4 H2O → Cu2+ + 8 Fe2+ + SO2−
4 + 8 H+

구리 금속은 강철 캔에서 Fe를0 사용하여 회수된다.

Fe0 + Cu2+ → Cu0 + Fe2+

리치 덤프 내부의 온도는 미생물 활동의 결과로 자연적으로 상승하는 경우가 많다. 따라서 열성 산디토바실러스종과 렙토스피릴룸과 같은 열성 철산화 화학석소생물과 더 높은 온도에서 열성산디토필릭 고고학자 설포오부스(Metalosphaera sedula)는 40°C 이상의 침출 과정에서 중요해질 수 있다. 구리와 유사하게, 산디티오바실러스 페록시단스는 전자수용체로서2 O와 함께4+ U에서 U까지6+ 산화시킬 수 있다. 그러나 위에서 설명한 것처럼 앳 페록시단(At. Ferrooxidans)이 주로 Fe2+ to Fe의3+ 재산화(reoxidation)를 통해 기여함에 따라 우라늄 침출과정은 Fe의3+ 화학적 산화에 더 의존할 가능성이 높다.

UO2 + Fe(SO4)3 → UOSO24 + 2FeSO4

현재 기법

금은 비소와 피라이트를 함유한 광물과 관련된 자연에서 자주 발견된다. 미생물 침출 과정에서는 산디티오바실러스 페록시단 및 친척들이 비소피라이트 광물을 공격하여 용해시킬 수 있으며, 그 과정에서 덫에 걸린 금(Au):

2 FeAss[Au] + 72 O + 2 HO2 + HSO24 → Fe(SO4)3 + 2 HAsO34 + [Au]

바이오하이드로메탈루기는 상업용 채굴공장이 저농도 광물자원을 효율적으로 추출하기 위해 파추카형(StR)과 공기부양식(ALR) 또는 공압형 원자로(PR)를 연속적으로 가동하는 바이오마이닝의 신흥 추세다.[5]

미생물을 이용한 산업용 광물 처리의 개발은 현재 남아프리카, 브라질, 호주 등 여러 나라에 정착되어 있다. 철과 황산화 미생물은 광물로부터 구리, 금, 우라늄을 방출하는 데 사용된다. 전자는 산화를 통해 황금에서 떼어낸 다음 철에 넣어 그 과정에서 세포에서 감소하는 등가물을 생산한다. 이것은 이 그림에 나와 있다.[6] 그리고 나서 이러한 감소 등가물은 전자 운송 체인을 통해 세포에서 아데노신 3인산염을 생산한다. 금을 함유한 농축액의 생물산화용 산업용 플랜트는 대부분 40℃에서 일반산디티오빌루스(Axidithiacillus) 또는 렙토스피릴룸 페록시단(Leptospirillum perrooxidans)의 중소세균이 혼합된 배양액으로 운영돼 왔다.[7] 다른 연구들에서 철을 줄이는 고고학 피로코쿠스 퓨리오수스는 연료로 사용될 수 있는 수소 가스를 생산하는 것으로 밝혀졌다.[8] 산디티오바실러스 페록시단 등의 박테리아를 광산 꼬리부분에서 구리를 침출하는 방법으로 회수율이 향상되고 운영비가 절감됐다. 게다가, 그것은 낮은 등급의 광석에서 추출하는 것을 허용하는데, 이것은 높은 등급의 광석이 고갈되는 상황에서 중요한 고려사항이다.

산도필성 고고학자인 술폴로부스 메탈릭루스와 메탈로스포세라 세둘라는 구리의 최대 4%까지 견딜 수 있으며 광물 바이오매싱에 악용되어 왔다. 구리 추출은 1차 원자로에서 40~60%가 달성되었고, 2차 원자로에서 90% 이상이 추출되었으며, 전체 거주 시간은 약 6일이었다. 이 미생물들은 모두 이 금속들을 산화시킴으로써 에너지를 얻고 있다. 산화란 원자와 산소 사이의 결합 수를 증가시키는 것을 의미한다. 미생물들은 유황을 산화시킬 것이다. 결과 전자는 철을 감소시켜 세포가 사용할 수 있는 에너지를 방출할 것이다.

생물 매개

생물 중재는 미생물 시스템을 사용하여 환경을 건강한 상태로 복원하는 과정이다. 어떤 미생물은 세포에서 사용하기 위해 금속으로 된 계란을 침출할 수 있는 풍부한 환경에서 생존할 수 있다. 이 미생물들은 흙이나 물에서 금속을 제거하는 데 사용될 수 있다. 이러한 금속 추출은 기질을 굴착하는 데 비용이 적게 들기 때문에 현장에서 선호되는 장소 또는 장소에서 수행할 수 있다.[9]

생물 중재는 금속에만 국한되지 않는다. 2010년에 멕시코 만에서 대규모의 기름 유출이 있었다. 기름 유출 후 해안을 회춘시키기 위해 박테리아와 고대의 개체수가 사용되었다. 이들 미생물은 시간이 지나면서 석유와 석유와 같은 탄화수소를 탄소와 에너지의 원천으로 활용할 수 있는 대사 네트워크를 개발했다.[10] 미생물 생물 거식술은 환경으로부터 독소를 제거하여 자연계를 복원하는 데 매우 효과적인 현대 기술이다.

미래 전망

바이오마이닝의 잠재적인 적용은 셀 수 없이 많다. 과거 프로젝트로는 현장 채굴, 생물분해, 생물분해, 광석의 생물 유출 등이 있다. 바이오마이닝 연구는 일반적으로 더 높은 금속 수율을 위한 새로운 기술 구현으로 이어진다. 바이오마이닝은 복잡한 환경 문제에 대한 새로운 해결책을 제공한다. 추가 기능으로는 황화석광, 인산광석, 용액에서 금속의 집중을 들 수 있다. 최근 조사 중인 한 프로젝트는 석탄 세척 용도에 황을 줄이기 위해 생물학적 방법을 사용하는 것이다. 현장 채광에서부터 광물 처리 및 처리 기술에 이르기까지 바이오마이닝은 혁신적이고 비용 효율적인 산업 솔루션을 제공한다.[11] 그것은 우주에서 유용한 금속을 추출하는데 유용할 수 있다.[12][13]

참고 항목

참조

  1. ^ V. Sheoran, A. S. Sheoran & Poonam Poonia (October 2009). "Phytomining: A Review". Minerals Engineering. 22 (12): 1007–1019. doi:10.1016/j.mineng.2009.04.001.
  2. ^ Johnson, D Barrie (December 2014). "Biomining—biotechnologies for extracting and recovering metals from ores and waste materials". Current Opinion in Biotechnology. 30: 24–31. doi:10.1016/j.copbio.2014.04.008. PMID 24794631.
  3. ^ Wang, Y.; Zeng, W.; Qiu, G.; Chen, X.; Zhou, H. (15 November 2013). "A Moderately Thermophilic Mixed Microbial Culture for Bioleaching of Chalcopyrite Concentrate at High Pulp Density". Applied and Environmental Microbiology. 80 (2): 741–750. doi:10.1128/AEM.02907-13. PMC 3911102. PMID 24242252.
  4. ^ Tsezos, Marios (2013-01-01). "Biosorption: A Mechanistic Approach". In Schippers, Axel; Glombitza, Franz; Sand, Wolfgang (eds.). Geobiotechnology I. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Vol. 141. Springer Berlin Heidelberg. pp. 173–209. doi:10.1007/10_2013_250. ISBN 9783642547096. PMID 24368579.
  5. ^ a b c Kundu 외 2014 "수문합성 공정에 대한 생물화학공학 매개변수: 보다 깊은 이해를 위한 단계"
  6. ^ Johnson, D. Barrie; Kanao, Tadayoshi; Hedrich, Sabrina (2012-01-01). "Redox Transformations of Iron at Extremely Low pH: Fundamental and Applied Aspects". Frontiers in Microbiology. 3: 96. doi:10.3389/fmicb.2012.00096. ISSN 1664-302X. PMC 3305923. PMID 22438853.
  7. ^ Qiu, Guanzhou; Li, Qian; Yu, Runlan; Sun, Zhanxue; Liu, Yajie; Chen, Miao; Yin, Huaqun; Zhang, Yage; Liang, Yili; Xu, Lingling; Sun, Limin; Liu, Xueduan (April 2011). "Column bioleaching of uranium embedded in granite porphyry by a mesophilic acidophilic consortium". Bioresource Technology. 102 (7): 4697–4702. doi:10.1016/j.biortech.2011.01.038. PMID 21316943.
  8. ^ Verhaart, Marcel R. A.; Bielen, Abraham A. M.; Oost, John van der; Stams, Alfons J. M.; Kengen, Servé W. M. (2010-07-01). "Hydrogen production by hyperthermophilic and extremely thermophilic bacteria and archaea: mechanisms for reductant disposal". Environmental Technology. 31 (8–9): 993–1003. doi:10.1080/09593331003710244. ISSN 0959-3330. PMID 20662387. S2CID 40970368.
  9. ^ Azubuike, Christopher Chibueze; Chikere, Chioma Blaise; Okpokwasili, Gideon Chijioke (16 September 2016). "Bioremediation techniques–classification based on site of application: principles, advantages, limitations and prospects". World Journal of Microbiology and Biotechnology. 32 (11): 180. doi:10.1007/s11274-016-2137-x. PMC 5026719. PMID 27638318.
  10. ^ Fathepure, Babu Z. (2014-01-01). "Recent studies in microbial degradation of petroleum hydrocarbons in hypersaline environments". Frontiers in Microbiology. 5: 173. doi:10.3389/fmicb.2014.00173. ISSN 1664-302X. PMC 4005966. PMID 24795705.
  11. ^ Lawson, Christopher E.; Strachan, Cameron R.; Williams, Dominique D.; Koziel, Susan; Hallam, Steven J.; Budwill, Karen; Liu, S.-J. (15 November 2015). "Patterns of Endemism and Habitat Selection in Coalbed Microbial Communities". Applied and Environmental Microbiology. 81 (22): 7924–7937. Bibcode:2015ApEnM..81.7924L. doi:10.1128/AEM.01737-15. PMC 232600. PMID 9106364.
  12. ^ Crane, Leah. "Asteroid-munching microbes could mine materials from space rocks". New Scientist. Retrieved 9 December 2020.
  13. ^ Cockell, 찰스 S.;Santomartino, 로사, Finster, 카이;Waajen, Annemiek C;Eades, LornaJ.;Moeller, 랄프. Rettberg, 페트라, 푹스, 펠릭스 M.;반 Houdt, 롭;Leys, 나탈리. Coninx, 일세, Hatton, 제이슨, Parmitano, 루카, 크라우제, Jutta, 쾰러, 안드레아. 캐플린, 니콜, Zuijderduijn, Lobke, Mariani, 알레산드로;Pellari, 스테파노 S.;Carubia, Fabrizio, 루.치아니, 자코모;볼사모인 Michele;Zolesi, Valfredo, 니콜슨, 나타샤, 루던, Claire-Marie, Doswald-Winkler, Jeannine, Herová, 마그달레나. Rattenbacher, 베른트, 워즈워스, 제니퍼, 크레이그 Everroad, R.;Demets, 르네(11월 10일 2020년)."우주 정거장 biomining 실험 극미 중력과 화성 중력에서 희토류 원소 추출을 보여 줍니다".네이쳐 커뮤니케이션. 11(1):5523.Bibcode:2020NatCo..11.5523C. doi:10.1038/s41467-020-19276-w.ISSN 2041-1723.PMC7656455.PMID 33173035.CC하의 4.0이 받은 이용 가능합니다.

외부 링크