BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG ppt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:
ỨNG DỤNG CỦA VI SINH
VẬT TRONG TUYỂN
KHOÁNG
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
NGUYỄN NGỌC TÂM HUYÊN
NHÓM:
1. ĐẶNG VĨNH QUÍ
2. PHÙNG NGỌC NHƯ Ý
3. NGUYỄN THỊ LIÊN
4. VÕ CHÂU VIỆT KHUÊ
5. KIỀU THỊ HOÀNG TÙNG
6. NGUYỄN NGỌC BẢO TRÂM
1
MỤC LỤC
I. PHẦN MỞ ĐẦU
II. SƠ LƯỢC VỀ KHAI KHOÁNG
III. CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG
IV. QUÁ TRÌNH NGÂM CHIẾT SINH HỌC
V. CƠ CHẾ TÍCH LŨY KIM LOẠI
VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO
2
I PHẦN MỞ ĐẦU
Ít ai biết rằng nhờ vào vi sinh vật, những sinh vật nhỏ bé nhất hành
tinh này mà con người chúng ta có thể tồn tại trên hành tinh này. Chúng
tham gia và có vai trò rất lớn trong nhiều lĩnh vực. trong số đó có sự tham
gia vào quá trình mà chúng ta sắp đề cập tới đây, đó là: ỨNG DỤNG CỦA

VI SINH VẬT TRONG TUYỂN KHOÁNG.
Sự tham gia của vi sinh vật vào việc tuyển khoáng đã được nhiều tác
giả chứng minh. Đây là những vi sinh vật hóa dưỡng vô cơ bắt buộc hay tùy
tiện, hoặc vi sinh vật dị dưỡng, chúng có thể thuộc về nhóm trung hay ưa
nhiệt có khả năng oxy hóa Fe
2+
thành Fe
3+
cũng như các loại lưu huỳnh dạng
khử thành acid sulfuric hoặc sulfade kim loại. Ngoài ra, hàng loạt các vi sinh
vật khác như nấm, tảo, và động vật nguyên sinh cũng có mặt trong sự sinh
trưởng cộng sinh trong các dung dịch ngâm chiết tồn tại trong tự nhiên,
trong các mỏ quặng tham gia vào quá trình tích lũy kim loại.
Thực tế con người đã sử dụng vi sinh vật khai khoáng từ rất lâu mà
không hề hay biết.
3
II. SƠ LƯỢC VỀ TUYỂN KHOÁNG NHỜ VI SINH VẬT
Tuyển khoáng là quá trình tổ hợp cùa các khâu gia công và phân
tách khoáng vật để từ quặng nguyên khai ban đầu ta thu được 1 hoặc
nhiều sản phẩm có giá trị sử dụng trên thị trường.
Các sản phẩm có giá trị sử dụng sau quá trình tuyển khoáng được gọi là
quặng tinh(than sạch) các sản phẩm vô ích không có giá trị sử dụng gọi là
quặng thải ( đuôi thải).
Đặc điểm:
+ Quá trình tuyển khoáng mang lại giá trị sử dụng cho nguyên liệu
khoáng sản
+ Quá trình tuyển khoáng không làm thay đổi bản chất của vật liệu
khoáng sản ( cấu trúc tinh thể , công thức hóa học) điểm này phân biệt
giữa tuyển khoáng và luyện kim hay hóa chất
+ Về bản chất quá trình tuyển khoáng là quá trình phân tách khoáng

vật, phân tách khoáng vật có ích và đất đá thải, giữa khoáng vật có ích
và khoáng vật có hại,giữa khoáng vật có ích với nhau.
Ứng dụng của vi sinh vật vào tuyển khoáng là sử dụng cá đặc tính có
thể phân tách, tích lũy kim loại của vi sinh vật vào các quá trình tuyển
khoáng.
Từ trước công nguyên, người La Mã đã sử dụng VSV trong khai thác
đồng từ dịch khoáng nhưng vẫn chưa biết đến sự tồn tại của nó.
Đến năm 1901, kĩ sư Seiko (Liên Xô) lần đầu tiên phát hiện ra sự tồn
tại của vi khuẩn trong các bẫy dầu ở vùng Bacu.
Năm 1947 lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn Thiobacillus
ferrooxidans từ nước thải hầm mỏ.

4
III CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
III.1 CÁC VI SINH VẬT THAM GIA
Đối với từng phương pháp tuyển khoáng khác nhau lại có những vi
sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình tuyển khoáng.
III.1.1 Ngâm chiết.
Các vi sinh vật tham gia vào quá trình này bao gồm những vi sinh vật
hóa dưỡng vô cơ bắt buộc hay tùy tiện hoặc vi sinh vật dị dưỡng .Các vi sinh
vật này có thể thuộc nhóm trung sinh hay ưa nhiệt và chúng chủ yếu là vi
khuẩn.
Thiobacillus ferrooxidans là vi khuẩn thường được nghiên cứu nhiều
nhất trong mối quan hệ với các biện pháp xử lí thủy luyện kim sinh học các
quặng và tinh quặng chứa sulfur.Thiobacillus ferrooxidans là một vi khuẩn
hình que, Gram âm, di động bằng tiêm mao, không hình thành bào tử. Đứng
một mình hay đôi khi thành từng cặp. Vi khuẩn hóa dưỡng vô cơ này thu
nhận năng lượng cần thiết cho sinh trưởng và đồng hóa CO
2
từ sự oxy hóa

Fe
2+
và các hợp chất lưu huỳnh vô cơ có tính khử.
Các vi khuẩn ngâm chiết khác bao gồm:
+ Leptospirillum ferroosidans lần đầu tiên được phân lập từ quặng sulfur
vàng. Nó có thể ngâm chiết pirit, có khả năng sinh trưởng tự dưỡng trên ion
Fe
2+.
+ Thiobacillus acidophilus có khả năng đối với cả sinh trưởng hóa tự dưỡng
lẫn sinh trưởng dị dưỡng.Vi khuẩn này oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố,
đường, acid amin và các axcid cacboxylic.
+ Thiobacillus thioporus có khả năng oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, tio
sulfat và nhiều loại sulfur kể cả sulfur kẽm.
+ Penicillium simplicissimum, beijerinckia.
+ Hàng loạt các vi sinh vật khác như nấm , tảo, động vật nguyên sinh cũng
có mặt trong sự sinh trưởng cộng sinh trong các dung dịch ngâm chiết tồn tại
trong tự nhiên.
III.1.2 Tích lũy kim loại nhờ vi khuẩn và tảo.
Các vi sinh vật bao gồm xạ khuẩn, vi khuẩn lam ,nấm sợi và nấm men
có khả năng tích lũy các kim loại nặng và các nuclide phóng xạ từ môi
trường ngoài. Đối với từng cơ chế tíchlũy khác nhau mà có sự tham gia của
các chủng vi sinh vật khác nhau.
Sự hấp phụ sinh học không phụ thuộc vào trao đổi chất:
5
+ Vi khuẩn và Vi khuẩn lam: được chia làm hai loại chính là các vi khuẩn
Gram dương và Gram âm.
+ Thành tế bào của các vi khuẩn Gram dương là các chất hấp thu kim loại có
hiệu quả dù phổ hấp thu của chúng có thể khá rộng. Các vi khuẩn Gram
dương như Bacillus megaterium,Micrococcus lysodeikticus, streptococcus
mutans, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Micrococcus luteus.

+ Phần vỏ của các vi khuẩn Gram âm có cấu trúc hóa học khác biệt rõ rệt
với thành tế bào vi khuẩn Gram dương. Chúng chứa hai lớp màng (màng
sinh chất và màng ngoài) khác nhau về bản chất hóa học và kẹp giữa chúng
là một lớp peptidoglycan mỏng nằm trong vùng không gian ngoại vi. Các vi
khuẩn loại này bao gồm : Bacillus subtilis,, Escherichia coli(E.coli).
+ Tảo:Ankistrodesmusbraunii, Chlorellavulgaris, Eremosphaeraviridis,
Scenedesmusobliquus.
Sự tích lũy nội bào phụ thuộc vào trao đổi chất.
+Vi khuẩn và Vi khuẩn lam: Bacillus subtilis, Escherichia coli(E.coli),vi
khuẩn lam Anabeana cylindrical,Anacystis nidulans,…
+Tảo: Chlorella pyrenoidosa, Stichococcus bacillaris.
III.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT TRONG QUÁ
TRÌNH TUYỂN KHOÁNG
Như chúng ta đã biết vi sinh vật có khả năng tồn tại với sự biến hóa
của nồng độ chất dinh dưỡng, nhất là các chất dinh dưỡng hạn chế. Tuy
nhiên sự sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn đối với các nhân
tố vật lý, hóa học của môi trường sống. Vi sinh vật tuyển khoáng có thể tồn
tại trong mội trường nhiệt độ và áp suất cao ( điều kiện nhiệt độ, áp suất của
các hầm mỏ nằm sâu trong lòng đất, chủ yếu là các vi sinh vật thiếu khí và kị
khí. Mặc dù có thể tồn tại trong môi trường này nhưng muốn các vi sinh vật
này tham gia vào quá trình tuyển khoáng cần một số điều kiện hóa-lý-sinh
nhất định.
III.2.1 Các điều kiện vật lý
+ Nhiệt độ: vi sinh vật tuyển khoáng có khả năng tồn tại và tham gia vào quá
trình tuyển khoáng ở nhiệt độ cao ( có thể lên đến 105˚C). Tuy nhiên một số
vi sinh vật giảm khá năng hoạt động ở nhiệt độ thấp. Vd: Chlorella
pyrenoidosa bị giảm khả năng hấp thụ tích cực Cd
2+
ở nhiệt độ khoãng 4˚C.
+ Ánh sáng: vi khuẩn và vi khuẩn lam có thể hoạt động ở mọi môi trường

ánh sáng, ngược lại một số loài tảo bị ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ tích
cực khi môi trường thiếu ánh sáng.
6
III.2.2 Các điều kiện hóa học
+ Độ pH: ở vi khuẩn và khuẩn lam độ pH có thể hoạt động thường nhỏ hơn
5( môi trường có tính acid ). Ở một số vi khuẩn pH tối ưu khoãng 1,7 đền
2,5.
+ Nồng độ các chất: vi sinh vật tuyển khoáng thường giảm khả năng hoạt
động tuyển khoáng khi nồng độ một số chất quá cao. Một số loài có khả
năng kháng với một số độc tố thường là kim loại nặng tuy nhiên khi nồng độ
độc tố quá cao, các vi sinh vật này có khả năng bất hoạt.
III.2.3 Các điều kiện sinh học
Vi sinh vật tuyển khoáng chỉ hoạt động tốt khi môi trường bị giới hạn dinh
dưỡng. dù cả vi sinh vật sống lẫn vi sinh vật chết đều có khả năng tham gia
tuyển khoáng nhưng khả năng hoạt động và cơ chế của chúng có nhiều điểm
không tương đồng.

IV.NGÂM CHIẾT SINH HỌC
IV.1 Các vi khuẩn ngâm chiết
Thiobacillus ferrooxidans là vi khuẩn thường được nghiên cứu nhiều
nhất trong mối quan hệ với các biện pháp xử lý thủy luyện sinh học các loại
quặng và tinh quặng chứa sulfur. Vi khuẩn hóa dưỡng vô cơ này thu nhận
năng lượng cần thiết cho sinh trưởng và đồng hóa CO
2
từ sự oxi hóa Fe
2+
và
các hợp chất lưu huỳnh vô cơ có tinh khử.
Thiobacillus ferrooxidans
T.ferrooxidans giống với Thiobicacillus thiooxidans là loại vi khuẩn

thường có mặt trong các loại nước khai mỏ có tính acid.
7
Thiobacillus thiooxidans
Leptospirillum ferrooxidans lần đầu tiên phân lập được quặng sunfua
vàng. Nó có thể ngâm chiết pirit, có khả năng sinh trưởng tự dưỡng trên ion
Fe
2+
và mẫn cảm với sự kìm hãm bởi ion Fe
3+
.
Leptospirillum ferrooxidans
Sunfobacillus acidocaldarius được phân lập từ các suối nước nóng có
tính acid. Nó sinh trưởng hóa tự dưỡng với các cơ chất là lưu huỳnh, các hợp
chất khử lưu huỳnh và Fe
2+
.
8
Sunfobacillus acidocaldarius
Thiobacillus kabobis và Thiobacillus organooprus oxy hóa lưu huỳnh
nguyên tố và sinh trưởng ở pH 1,5-5,0.
Thiobacillus kabobis
Thiobacillus thioporus oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, tio sulfat và
nhiều loại sulfur kể cả sulfur kẽm.
Thiobacillus acidophilus có khả năng đối với cả sinh trưởng hóa tự
dưỡng lẫn sinh trưởng dị dưỡng. Nó được phân lập từ một môi trường nuôi
T.ferrooxidans. Vi khuẩn này oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố, đường, acid
amin và các acid cacbocylide ở pH 3,0-3,5.
IV.2 Cơ chế tác động của vi khuẩn:
Sự chiết kim loại ra khỏi quặng chứa sulfur có thể đạt được nhờ các
phương thức trao đổi chất trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật.

Cơ chế trực tiếp:
Cơ chế trực tiếp có thể biểu diển bằng phương trình sau:
Vi khuẩn
MS + 2O
2
MSO
4
Trong đó M là kim loại hóa trị hai.
Trong sự oxy hóa trực tiếp các sulfur kim loại, MS là sự hòa tan cơ
chất trước khi xảy ra sự trao đổi chất. Điều này có thể đạt được nhờ sự phân
ly của MS:
MS + M
2+
S
2-
9
Anion sulfur được giải phóng ra sau đó sẽ lập tức được liên kết với hệ
thống enzim của vi khuẩn và bị oxy hóa thành sulfat:
Vi khuẩn
S
2-
+ 0
2
SO
4
2-
Vì vậy, anion sulfur bị loại khỏi phương trình và cân bằng sẽ chuyển
về phía bên phải gây ra một sự hòa tan mạnh hơn. Về mặt lý thuyết quá trình
này có thể tiếp tục đến khi toàn bộ cơ chất ( MS) được chuyển hóa thành sản
phẩm (MSO

4
). Tuy nhiên, trong hệ thống không liên tục sự tích lũy các sản
phẩm có thể đạt tới một nồng độ trở nên độc dối với vi sinh vật hoặc hidroxi
sulfat Fe
3+
sẽ kết tủa trên bề mặt của cơ chất làm cản trở hoạt động của vi
khuẩn. Sơ đồ này giải thích tại sao vi sinh vật này lại ưa ở ngay sát bề mặt
khoáng vật. Hơn nữa người ta phát hiện một mối quan hệ trực tiếp giữa tốc
độ chiết kim loại ( dM
2+
/dt) độ hòa tan sản phẩm của các khoáng vật sulfur
(K
sp
):
dM
2+
/dtK
sp
= αK
sp
= α[M
2+
][S
2-
]
trong đó α là hệ số tỷ lệ thuận. Theo công thức trên, tốc độ chiết kim loại là
cao nhất khi độ hòa tan sản phẩm của khoáng vật sulfur của nó là cao nhất.
Cơ chế gián tiếp:
Fe
3+

được tạo thành bởi vi sinh vật sẽ đóng vai trò làm chất oxy hóa mạnh
làm tan nhiều loại quặng khác nhau trong cơ chế gián tiếp.
Ví dụ đối với quá trình ngâm chiết quặng Uranium:
UO
2
+ Fe
2
(SO4)
3
UO
2
SO
4
+ 2FeSO
4
Fe
2+
được sinh ra trong phương trình kia sẽ được tái oxi hóa bởi các vi khuẩn
thành Fe
3+
theo phương trình sau:
Vi khuẩn
2FeSO
4
+ H
2
SO
4
+ 0,5 O
2

Fe
2
(SO4)
3
+ H
2
O
Vì vậy, trong phương thức áp dụng gián tiếp của vi khuẩn, vai trò của
vi khuẩn là cung cấp một cách liên tục chất oxy hóa, Fe2(SO4)3, một nhân
tố oxy hóa mạnh. Fe
2+
sẽ thu được từ sự oxy hóa sinh học pirit là chất luôn
luôn kết hợp với các sulfur và quặng Uranium:
Vi khuẩn
2FeS
2
+ H
2
O + 0,5 O
2
Fe
2
(SO
4
)
3
+ H
2
SO
4

10
Mô hình sử dụng Uranium. Trong đó vi sinh vật tham gia vào 3 giai đoạn:
xử lý quặng, xử lý nhiên liệu bị phát xạ và xử lý phế liệu.
IV.3 Ngâm chiết sinh học quặng đồng:
Hiện tại, khoảng 25% toàn bộ sản lượng đồng ở miền Tây nước Mỹ
được sản xuất nhờ vi khuẩn học các loại quặng nghèo. Ngày nay, tất cả các
11
nước sản xuất đồng đều sử dụng phương pháp ngâm chiết chất đống liên
hiệp hoặc ngâm chiết tại chỗ để bổ sung vào hoạt động khai mỏ và/hoặc chế
biến quặng.
mỏ đồng Kennecott (Bingham canyon) nơi có hàm lượng đồng rất
thấp (< 0,4%) và sử dụng công nghệ ngâm chiết sinh học
Các loại quặng đồng:
Các loại khoáng vật sulfur đồng khác là bocnit ( Cu
5
FeS
4
), cubanit
(CuFe
2
S
3
), enacgit (Cu
3
AsS
4
). Tất cả các khoáng vật này đều được oxy hóa
nhờ vi khuẩn.
12
Quy trình:

Việc ngâm chiết công nghiệp theo kiểu chất đống thường được tiến hành ở
gần các điểm khai thác để giảm tối đa giá thành vận chuyển. Quặng nghèo
được vận chuyển bằng xe tải hoặc băng chuyền tới một vị trí không thấm rồi
đổ thành các đống có dạng hình nón cụt. Đa số các đống quặng được tạo
dựng dựa vào các địa hình tự nhiên.
Các đống quặng lớn có thể hơn tới 200m, rộng khoáng 80m ở phía
đỉnh và 250m ở phía đáy và sức chứa tới 50000 – 300000 tấn quặng. Dung
dịch ngâm chiết được phun lên phần đỉnh của các đống. Nó thấm qua phần
thân đống và tích lại ở chân đống. Đồng được thu hồi từ dung dịch nhờ
xementit hóa với sắt ( trong quá trình này, đồng được kết tủa dưới dạng kim
loại trong khi sắt được hòa tan : Cu
2+
+ Fe
0
Cu + Fe
2+
) hoặc
bằng cách chiết chọn lọc thành một dung môi hữu cơ bằng acid Sulfuride
loãng để tạo ra một dung dịch sulfade đồng đậm đặc và tinh khiết, từ đó nó
được kết tủa nhờ điện phân.
Các đống quặng
13
Dung dịch ngâm chiết được phun lên phần đỉnh của các đống
14
H
2
SO
4
H
2

SO
4

Đống
Quặng nghèo quặng nghèo
Đồng ximentit
(85%)
Đồng catot
(99,9%)
Sơ đồ ngâm chiết quặng đồng
Các đường chấm chấm được áp dụng trong trường hợp đồng được thu hồi từ
dung dịch sau ngâm chiết nhờ xementit hóa với sắt phế liệu.
Trong các xí nghiệp hiện đại, đồng được thu hồi nhờ phương pháp
chiết nhờ dung môi và tách nhờ điện phân.
Nói chung đồng xementit chứa khoảng 85% đồng, nó được trộn với
tinh quặng tuyển nổi và được đưa vào nồi nấu kim loại trong bước thu hồi
cuối cùng. Đồng thu được nhờ phương pháp tách chiết bằng dung môi - điện
phân tinh khiết tới 99,9% và đầy đủ tiêu chuẩn để đưa ra thị trường.
Các phương trình hóa học:
Phản ứng tổng thể của sự ngâm chiết chancopirit diễn ra như sau:
Vi khuẩn
2CuFeS
2
+ 8,5 O
2
+ H
2
SO
4
2 CuSO

4
+ Fe
2
SO
4
+ H
2
O
15
Dịch sau ngâm chiết
Chiết bằng dung môiXimentit hóa
Thu hồi nhờ điện
Phản ứng trên về bản chất mang tinh điện hóa và dựa trên sự oxi hóa
anot chancopirit và sự khử catot oxi. Bằng cách sử dụng tinh quặng tuyển
nổi, đã thu được một tốc độ tách đồng đạt tới 200-500 mg/dm
3
/giờ. Tuy
nhiên trong trường hợp sử dụng tinh quặng tuyển nổi CuFeS
2
bào mon người
ta đã được trên 1600 mg/dm
3
/giờ. Đây là giá trị cao nhất đạt được cho đến
nay đối với hoat động trao đổi chất của vi sinh vật. Chancopirit, một trong
những quặng đồng sulfur quan trọng nhất, được hòa tan nhờ vi khuẩn theo
phương trình:
Vi khuẩn
Cu
2
S + 2,5 O

2
+ H
2
SO
4
2CuSO
4
+ H
2
O
Tuy nhiên, phản ứng này diển ra trong hai bước:
Bước 1:
Vi khuẩn
Cu
2
S + 0,5 O2 + H
2
SO
4
CuS + CuSO
4
+ H
2
O
Bước 2:
Vi khuẩn
CuS + 2 O
2
CuSO
4

Đồng được thu hồi từ dung dịch nhờ xementit hóa với sắt:
CuSO
4
+ Fe Cu↓ + FeSO
4
16
quá trình ngâm chiết KL quý
V CƠ CHẾ TÍCH LŨY KIM LOẠI
V.1 Tổng quan về sự tích lũy kim loại ở vi sinh vật
Có nhiều loại vi sinh vật có khả năng biến đổi phân tách và tích lũy
các kim loại nặng cũng như các nuclide phóng xạ ( đồng vị phóng xạ ) từ
môi trường ngoài. Các vi sinh vật này có thể là nấm men, nấm sợi, xạ
khuẩn, khuẩn lam, tảo và một số loại vi khuẩn khác. Vi sinh vật thông qua
nhiều phản ứng khác nhau tạo thành nhiều loại trầm tích và các khoáng vật
sa lắng.
17
Một số vi khuẩn có khả năng tích luỹ kim loại
1. B.megaterium; 2. Streptococcus mutans; 3. Micrococcus lysodeikticus
Các cơ chế tham gia vào quá trình tích lũy kim loại này là những mối
tương quan lý-hóa như hấp phụ và kết tủa, các quá trình vận chuyển và trao
đổi chất của tế bào vi sinh vật. Cả tế bào sống lẫn tế bào chết đều có khả
năng hấp thu và tích lũy kim loại do vậy các sản phẩm tạo ra từ quá trình
này sẽ là bản thân các tế bào vi sinh vật hoặc các chất bắt nguồn từ các tế
bào như các sản phẩm tiết của trao đổi chất, các polysaccharide, các cấu tử
của thành tế bào vi sinh vật… Số lượng kim loại tích lũy được có thể rất lớn
và gấp nhiều lần lượng có trong tế bào vi sinh vật.
Các quá trình tích lũy kim loại này có ý nghĩa công nghiệp và môi
trường vì sự loại bỏ các kim loại nặng và các nuclit phóng xạ có nguy cơ
tiềm tàng trong nước thải công nghiệp và các loại nước thải khác nhờ vào
sinh khối vi sinh vật có thể dẫn đến việc loại bỏ được độc chất đồng thời thu

hồi được các nguyên tố kim loại có giá trị kinh tế cao như vàng hoặc bạc sau
khi đã xử lý thích hợp nguồn sinh khối đó.Và trong thực tế, con người đã lợi
dụng khả năng này để làm sạch nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng và
tận dụng lại nguồn kim loại này.
18
Nhiều kim loại nặng ở nồng độ thấp như Sắt(Fe), Đồng(Cu),
Kẽm(Zn), Mangan(Mn)… là các nguyên tố không thể thiếu đối với sinh
trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật. Một số kim loại khác như Vàng(Au),
Bạc(Ag), chì(Pb)…lại không có chức năng sinh học. Đặc tình của các kim
loại này và các kim loại họ hàng khác là chúng có thể rất độc với các tế bào
sống. Do đó, nếu sử dụng các tế bào sống cho một hệ thống loại kim loại thì
độc tính có thể dẫn đến hiện tượng đầu độc và bất hoạt. Tuy nhiên có thể
khác phục đặc tính này bằng cách tách biệt quá trình nhân giống vi sinh vật
với quá trình tiếp xúc kim loại hoặc sử dụng các chủng vi sinh vật co khả
năng chống chịu với kim loại ở nồng độ cao. Việc sử dụng sinh khối chết và
các sản phẩm từ sinh khối chết sẽ loại trừ vấn đề độc tính không những của
các kim loại hòa tan mà còn của các điều kiện vận hành và bảo dưỡng bất
lợi, kể cả sự cung cấp chất dinh dưỡng. Tuy nhiên, tế bào vi sinh vật có thể
tiến hành nhiều cơ chế tích lũy kim loại như vận chuyển, tạo các phức chất
ngoại bào hoặc dạng kết tủa. Ngoài ra tính chống chịu và đề kháng với các
độc chất là những đặc điểm rất thường gặp ở hầu hết các vi sinh vật.
V.2 Cơ chế tích lũy kim loại nhờ vi sinh vật
Cơ chế tách kim loại nặng và các nuclide phóng xạ có rất nhiều bao
gồm các mối tương hỗ hóa-lý thuần túy như quá trình hấp phụ kim loại lên
thành tế bào hoặc lên các thành khác của tế bào,quá trình trao đổi chất như
vận chuyển, tạo khoang nội bào và kết tủa ngoài bào nhờ các sản phẩm sinh
ra từ quá trình trao đổi chất. Tùy theo loại vi sinh vật, cơ thể mà khả năng và
cơ chế hấp thu tích lũy kim loại có thể khác nhau rất nhiều dù có những đặc
điểm chung. Cả tế bào sống và tế bào chết đều có khả năng tích lũy kim loại
tuy nhiên cơ chế của chúng khác nhau ở từng trường hợp.

Sự tích lũy kim loại ở vi sinh vật có thể chia thành hai giai đoạn
chính. Giai đoạn một là quá trình liên kết hoặc hấp thu không phụ thuộc vào
quá trình trao đổi chất với thành tế bào và các bề mặt ngoài khác, thường
diễn ra nhanh không tiêu tốn năng lượng và có thể diễn ra ở cả tế bào sống
và tế bào chết. Giai đoạn hai là sự vận chuyển và tích lũy kim loại vào bên
trong tế bào, diễn ra chậm, tiêu tốn năng lượng và phụ thuộc vào quá trình
trao đổi chất qua màng tế bào. Có thể quan sát được rõ ràng hai giai đoạn
này trong phòng thí nghiệm ngắn hạn với điều kiện các huyền dịch tế bào
tảo, vi khuẩn dị dưỡng và nấm men được cung cấp một nguồn năng lượng và
sự sinh trưởng mạnh không diễn ra. Một số trường hợp sự hấp thu nội bào là
kết quả của quá trình thẩm thấu và khuếch tán do việc tăng tính thấm của
màng tế bào gây ra, đặc biệt nếu độc tính được biểu hiện. Hai giai đoạn này
có thể không quan sát được ở tất cả các vi sinh vật, đối với các nguyên tố
như chì(Pb) Uranium(U)… thì hầu như sự tích lũy trong các tế bào sống hay
các tế bào chết đều có liên quan đến hiện tượng bề mặt mà ít hoặc không
19
liên quan đến hiện tượng hấp thu nội bào ( trừ trường hợp nhờ khuếch tàn).
Do các trạng thái trao đổi chất bổ sung trong các tế bào đang sinh trưởng
mà một trong hai giai đoạn này có thể được tăng cường hoặc che khuất,
chẳng hạn do những thay đổi về bản chất hóa học của môi trường và sự tiết
các chất có khả năng tạo phức chất hoặc kết tủa kim loại.
V.2.1 Giai đoạn một: sự hấp phụ sinh học không phụ thuộc vào trao đổi
chất
Hấp phụ là quá trình tích lũy hay sự tập trung các chất (chất bị hấp
phụ) lên một bề mặt hoặc mặt phân pha (chất hấp phụ), hấp thụ xảy ra khi
các nguyên tử hay các phân tử của một pha xâm nhập gần như đồng đều vào
trong các nguyên tử, phân tử của các pha khác. Có 3 kiểu hấp phụ chính ở vi
sinh vật. Kiểu thứ nhất thường được gọi là sự hấp phụ “ trao đổi” do lực hấp
dẫn điện gây ra. Đối với các tế bào vi sinh vật loại hấp phụ này thường được
định nghĩa đơn giản là sự hấp dẫn của các ion tích điện dương (cation) đối

với các phối tử tích điện âm trong nguyên liệu tế bào. Loại hấp phụ thứ hai
được gọi là sự hấp phụ “vật lý” hay sự hấp phụ “lý tưởng” bao gồm các lực
van der Waal- là loại lực phân tử sinh ra từ sự phân cực của phân tử, trong
đó các phân tử được hấp phụ có thể có sự dịch chuyển bên trong mặt phân
pha. Loại hấp phụ thứ ba là lực hấp dẫn hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ, được gọi là sự hấp phụ “hóa học” hay sự hấp phụ “hoạt hóa”. Nói
chung khó có thể tách biệt giữa sự hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học và đa
số các loại hấp phụ đều bao gồm cả ba dạng trên, ngoài ra còn có thể bao
hàm cả sự kết tinh và các dạng kết tủa khác.
“Hấp thu” ( sorption) là thuật ngữ dùng để chỉ một quá trình trong đó
một thành phần chuyển dịch từ một pha này sang một pha khác, thường là
một pha khác. Hấp thu có thể bao gồm cả hấp thụ và hấp phụ. “Hấp thu sinh
học” là thuật ngữ dùng để mô tả những mối tương quan hóa-lý không định
hướng có thể tồn tại giữa các loại kim loại, nuclide phóng xạ và các thành
phần của tế bào.
V.2.2 Giai đoạn 2: Sự tích lũy nội bào phụ thuộc vào trao đổi chất
Sự hấp thu các các ion kim loại phụ thuộc vào trao đổi chất diễn ra
chậm hơn so với quá trình hấp phụ. Nó bị ức chế bởi nhiệt độ thấp, sứ vắng
mặt của một nguồn năng lượng hoặc bởi với các chất kìm hãm trao đổi chất
(như glucoza đối với vi sinh vật dị dưỡng, ánh sáng với vi sinh vật quang tự
dưỡng). Tốc độ hấp thu bội bào còn phụ thuộc vào trạng thài sính lý của tế
bào, bản chất và thành phần của môi trường sinh trưởng. Những kim loại
không thể thiếu đối với sinh trưởng và trao đổi chất như Fe,Cu,Zn, Vi sinh
vật có một hệ thống vận chuyển mang tính đặc hiệu khác nhau đối với sự
tích lũy kim loại của vi sinh vật từ môi trường ngoài. Các kim loại không
cần thiết cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất cũng có thể được hấp thu
20
qua các hệ thống tương tư như vậy. Vd: Cd thường được nhận vào một hệ
thống vận chuyển Mn ở một số vi khuẩn, tào, nấm.
Lượng kim loại tích lũy được nhờ sự vận chuyển năng lượng có thể

vượt hơn rất nhiều so vời lượng hấp thu nhờ quá trình lý-hóa. Tuy nhiên có
một số trường hợp các loại nấm sợi và các vi sinh vật tiết ra các
polysaccharide ngoại bào hay các chất nhầy, khả năng hấp hấp phụ sinh học
cao đã lấn át đi sự hấp thu nội bào.
Một số trường hợp đặc biệt khi quá trình hấp thu nội bào không liên
quan đến trao đổi chất, quá trình này thường dẫn tới sự tạo thành các kết tủa
nội bào đậm đặc.
V.3 Sự tích lũy kim loại ở vi khuẩn ( kể cả khuẩn lam)
V.3.1 Giai đoạn một
Thành tế bào của các vi khuẩn Gram dương hấp thu kim loại có hiệu
quả tuy rằng phổ hấp thu của chúng có thể khá rộng. Đối với B.megaterium,
Micrococcus lysodeikticus, và Streptococcus mutans sự liên kết kim loại
được xếp theo thứ tự sau đây: La
3+
>Cd
2+
>Sr
2+
>Ca
2+
> K
+
> Na
+
. Thành tế
bào của Bacillus subtilis có ái lực chọn lọc đối với một số cation và dường
như rằng nhóm –COO của acid glutamic trong peptidoglycan là vị trí chủ
yếu đối với sự kết tủa kim loại. Ở Bacillus licheniformis các acid teicoic va
teicuronic là những là những vị trí liên kết kim loại đầu tiên nằm trong
thanh, điều này không gặp ở Bacillus subtilis. Sự cạnh tranh giữa các kim

loại khác nhau với các vị trí liên kết trên thành tế bào cho giả thiết rằng các
cation đã được tạo phức chất bởi các vị trí giống nhau. H
+
cũng tham gia
cạnh tranh với các cation kim loại do ái lực của thành tế bào với các kim loại
giảm khi nồng độ H
+
tăng.
Quá trình liên kết kim loại có ít nhất hai giai đoạn, giai đoạn kết hợp của các
nhóm phản ứng với ion kim loại và giai đoạn kết tủa của các muối kim loại
tăng về số lượng. Kết quả là có sự tích lũy kim loại với lượng lớn hơn so với
phép tính tỷ lượng chứng tỏ hấp thu sinh học không chỉ bao gồm trao đổi
ion.
Phần vỏ của các vi khuẩn Gram âm có cấu trúc hóa học khác biệt rõ rệt với
thành tế bào của các vi khuẩn gram dương. Chúng có hai lớp màng ( màng
sinh chất và màng ngoài) khác nhau về bản chất hóa học và kẹp giữa chúng
là một lớp trong peptidoglycan mỏng nằm trong vùng không gian ngoại vị.
Tế bào E. coli ở trạng thái nghỉ ngơi,sự hấp thu Cu là một quá trinh hai pha
do có hai kiểu vị trí liên kết. Hầu hết các kết tủa kim loại xẩy ra ở các vùng
đầu phân cực của màng hoặc dọc theo lớp peptidoglycan. Ở E. coli, thứ tự ái
lực kim loại:
Zn
2+
= Cd
2+
> Mn
2+
= Co
2+
= Ni

2+
> Mg
2+
= Ca
2+
21
Sự giới hạn về chất dinh dưỡng có thể ảnh hưởng tới thành phần tế bào. Khi
nguồn dinh dưỡng bị giới hạn thì ở cà vi khuẩn gram âm và vi khuẩn Gram
dương sự hấp thu tăng lên theo trật tự C < Mg < N < K, còn S và P thì chiếm
vị trí khác nhau tùy loài.
Các nuclide phóng xạ có thể được liên kết mạnh bởi vi khuẩn. Ngưới
ta cho rằng các gốc photphodieste là các vị trí liên kết UO
2
2+
chủ yếu. Sự
hấp thu nuclide phóng xạ phụ thuộc vào nồng độ bên ngoài và độ pH. Sự có
mặt của các cation kim loại khác như Fe2+, Fe3+, Nì+,… ở nồng độ
1mmol/l hầu như không ảnh hưởng tới sự hấp thụ và liên kết cua nuclide
phóng xạ với các bộ phận của thành tế bào và màng tế bào. Hầu hết nuclide
phóng xạ được hấp thu đã được tìm thấy bên trong tế bào. Một số vi khuẩn
có thể hấp thu nuclide phóng xạ từ nước biển, sự hấp thu này chịu sự chi
phối của độ pH, bị ức chế bởi CO
3
2-
và sự tăng sinh khối.
V.3.2 Giai đoạn hai
Người ta đã phát hiện được các hệ thống vận chuyển đặc hiệu đối với
Mn
2+
ở một số vi khuẩn như E. coli, B. subtilis và Lactobacillus plantarum.

Ngoài ra, Mn
2+
cũng như (Ni
2+
và Co
2+
) có thể được hấp thu như là một cơ
chất có ái lực thấp của hệ thống vận chuyển Mg
2+
. Ở L.plantarum, sự vận
chuyển Mn
2+
phụ thuộc vào gradien H+ xuyên màng và người ta đã phát
hiện được các nồng độ nội bào của kim loại này cao tới 30mmol/l.
Ở một số vi khuẩn một vài kim loại không có chức năng sinh học và
đôc hại dối với tế bào vi sinh vật thường không có riêng một hệ thống vận
chuyển đặc hiệu và bị kìm hãm cạnh tranh với bởi các kim loại khác. Ngược
lại kim loại có chức năng sinh học đối với vi khuẩn sẽ có ái lực cao có tính
đặc hiêu cao, điều này đã được chứng minh ở E.coli, Bacillus megaterium
với sự vận chuyển theo cơ chế đặc hiệu với Mg
2+
Ở vi khuẩn lam Anabaena cylindrica người ta đã ghi nhận được hệ
thống vận chuyển Ni
2+
có tính đặc hiệu cao. Niken được tập trung nhiều hơn
khoảng 2.700 lần ở bên trong tế bào và sự hấp thu phụ thuộc vào hiệu thế
của màng và bị kìm hãm trong bóng tối hoặc bởi các chất kìm hãm trao đổi
chất. Sự hấp thu tích cực Cd
2+
cũng được phát hiện ở Anacystis nidulans và

quá trình này bị kìm hãm cạnh tranh bởi Ca
2+
và Zn
2+
.
22
Vi khuẩn lam Anabaena cylindrica (trên); Anacystis nidulans (dưới)
V.4 Sự tích lũy kim loại nhờ tảo
V.4.1 Giai đoạn một
Sự tích lũy kim loại và các nuclit phóng xạ không phụ thuộc vào trao
đổi chất do tảo thực hiện thường xảy ra nhanh, thuận nghịch, và thường
được hoàn thành trong vòng 5-10 phút. Tuy nhiên, độc tính và sự chết của tế
bào có thể dẫn đến sự hấp thu nội bào không đặc hiệu.
Tỷ lệ hấp thu sinh học trên hấp thu toàn phần và năng lực hấp thu có
thể dao động giữa các loài tảo khác nhau. Ở Ankistrodesmus braunii và
Chlorella vulgaris, sự liên kết cađimi lên thành tế bào có thể chiếm tới 80%
hấp thu toàn phần. Ở C. vulgaris sự hấp thu sinh học là thành phần hấp thu
23
chủ yếu đối với rất nhiều loại kim loại khác nhau kể cả uranium. Tuy nhiên,
ở Eremosphaera viridis sự hấp thu nội bào lại chiếm phần lớn trong hấp thu
toàn phần.
Giống với các nhóm vi sinh vật khác, nhiều vị trí tiềm tàng nằm trên
thành tế bào của tảo và các khuôn ngoại bào. Các thành phần cấu trúc bao
gồm các polysaccharide, clellulosa, axit uronic, và các protein. Cả hai loại
liên kết ion và liên kết cộng hóa trị đều tham gia vào việc hấp thu sinh học
lên các protein và các polysaccharide quan trọng. Liên kết cộng hóa trị có lẽ
xảy ra với các nhóm amin và các cacbonyl. Ở Scenedesmus obliquus thành
tế bào hoạt động như một chất trao đổi cation axit yếu mặc dầu cađimi chẳng
hạn có thể được tích lũy trên thành tế bào của S. obliquus dưới dạng các
phức chất trung tính. Hiện tượng này có thể xảy ra trong môi trường nước

biển là nơi cađimi tồn tại dưới dạng CdCl
3
và CdCl
2
.
Sự hấp thu sinh học các kim loại nặng và các nuclide phóng xạ nhờ
nhiều loại tảo nước ngọt và tảo biển có thể được biểu diễn bằng các đường
đẳng nhiệt Freundlich hoặc Langmuir thể hiện một nối tương quan theo cân
bằng tuyến tính giữa nồng độ kim loại trong dung dịch và nồng độ kim loại
liên kết với bề mặt tế bào. Đối với Chlorella vulgaris năng lực của tế bào
sống đối với việc liên kết được sắp xếp theo thứ tự sau đây: UO
2
2+
> Cu
2+
>
Zn
2+
> Ba
2+
= Mn
2+
> Co
2+
= Cd
2+
> Ni
2+
= Sr
2+

trong khi đó ở các tế bào chết,
trật tự tương đối lại là UO
2
2+
> Cu
2+
> Mn
2+
> Ba
2+
> Zn
2+
> Co
2+
> Cd
2+
> Ni
2+
> Sr
2+
. Ở thành tế bào của Vaucheria trật tự của sự tích lũy là Cu
2+
> Sr
2+
>
Zn
2+
> Mg
2+
> Na

2+
trong khi ở nhiều loại tảo biển trật tự lại là Hg
2+
> Ag
2+
>
Zn
2+
> Cd
2+
. Au
3+
,

Au
+
và các phức chất khác nhau của vàng có thể được
liên kết chặt chẽ với sinh khối tảo và nồng độ vàng có thể đạt tới 10% trọng
lượng khô của tế bào. Các thí ngiệm đã cho thấy Au
3+
đã được khử thành
Au
+
và sau đó thành vàng nguyên tố có khích thước của các hạt keo.
Sự hấp thu sinh học có thể bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các cation
khác hoặc proton. Ca
2+
, Mg
2+
, Na

+
, Mn
2+
, Zn
2+
, Co
2+
và Ni
2+
làm chậm sự hấp
thu Cd
2+
ở Chlorella regularis, nhưng K
+
thì không, trong khi đó Cd
2+
, Cu
2+
,
Zn
2+
và Mn
2+
nói chung bị giảm ở pH thấp, song riêng ở C. vulgaris Au
3+
,
Ag
+
và Hg
2+

có thể được hấp thu mạnh ở pH 2. Một biến số khác ảnh hưởng
tới sự hấp thụ sinh học là mật độ tế bào và cũng như ở các sinh vật khác, một
sự giảm về sự hấp thu riêng phần ở tế bào thường tỷ lệ thuận với sự gia tăng
nồng độ sinnh khối.
Sự hấp thu sinh học uranium và các nuclide phóng xạ khác nhờ tảo
đang rất được quan tâm. Dường như các mối tương quan lý-hoá chiếm phần
lớn hấp thu toàn phần. Ở Chlorella regularis sự hấp thu urani diễn ra tối ưu ở
pH 5 và bị làm chậm lại bởi các ion PO
4
3-
, CO
3
2-
, và HCO
3
-
nhưng không bị
ảnh hưởng bởi Na
+
, K
+
, NH
4
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Mn
2+

, Co
2+
, Ni
2+
, Zn
2+
, NO
3
-
hoặc
24
SO
4
2-
, UO
2
OH
+
là các ion chủ yếu được hấp thu vào để trao đổi với các
proton. Có rất ít uranium được hấp thu từ nước biển, điều này trái ngược với
nước ngọt và nước biển đã loại CO
2
. Người ta cho rằng sở dĩ như vậy là vì
có sự can thiệp của CO
3
2-
, ion này gây nên sự tạo thành các phức chất
UO
2
(CO

3
)
2
2-
và UO
2
(CO
3
)
3
4-
không hấp thu bởi tế bào. Tất cả các chi tảo
nước ngọt Chlorella, Scenedesmus, và Chlamydomonas sp đều có khả năng
hấp thu những số lượng lớn uranium. Hàng loạt tảo biển, trong đó có
Dunaliella và khuê tảo Thalassiosira có khả năng tích lũy thụ động
americani, polonium, chì, plutonium và califonium với các hệ số nồng độ
nằm trong khoảng 5 x 10
3
tới 4 x 10
5
. Tảo lục có bề mặt phản ứng thấp hơn
so với khuê tảo.
V.4.2 Giai đoạn hai
Sự hấp thu kim loại nội bào ở tảo đôi khi được gọi là pha hấp thu
“chậm” để phân biệt với pha hấp thu “nhanh” dùng để chỉ liên kết không
phụ thuộc vào trao đổi chất. Người ta đã chứng minh được rằng hấp thu
“chậm” có thể do hiệu quả đồng thời của sinh trưởng và hấp thu bề mặt gây
ra. Tuy nhiên các nghiên cứu sâu hơn đã chỉ ra rằng pha chậm không phải là
hậu quả của sự xuất hiện các vị trí liên kết mới trên bề mặt tế bào hay của
bất kỳ một sự tăng ái lực nào của các vị trí có sẵn, và trong nhiều trường hợp

là một pha hấp thu tích cực.
Sự hấp thu tích cực các cực kim loại ở tảo rất mẫn cảm với sự thiếu
ánh sáng, sự có mặt của các chất kìm hãm trao đổi chất và phụ thuộc vào
nhiệt độ. Sau quá trình hấp thu tích cực, nồng độ nội bào có thể lớn hơn tới
vài nghìn lần so với bên ngoài. Ở Chlorella pyrenoidosa sự hấp thu tích cực
Cd
2+
không bị tác động bởi Ca
2+
, Mg
2+
, Cu
2+
, Zn
2+
hay Co
2+
, nhưng bị kìm
hãm cạnh tranh bởi bóng tối ở 4
0
C hoặc ở các tế bào chết. Mn
2+
là một chất
kìm hãm cạnh tranh đối với sự hấp thu Cd
2+
ở C. pyrenoidosa và
Stichococcus bacillaris, và có thể rằng các ion này được thu nhận vào cùng
nhờ một cơ chế. Sự vận chuyển Cd
2+
ở C. bacillaris bị giảm đi ở pH thấp có

thể là do sự giảm tương ứng của điện thế màng.
Trong một số trường hợp các chủng tảo đề kháng hấp thu ion kim loại ít hơn
so với các chủng mẫn cảm. Hiện tượng này gặp ở các chủng Chlorella
vulgaris chịu đồng, được vận hành một cơ chế loại bỏ các chất khỏi tế bào.
Tuy nhiên, một chủng chịu đồng và niken thuộc loài Scenedesmus
acutiformis lại hấp thu vài nghìn ug Cu trên một gam trọng lượng khô và
vẫn còn sinh trưởng, trong khi đó một chủng mẫn cảm đã chết ở nồng độ
650 ug/g
V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Vai trò của vi sinh vật trong công nghệ tuyển khoáng rất quan trọng.
25