Phân lập vi khuẩn oxi hóa sắt ưa axit (FOB) phục vụ cho công nghệ tuyển khoáng sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

NGUYỄN VĂN HƢNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN OXY HÓA SẮT ƢA AXIT
(FOB) PHỤC VỤ CHO CÔNG NGHỆ
TUYỂN KHOÁNG SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

NGUYỄN VĂN HƢNG

PHÂN LẬP VI KHUẨN OXY HÓA SẮT ƢA AXIT
(FOB) PHỤC VỤ CHO CÔNG NGHỆ
TUYỂN KHOÁNG SINH HỌC
Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 60420107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. Đinh Thúy Hằng
PGS. TS. Ngô Tự Thành

Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian hai năm nghiên cứu tại phòng Sinh thái Vi sinh vật - Viện Vi
sinh vật và Công nghệ sinh học - Đại học Quốc gia Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn
thành luận án thạc sỹ với tiêu đề ―Phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit (FOB) để
phục vụ cho công nghệ tuyển khoáng sinh học‖. Tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận
tình chu đáo của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học công tác tại Viện Vi sinh vật
và Công nghệ sinh học và Trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQGHN.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Đinh Thúy Hằng, trƣởng
phòng Sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và CNSH – ĐHQGHN và PGS.TS.
Ngô Tự Thành, cán bộ công tác tại Bộ môn Vi sinh vật học, trƣờng Đại học Khoa
học Tự nhiên – ĐHQGHN là những ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, động viên,
giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện và các cán bộ công tác tại viện
Vi sinh vật và CNSH đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt nghiên cứu của mình.
Tôi cũng vô cùng biết ơn các thầy cô Bộ môn Vi sinh vật học và Khoa Sinh học –
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã nhiệt tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến
thức quý báu và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp tại
Phòng Sinh thái vi sinh vật đã luôn khích lệ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và
trong cuộc sống.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Văn Hƣng


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
At. ferridurans

Acidithiobacillus ferridurans

At. ferrivorans

Acidithiobacillus ferrivorans

At. ferrooxidans

Acidithiobacillus ferrooxidans

BacTech

Bacterial Technology

BIOX

Biological Oxidation

CI

Chloroform Isoamyl Alcohol

DGGE

Denaturing Gradient Gel Electrophoresis

EDTA

Ethylenediaminetetraacetic acid

EDX

Energy Dispersive X-Ray Analysis

FEMS

Federation of European Microbiological Societies

FISH

Fluorescence in situ hybridization

FOB

Ferrous Oxidizing Bacteria

HIOX

High Temperature Bacterial Oxidation

IAEA

International Atomic Energy Agency

MIT

Massachusetts Institute of Technology

LE

Leaching Experiment

L. ferriphylum

Leptospirillum ferriphylum

L. ferrooxidans

Leptospirillum ferrooxidans

PBS

Phosphate-Buffered Saline

SEM

Scanning Electron Microscope

TAE

Tris-Acetate-EDTA

DANH MỤC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 1. 1. Ứng dụng công nghệ bioleaching trên thế giới.

3

Bảng 1. 2. Nồng độ oxy tới hạn cho sự phát triển của At. ferrooxidans

11

ở các nhiệt độ khác nhau.
Bảng 1. 3. Nồng độ giới hạn các kim loại nặng cho sự phát triển của

15

At. ferrooxidans
Bảng 1. 4. Sản lƣợng đồng của Chile và trên thế giới đƣợc khai thác

22

bằng công nghệ tuyển khoáng sinh học
Bảng 1. 5. Ảnh hƣởng của bƣớc tiền xử lý quặng vàng bằng bioleachig

23

tới hiệu suất khai thác tại một số doanh nghiệp khai thác
khoáng sản trên thế giới

Bảng 2. 1. Mồi PCR khuyếch đại các đoạn 16S rDNA dùng trong

25

nghiên cứu
Bảng 2. 2. Thành phần môi trƣờng 9K

26

Bảng 2. 3. Thành phần phản ứng và chu kỳ nhiệt của PCR-DGGE

30

Bảng 2. 4. Phản ứng PCR khuyếch đại 16S rDNA

31


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Số lƣợng vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit đƣợc công bố ...............................2
Hình 1.2. Chi phí đầu tƣ cho hệ thống vận hành và lợi nhuận thu đƣợc từ quá trình
khai khoáng theo công nghệ truyền thống và công nghệ bioleaching..................4
Hình 1.3. Cây phát sinh loài dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA ..........................6
Hình 1.4. Các mốc thời gian đánh dấu hoạt động về nghiên cứu và ứng dụng của
nhóm vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit ƣa nhiệt ......................................................7
Hình 1. 5. Sơ đồ phân bố và hình ảnh SEM của vi khuẩn trên bề mặt quặng pyrite 9
Hình 1. 6. Sơ đồ mô tả cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình bioleaching ...........10
Hình 1. 7. Tốc độ oxy hóa Fe2+ (IOR) tại các giá trị pH khác nhau (1.5 -2.5) ở nhiệt
độ 30ºC của vi khuẩn At. ferrooxidans ............................................................12
Hình 1. 8. So sánh lƣợng đồng đƣợc thu hồi từ bioleaching ở điều kiện ƣa ấm

(mesophile) và ƣa nhiệt (thermophile) .............................................................13
Hình 1.9. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt quặng tới quá trình hòa tách kẽm bởi vi
khuẩn Sulfobacillus thermosulfidooxidans.......................................................14
Hình 1.10. Ảnh hƣởng của các hợp chất dung môi hữu cơ tới khả năng oxy hóa
chalcopyrite của At. ferrooxidans.....................................................................16
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình bioleaching sử dụng mô hình đống ủ (heap leaching) và
mô hình hòa tách tại chỗ (in situ leaching). .....................................................17
Hình 1. 12. Sơ đồ quy trình công nghệ của phƣơng pháp hòa tách quặng theo mô
hình đống ủ .......................................................................................................17
Hình 1.13. Khai thác khoáng sản sử dụng công nghệ hòa tách dạng đống ủ (heap
leaching) trên thế giới từ năm 1980 – 2014 .....................................................19
Hình 1.14. Sơ đồ quá trình khai thác uranium bằng công nghệ hòa tách tại chỗ (in
situ leaching) ....................................................................................................20
Hình 1. 15. Bể khuấy tuyển quặng và hệ thống tuyển quặng theo công nghệ bể
khuấy. ...............................................................................................................21


Hình 2.1. Vị trí đoạn 16S rDNA đƣợc sử dụng trong phân tích DGGE ở
Lactobacillus plantarum...................................................................................29
Hình 2.2. Sơ đồ chậu thí nghiệm tuyển quặng sinh học ...........................................33
Hình 3.1. Làm giàu vi khuẩn FOB và phân lập FOB qua dãy pha loãng trên đĩa 96 giếng
...................................................................................................................................... 36
Hình 3. 2. Hình thái tế bào của hai chủng FOB1 và FOB2 ................................................ 37
Hình 3.3. Vị trí phân loại của hai chủng vi khuẩn FOB1 và FOB2 so với các loài vi khuẩn
oxy hóa sắt đã công bố. ................................................................................................ 38

Hình 3.4. Ảnh hƣởng của pH trong môi trƣờng tới hoạt tính oxy hóa Fe2+của hai
chủng FOB mới phân lập....................................................................................39
Hình 3.5. Thay đổi pH và tổng lƣợng sắt hòa tách từ quặng trong thí nghiệm hòa
tách quặng chalcopyrite sử dụng các chủng vi khuẩn FOB1và FOB2 nhƣ nguồn

vi sinh vật bổ sung ban đầu. ....... .......................................................................39
Hình 3.6. Ảnh chụp SEM của bề mặt quặng chalcopyrite sau thí nghiệm hòa tách
cho thấy các hốc và các kênh ăn mòn do vi khuẩn FOB tạo ra. .........................41
Hình 3.7. Phân tích thành phần nguyên tố của các mẫu quặng chalcopyrite trong thí
nghiệm hòa tách bằng công cụ EDX ..................................................................42
Hình 3.8. Hình ảnh FISH sử dụng đầu dò GAM42a trên mẫu quặng chalcopyrite từ
thí nghiệm hòa tách có bổ sung chủng Acidithiobacillus sp. FOB1 làm giống
khởi động. ...........................................................................................................43
Hình 3.9. Hình ảnh phân tích quần xã vi khuẩn trong các mẫu làm giâu (E1, E2) và
mẫu thí nghiệm hòa tách quặng chalcopyrite (LE) so sánh với các chủng thuần
khiết FOB1, FOB2 đã phân lập. .........................................................................44


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................................2
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ ............................................................................2
1.2. Vi sinh vật tham gia và cơ chế sinh học của quá trình bioleaching .................4
1.2.1. Vi sinh vật tham gia quá trình bioleaching ................................................4
1.2.1.1. Vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit ƣa ấm (mesoacidophilic) .......................5
1.2.1.2. Vi sinh vật ƣa axit ƣa nhiệt (moderate thermoacidophilic) .................6
1.2.1.3. Vi sinh vật ƣa axit ƣa nhiệt cực trị (extreme thermoacidophilic) ........7
1.2.2. Cơ chế sinh học của quá trình bioleaching.................................................8
1.2.2.1. Cơ chế trực tiếp ....................................................................................8
1.2.2.2. Cơ chế gián tiếp ...................................................................................9
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hòa tách quặng sinh học .........................11
1.3.1. Thành phần dƣỡng chất ............................................................................11
1.3.2. Nhu cầu O2 và CO2 ...................................................................................11
1.3.3. pH .............................................................................................................12
1.3.4. Nhiệt độ ....................................................................................................13

1.3.5. Cấu trúc và kích thƣớc hạt quặng .............................................................13
1.3.6. Kim loại nặng ...........................................................................................14
1.3.7. Các chất có hoạt tính bề mặt và hợp chất hữu cơ .....................................15
1.4. Các dạng công nghệ tuyển khoáng theo nguyên lý bioleaching.....................16
1.4.1. Công nghệ hòa tách dạng đống ủ (heap/dump leaching) .........................17
1.4.2. Công nghệ hòa tách tại chỗ (in situ leaching) ..........................................19
1.4.3. Mô hình hòa tách trong bể khuấy (tank leaching)....................................21
1.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bioleaching............................22
1.5.1. Trên thế giới .............................................................................................22
1.5.2. Ở Việt Nam ..............................................................................................24
Chƣơng 2 - VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP .........................................................25
2.1. Nguyên vật liệu ...............................................................................................25


2.1.1. Nguồn mẫu phân lập và mẫu quặng thử nghiệm ......................................25
2.1.2. Hóa chất ....................................................................................................25
2.1.3. Thiết bị, dụng cụ .......................................................................................25
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................26
2.2.1. Làm giàu và phân lập FOB ......................................................................26
2.2.2. Tách DNA tổng số....................................................................................27
2.2.2.1. Tách DNA từ dịch làm giàu và mẫu môi trƣờng ...............................27
2.2.2.2. Tách DNA từ các chủng thuần khiết..................................................28
2.2.3. Phƣơng pháp PCR – DGGE .....................................................................29
2.2.4. Giải trình tự 16S rDNA và dựng cây phân loại........................................30
2.2.5. Định lƣợng Fe(II) và Fe tổng số ...............................................................31
2.2.6. Phƣơng pháp lai huỳnh quang tại chỗ (FISH) ..........................................33
2.2.7. Thiết lập thí nghiệm tuyển quặng sinh học ..............................................33
2.2.8. Phƣơng pháp phân tích SEM và EDX......................................................34
2.3. Sơ đồ các bƣớc nghiên cứu .............................................................................35
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................36

3.1. Làm giàu và phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit........................................36
3.2. Xác định vị trí phân loại và định danh các chủng FOB mới phân lập............37
3.3. Nghiên cứu khả năng chịu pH của các chủng FOB phân lập .........................38
3.4. Nghiên cứu ứng dụng các chủng FOB mới phân lập trong thí nghiệm hòa
tách quặng chalcopyrite trong mô hình phòng thí nghiệm ....................................40
3.5. Phân tích nguyên tố trên bề mặt quặng chalcopyrite bằng công cụ EDX ......41
3.6. Nghiên cứu thành phần vi khuẩn phát triển trên bề mặt quặng chalcopyrite
trong thí nghiệm bioleaching .................................................................................42
3.7. Nghiên cứu quần xã vi khuẩn trong mẫu làm giàu và mẫu thí nghiệm hòa tách
quặng chalcopyrite .................................................................................................43
Chƣơng 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................47
PHỤ LỤC ..................................................................................................................55


MỞ ĐẦU
Bioleaching là việc ứng dụng vi sinh vật để hòa tách các kim loại ra khỏi
quặng của chúng. Phƣơng pháp này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới
trong ngành công nghiệp khai thác khoáng sản nhờ hiệu quả kinh tế cao và tính thân
thiện với môi trƣờng. Nhiều quốc gia có ngành công nghiệp khai thác khoáng sản
phát triển nhƣ Nam Phi, Chile, Đức, Anh đã và đang áp dụng công nghệ tuyển
khoáng sinh học để đảm bảo duy trì tính bền vững cho ngành công nghiệp này của
nƣớc mình. Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ này còn chƣa đƣợc quan tâm phát
triển. Số lƣợng các nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ ứng dụng về lĩnh vực này trong
nƣớc còn rất nhỏ.
Ở Việt Nam, các mỏ có trữ lƣợng trung bình, hàm lƣợng quặng thƣờng
không cao và phân bố thiếu tập trung khiến cho công nghệ hòa tách hóa học khó đạt
hiệu quả cao. Do vậy bioleaching đƣợc nhìn nhận là một công nghệ hoàn toàn phù
hợp với điều kiện mỏ trong thực tế. Để phát triển công nghệ bioleaching trong
nƣớc, vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit bản địa cần đƣợc tìm kiếm và nghiên cứu về các

đặc điểm sinh học có liên quan tới quá trình hòa tách kim loại. Trong khuôn khổ
luận án thạc sỹ này, đề tài ―Phân lập vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit (FOB) phục vụ
cho công nghệ tuyển khoáng sinh học‖ đƣợc thực hiện với các nội dung chính sau:
- Phân lập tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt ƣa axit
từ môi trƣờng khai thác khoáng sản trong nƣớc.
- Nghiên cứu sự sinh trƣởng trong môi trƣờng pH thấp của các chủng phân
lập để đánh giá khả năng ứng dụng vào việc hòa tách quặng.
- Thử nghiệm ứng dụng vi khuẩn để hòa tách kim loại từ quặng
chalcopyrite (CuFeS2) trong mô hình phòng thí nghiệm.

1


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ
Bioleaching là quá trình hòa tách các kim loại từ quặng dƣới tác động của
vi sinh vật thay vì sử dụng các phƣơng pháp hóa học truyền thống (Neale, 2006).
Trong thực tế, con ngƣời đã sử dụng kỹ thuật bioleaching từ rất lâu một cách vô
thức để tách kim loại (nhƣ đồng) từ quặng họ khai thác. Tuy nhiên, chỉ tới những
năm đầu của thế kỷ 20, bản chất khoa học của công nghệ mới đƣợc sáng tỏ thông
qua việc phát hiện ra chủng vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit đầu tiên, Acidithiobacillus
ferrooxidans, cũng nhƣ những nghiên cứu, tìm ra vai trò của chúng trong việc hình
thành nƣớc thải mỏ (Colmer và Hinkle, 1947).

(A)

(B)

Hình 1.1. A - Số lƣợng vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit đƣợc công bố (HET – vi sinh vật dị
dƣỡng; S OX – vi khuẩn oxy hóa lƣu huỳnh; Fe+S OX – vi khuẩn oxy hóa cả sắt và lƣu

huỳnh; Fe OX – vi khuẩn oxy hóa sắt (Watling, 2016). B – hình ảnh tế bào
Acidithiobacillus ferrooxidans trên bề mặt quặng đang bị tấn công (Fowler và Crundwell,
1999).

Kể từ đó, nghiên cứu và ứng dụng phát triển công nghệ bioleaching đã đƣợc
đẩy mạnh. Nhiều chủng vi sinh vật có khả năng ứng dụng trong các quá trình hòa
tách kim loại đã đƣợc công bố (Hình 1.1A) và ứng dụng ở quy mô công nghiệp để
thu hồi các kim loại từ quặng (Bảng 1.1).

2


Bảng 1. 1. Ứng dụng công nghệ bioleaching trên thế giới.
Vi sinh vật sử dụng trong
bioleaching
Porphyridium cruentum,

Loại quặng áp dụng
Uraninite (UO2)

Kim loại

Quốc

khai thác

gia

U

TLTK

Rumani Cecal và cs,
2000

Spirulina platensis,
Nostoc linkia
Aspergillus flavus,

Chalcopyrite (CuFeS2)

Cu, Fe

Ấn Độ

Rao và cs,
2002

Aspergillus niger
At. ferrooxidans,

Chalcopyrite (CuFeS2),

L. ferriphilum,

Bornite(Cu5FeS4),

F. acidiphilum

Pyrite (FeS2)

At. ferrooxidans,

Criddleite

Sulfobacillus spp.

(TlAg2Au3Sb10S10),

Cu, Fe

Chile

Demergasso
và cs, 2005

Au, Ag

Mỹ

Logan và
cs, 2007

Liujiyinite (Ag3AuS2)
Mg, Fe,

Trung

Qin và cs,

Al

Quốc

2009

At. thiooxidans

Olivine (Mg, Fe)2SiO4),
Chlorite
(Fe,Mg,Al)6(Si,Al)4O10(
OH)8,
Antigorite
(Mg3Si2O5(OH)4

At. ferrooxidans,

Betafite

U, Ti

Ấn Độ,

Abhilash và

L. ferrooxidans

(Ca,U)2(Ti,Nb,Ta)2O6OH,

Tây Ba

cs, 2011

Brannerite (UTi2O6)

Nha

At. ferrooxidans,
L. ferrooxidans,

At. ferrooxidans,

Pentlandite (Fe,Ni)9S8,

At. ferrivorans,

Gersdorffite (NiAsS)

Ni,As

Phần

Wakeman

Lan

và cs, 2011

At. caldus,
Thiomonas cuprina

Có thể thấy công nghệ bioleaching ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp khai khoáng trên toàn thế giới, đặc biệt ở các quốc gia phát triển
và đang phát triển nhƣ Mỹ, Tây ban Nha, Trung Quốc, Chile….Việc phát triển và
mở rộng các đối tƣợng khai thác cũng đã và đang đƣợc trú trọng nghiên cứu để ứng
dụng trong thực tế (Bảng 1.1). Cho đến nay, các kim loại quý nhƣ Au, Ag, Ni, Co

3


đều đã đƣợc thu hồi thông qua việc sử dụng công nghệ bioleaching và đã mang lại
những lợi ích lớn về kinh tế và môi trƣờng tại nhiều quốc gia (Willner và cs, 2015).
Nhƣ vậy, bioleaching không còn là một công nghệ tiềm năng mà đã trở thành
một công nghệ mới có thể thay thế công nghệ khai khoáng truyền thống và ngày
càng khẳng định đƣợc vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp khai khoáng hiện
nay. Thực tế, hơn 20% sản lƣợng đồng khai thác trên thế giới đƣợc thực hiện bằng
công nghệ bioleaching (Watling, 2006). Theo nghiên của Morenci và Collahausi
(2015), mặc dù có chi phí vận hành cao hơn một chút, nhƣng công nghệ bioleaching
đạt hiệu suất hòa tách đồng tới 90 – 95% so với 60 – 65% của phƣơng pháp khai
thác hóa học truyền thống (Hình 1.2).

Hình 1. 2. Chi phí đầu tƣ cho hệ thống vận hành và lợi nhuận thu đƣợc từ quá trình khai
khoáng theo công nghệ truyền thống và theo công nghệ bioleaching.

1.2. Vi sinh vật tham gia và cơ chế sinh học của quá trình bioleaching
1.2.1. Vi sinh vật tham gia quá trình bioleaching
Vi sinh vật tham gia vào quá trình bioleaching rất đa dạng, từ các sinh vật
nhân sơ nhƣ At. ferrooxidans và các loài cổ khuẩn nhƣ Ferroplasma acidiphilum,
Sulfobacillus sp. đến các loài vi tảo và vi khuẩn lam (Spirulina platensis, Nostoc
linkia, Porphyridium cruentum) hay vi nấm đều có thể tham gia quá trình

4


bioleaching để hòa tách kim loại (Bảng 1.1). Tuy nhiên, do đƣợc ứng dụng rộng rãi
hơn cả, các loài sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn và cổ khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit
cũng nhƣ vai trò của chúng trong công nghệ bioleaching là đối tƣợng đƣợc đề cập
tới trong khuôn khổ bài luận văn này.
1.2.1.1. Vi khuẩn oxy hóa sắt ưa axit ưa ấm (mesoacidophilic)
Các loài vi khuẩn trong nhóm này chủ yếu phát triển tốt ở khoảng nhiệt độ từ
25ºC tới 35ºC. Đại diện điển hình và cũng là loài FOB đƣợc biết đến đầu tiên là At.
Ferrooxidans (tên cũ là Thiobacillus ferrooxidans đƣợc thay đổi theo Kelly và
Wood năm 2000) đƣợc phân lập từ hệ thống nƣớc thải mỏ axit (Colmer và Hinkle,
1947). Từ đó đến nay có nhiều loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt ƣa axit ƣa ấm
khác đã đƣợc phát hiện nhƣ Leptospirillum ferrooxidans (Markosyan, 1972),
Acidithiobacillus thiooxidans (Kelly và Wood, 2000). Về mặt sinh lý,
At. ferrooxidans có nhiều điểm giống với At. thiooxidans, loại vi khuẩn thƣờng có
mặt trong các loại nƣớc thải mỏ axit (Natarajan, 2008). Sự khác biệt cơ bản giữa hai
loài này là việc At. thiooxidans không có khả năng oxy hóa Fe2+ (Rawlings, 2005).
Trong nhóm này cũng cần kể đến hai loài At. prosperus và At. cuprinus
(Huber và Stetter, 1990). At. prosperus đại diện cho một nhóm vi khuẩn oxy hóa
kim loại chịu mặn, trong khi đó At. cuprinus đại diện cho nhóm vi khuẩn hóa tự
dƣỡng vô cơ (chemolithoautotrophic), có thể oxy hóa các sulfide kim loại nhƣng lại
không oxy hóa đƣợc Fe2+. Cả hai loài đƣợc xem là nguồn vi sinh vật quan trọng của
quá trình hòa tách đồng từ quặng chalcopyrite (Huber và Stetter, 1990).
Trong nhóm này thì các loài Leptospirillum phát triển chậm hơn so với các
loài Acidithiobacillus trong môi trƣờng giàu ion Fe2+. Tuy nhiên, Leptospirillum
spp. lại có khả năng oxy hóa sắt cao và thực sự ƣa axit, phát triển tốt ở điều kiện pH
rất thấp (1 – 1.5) (Kinnunen và Puhakka, 2004). Gần đây các nhà khoa học mới phát
hiện đƣợc đại diện chịu nhiệt thuộc chi Leptospirillum là L. ferriphilum, khác biệt

với L. ferroxidans ở khả năng phát triển tốt ở nhiệt độ tới 45ºC (Coram và Rawling,
2002), mở ra hƣớng ứng dụng nhóm vi khuẩn này ở điều kiện nhiệt độ cao.

5


Hình 1. 3. Cây phát sinh loài dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA cho thấy các loài
Acidithiobacillus thuộc các phân lớp α, β, γ – Proteobacteria, còn chi
Leptospirilla thuộc nhóm nitrospira (Macalady và cs, 2013).

1.2.1.2. Vi sinh vật oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt (moderate thermoacidophilic)
Các loài trong nhóm này sinh trƣỏng tốt trong khoảng nhiệt độ 45 - 55ºC,
gồm một số loài nhƣ Acidithiobacillus caldus, Leptospirillum ferriphilum và
Acidimicrobium (Neale, 2006). Ngoài ra, trong nhóm này còn có các loài cổ khuẩn
thuộc chi Sulfobacillus hay chi Ferroplasma (F. thermophilum) ít đƣợc sử dụng
trong các hệ thống bioleaching công nghiệp (Neale, 2006). Tuy nhiên các loài cổ
khuẩn này đóng vai trò quan trọng trong hệ vi sinh vật bioleaching ở các bể phản
ứng ở điều kiện nhiệt độ cao trong giai đoạn đầu quá trình hòa tách khi pH chƣa đạt
mức tối ƣu (Zhang và cs, 2014). Sinh trƣởng của các loài cổ khuẩn này ở giai đoạn
sớm sẽ làm giảm pH, tạo điều kiện cho các loài vi khuẩn oxy hóa sắt ƣa nhiệt khác
nhƣ Acidithiobacillus caldus và Leptospirillum ferriphilum phát triển, trực tiếp tham
gia vào quá trình hòa tách quặng (Zhang và cs, 2014).

6


1.2.1.3. Vi sinh vật oxy hóa sắt ưa axit ưa nhiệt cực trị (extreme thermoacidophilic)
Các loài vi khuẩn ƣa nhiệt cực trị chủ yếu là các loài cổ khuẩn sinh trƣởng
tốt ở nhiệt độ trong khoảng 60 - 90ºC (Neale, 2006). Các đại diện trong nhóm bao
gồm các loài thuộc chi Acidianus (nhƣ A.brierleyi), Sulfolobus (nhƣ S. thermosul

fidooxidans) và Metallosphaera (Wheaton và cs, 2015; Segener và cs, 1986). Hiện
nay, trong các quy trình hòa tách kim loại ở quy mô công nghiệp ngƣời ta đã ƣu tiên
sử dụng các nhóm vi khuẩn này để nâng cao hiệu suất do tốc độ phản ứng tăng theo
chiều tăng của nhiệt độ (Noris và cs., 1986; Brierley và cs, 1978; ). Bên cạnh đó,
việc sử dụng các vi khuẩn ƣa nhiệt cao trong bioleaching sẽ tạo điều kiện để mở
rộng ứng dụng công nghệ với các loại quặng kém hiệu quả khi đƣợc hòa tách ở
nhiệt độ ấm nhƣ chalcopyrite, quặng vàng arsenopyrite (Rawling và cs, 2005).

Hình 1. 4. Các mốc thời gian đánh dấu hoạt động về nghiên cứu và ứng dụng của nhóm vi
khuẩn oxy hóa sắt ƣa axit ƣa nhiệt độ cao (Wheaton và cs, 2015).

7


1.2.2. Cơ chế sinh học của quá trình bioleaching
Sự hòa tách kim loại trong các quặng sulfide nhờ vi sinh vật đƣợc thực hiện
theo hai cơ chế, trực tiếp và gián tiếp (Rawling và cs, 2005).
1.2.2.1. Cơ chế trực tiếp
Khi tiếp xúc với quặng có chứa thành phần pyrite, vi sinh vật kết nối trực
tiếp với các sulfide sắt trên bề mặt quặng (Hình 1.6) và thực hiện các phản ứng sinh
hóa, tạo ra các sulfate sắt. Phƣơng trình phản ứng diễn ra nhƣ sau (Sand và cs,
2001):
4FeS2 + 14O2 + 4H2O



4FeSO4+ 4H2SO4

4FeSO4+ 2H2SO4 + O2



2Fe2(SO4)3 + 2H2O

Phản ứng oxy hóa trực tiếp pyrite, có thể đƣợc tóm tắt nhƣ sau:
4FeS2 + 2H2O + 15O2



2Fe2(SO4)3

+ 2H2SO4

Các nghiên cứu cho thấy ngoài sulfide sắt, nhiều dạng sulfide kim loại khác
cũng có thể đƣợc oxy hóa bởi At. ferrooxidans theo cách tƣơng tác trực tiếp nhƣ
trên, ví dụ nhƣ covellite (CuS), chalcocite (Cu2S), sphalerite (ZnS), galena (PbS),
molybdenite (MoS2), stibnite (Sb2S3), cobaltite (CoS), millerite (NiS) (Ehrlich,
1996).

8


Hình 1. 5. Vị trí phân bố của vi khuẩn (sơ đồ và hình ảnh SEM) trên bề mặt quặng pyrite
(Bennett và Tributsch, 1978). a, b, c - các ổ vi khuẩn dạng đơn, đôi, xếp chuỗi; e (1, 2, 3) phát triển của các ổ vi khuẩn từ dạng chuỗi để tạo thành dạng kênh; f - chuỗi các ổ vi
khuẩn xếp vuông góc; g, h - các cụm ổ vi khuẩn; i - các ổ nghiêng theo bề mặt tinh thể
quặng; j - giao cắt của các chuỗi ổ vi khuẩn tại các điểm nứt nhỏ trên mạng tinh thể.

1.2.2.2. Cơ chế gián tiếp
Trong cơ chế hòa tách gián tiếp, các vi khuẩn FOB tạo ra các sản phẩm có
khả năng oxy hóa các sulfide kim loại theo con đƣờng hóa học, cụ thể là ion Fe3+

(Bosecker, 1997). Quá trình gián tiếp xảy ra theo phản ứng:
MS + Fe2(SO4)3



MSO4 + 2FeSO4 + S

Nhƣ vậy, theo cơ chế gián tiếp, vi khuẩn đóng vai trò cung cấp một cách liên
tục chất oxy hóa, cụ thể ở đây là Fe2(SO4)3. Để giữ cho lƣợng sắt ở trong dung dịch
luôn đủ thì quá trình oxy hóa học các sulfide kim loại phải xảy ra trong điều kiện
môi trƣờng pH < 5.0. Các ions Fe2+ sinh ra theo phản ứng trên đƣợc tái oxy hóa
thành Fe3+ bởi At. ferrooxidans và L. ferrooxidans (Bosecker, 1997).

9


Trong hòa tách gián tiếp, vi khuẩn không cần tiếp xúc với bề mặt quặng mà
đảm nhiệm chức năng xúc tác nhờ đẩy nhanh quá trình tái oxy hóa ion Fe2+. Theo
một số nghiên cứu, trong khoảng pH 2-3 thì quá trình oxy hóa Fe2+ nhờ vi sinh xảy
ra nhanh gấp 105 – 106 lần so với oxy hóa hóa học (Yin, 2007; Peng, 2006; Zhang,
2006).
Sulfur sinh ra trong phản ứng gián tiếp có thể đƣợc oxy hóa thành axit
sulfuric bởi vi khuẩn At. thiooxidans. Quá trình này xảy ra theo phản ứng sau:
2S + 3O2 + 2H2O



2H2SO4

Thực tế, hai loài At. thiooxidans và At. ferrooxidans thƣờng đƣợc phát hiện

cùng nhau trong nhiều loại dịch ngâm chiết quặng, chứng minh vai trò của At.
thiooxidans trong quá trình hòa tách nhƣ một nhân tố duy trì điều kiện môi trƣờng
axit cho sự phát triển FOB nhƣ At. ferrooxidans và L. ferrooxidans (Kiều Hữu Ảnh,
1999; Bosecker, 1997).
Thực tế, quá trình bioleaching ở ngoài tự nhiên hay trong các hệ thống nhân
tạo đều là sự kết hợp của cả hai cơ chế trực tiếp và gián tiếp (Hình 1.6) (Olson và
cs, 2003; Bosecker 1997).

Hình 1. 6. Sơ đồ mô tả cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình bioleaching
(Kinnunen 2004).

10


1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hòa tách quặng sinh học
Hiệu suất hòa tách kim loại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ hoạt động của vi
sinh vật và cũng nhƣ bản chất hóa học và cấu trúc của quặng. Hiệu quả hòa tách có
thể đạt đƣợc tối đa khi các điều kiện công nghệ phù hợp cho vi khuẩn FOB phát
triển đƣợc thỏa mãn tối ƣu.
1.3.1. Thành phần dưỡng chất
Vi khuẩn FOB thuộc vào nhóm hóa tự dƣỡng vô cơ, chỉ yêu cầu các hợp chất
vô cơ cho quá trình sinh trƣởng nhƣ FeSO4.7H2O, (NH4)2SO4, K2HPO4,
MgSO4.7H2O, KCl và Ca(NO3)2. Ngoài các hợp chất cần thiết của sắt và lƣu huỳnh
thì cần bổ sung thêm các muối ammonium, phosphate và magnesium để khuẩn có
thể phát triển tốt nhất, đồng thời tạo pH tối ƣu bằng cách bổ sung một lƣợng nhỏ
axit sulfuric vào môi trƣờng ở thời điểm khởi động (Bosecker, 1997).
1.3.2. Nhu cầu O2 và CO2
Vi khuẩn FOB thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, nhu cầu oxy cho sự
phát triển là rất cao. Theo nghiên cứu của Myerson (1981) At. ferrooxidans chỉ có
thể sinh trƣởng đƣợc khi nồng độ oxy trong môi trƣờng  5% nồng độ oxy bão hòa.

Bên cạnh đó, nhu cầu oxy còn phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trƣờng, hay cụ
thể hơn là điều kiện vận hành công nghệ (Bảng 1.2). Ở quy mô công nghiệp, cấp
oxy là yêu tố quan trọng quyết định thời gian, hiệu suất và hiệu quả kinh tế của
công nghệ.
Bảng 1. 2. Nồng độ oxy tới hạn cho sự phát triển của At. ferrooxidans ở các nhiệt độ khác
nhau (Myerson, 1981).
Nhiệt độ (ºC)
25

Nông độ oxy tới hạn (mmol/liter)(× 10-2)
1.29

28

1.22

31

1.15

34

1.09

11


Nguồn cacbon cho sự phát triển của vi khuẩn FOB là CO2 trong khí quyển,
đƣợc xác định tối ƣu ở mức 7 – 7.5%. Nếu nồng độ này vƣợt trên 8% sẽ gây ức chế
một phần, khi đạt tới 12% sẽ gây ức chế hoàn toàn sự phát triển của FOB (Barron

và Lueking, 1990).
1.3.3. pH
pH trong môi trƣờng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng tới sự phát triển của
FOB và tốc độ oxy hóa Fe2+ của chúng. Sinh trƣởng và hoạt tính oxy hóa Fe2+
thƣờng ở mức cao trong khoảng pH từ 1.5 đến 2.5, đạt tối ƣu ở pH 2 (Hình 1.7). Ở
pH < 2, phần lớn vi khuẩn FOB bị ức chế sinh trƣởng; Ở pH > 2, quá trình hòa tách
giảm nhẹ do hình thành nên các tinh thể jarosite (KFe3+3(OH)6(SO4)2), làm thành
rào cản vật lý giữa ion Fe2+ trong quặng và bề mặt tế bào vi khuẩn, gây cản trở việc
chuyển điện tử từ Fe2+ cũng nhƣ dòng proton từ tế bào vi khuẩn (Kim và cs, 2008).
Tuy nhiên đối với một số loài vi khuẩn và cổ khuẩn ƣa axit cực trị thì giá trị pH tối
ƣu có thể hạ xuống thấp hơn 2 nhƣ Acidianus sulfidivorans (pH 0.8 – 1.4) (Plumb
và cs, 2002), Sulfolobus metallicus (pH 1.8) (Plumb và cs, 2007).

Hình 1. 7. Tốc độ oxy hóa Fe2+ (IOR) tại các giá trị pH khác nhau (1.5 - 2.5) ở nhiệt độ
30ºC của vi khuẩn At. ferrooxidans (Kim và cs, 2008).

12


1.3.4. Nhiệt độ
Nhiệt độ môi trƣờng trong quá trình bioleaching ảnh hƣởng lớn tới hoạt động
của vi khuẩn FOB, kéo theo đó là hiệu suất của quá trinh hòa tách quặng (Rawling
và cs., 2005; Rodriguez, 1988). Do vậy, để có đƣợc hiệu suất cao nhất cần sử dụng
những chủng vi khuẩn FOB phù hợp trong công nghệ. Hiện nay, các chủng vi
khuẩn và cổ khuẩn ƣa nhiệt đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn vào công
nghệ bioleaching. Nhiều nghiên cứu cho thấy quá trình bioleaching ở nhiệt độ 50 80ºC cho hiệu suất hòa tách kim loại cao hơn gấp 2 lần so với điều kiện nhiệt độ ấm
(Hình 1.8).

Hình 1. 8. Bioleaching quặng đồng ở điều kiện ấm (mesophile) và nhiệt độ cao
(thermophile, 70ºC) tại pH 2 (Timmins, 2001).

1.3.5. Cấu trúc và kích thước hạt quặng
Thành phần, cấu tạo và kích thƣớc hạt quặng cũng quyết định rất nhiều đến
hiệu suất của quá trình hòa tách. Ví dụ, quặng có hàm lƣợng carbonate cao sẽ làm
tăng pH của dịch chiết, dẫn đến ức chế hoạt động của vi khuẩn FOB. Trong trƣờng
hợp này, để duy trì giá trị pH thích hợp cho FOB ngƣời ta bổ sung lƣợng axit từ bên
ngoài, điều này có thể sẽ gây ra sự hình thành và tích tụ các kết tủa trong dịch chiết,
làm ảnh hƣởng xấu tới toàn bộ quá trình hòa tách (Bosecker, 1997). Ngoài ra, có

13


bằng chứng cho thấy tốc độ hòa tách còn phụ thuộc vào kích thƣớc hạt quặng,
bioleaching đạt tốc độ cao nhất khi tiến hành với quặng có kích thƣớc hạt trong
khoảng 43 – 74 µm (Xiong và cs, 2015).

Hình 1. 9. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt quặng tới quá trình hòa tách kẽm bởi vi khuẩn
Sulfobacillus thermosulfidooxidans (với 3% quặng, 10% giống và pH 1.6)
(Xiong và cs, 2015).

1.3.6. Kim loại nặng
Quá trình hòa tách các sulfide kim loại thƣờng đi kèm với sự gia tăng nồng
độ các kim loại nặng (Cr, Co, As, Ni, Cd, Zn, Cu và Fe) trong dịch chiết, gây ức chế
phát triển cho nhiều loài vi sinh vật. Tuy nhiên, thông thƣờng các vi khuẩn tham gia
bioleaching, đặc biệt là Acidithiobacilus spp. có khả năng chịu đựng cao với nhiều
kim loại nặng (Karkhaneh và cs, 2011; Cabrera và cs, 2005).

14

Bảng 1. 3. Nồng độ giới hạn các kim loại ảnh hƣởng tới phát triển của At. ferrooxidans

Kim loại

Nồng độ giới hạn

Cr3+

0.4 g/L

Cd2+

10 g/L

Cu2+

10 g/L

Ni2+

30 g/L

Zn2+

30 g/L

Co2+

110 ppm

TLTK

Cabrera và cs, 2005

Karkhaneh và cs, 2011

Mặt khác, nghiên cứu của Xie (2013) còn cho thấy các tổ hợp kim loại nặng
khác nhau có trong dịch chiết sẽ ức chế sự phát triển của FOB ở các mức độ khác
nhau, cụ thể theo thứ tự sau: Cu/Ni/Cr/Zn > Cu/Ni/Zn > Cu/Cr/Zn > Cu/Ni/Cr >
Ni/Cr/Zn (Xie và cs, 2013).
1.3.7. Các chất có hoạt tính bề mặt và hợp chất hữu cơ
Trong quá trình bioleaching, việc thu hồi các kim loại từ dịch hòa tách bằng
phƣơng pháp tách chiết dung môi sử dụng các chất có hoạt tính bề mặt và hợp chất
hữu cơ hòa tan thƣờng có những ảnh hƣởng tiêu cực tới các vi khuẩn tham gia, chủ
yếu là bởi tác động giảm sức căng bề mặt, dẫn tới giảm lƣợng oxy đƣợc vận chuyển
tới vi sinh vật (Bosecker, 1997).

15


1.

Innoculated – no solvent

2.

Isodecanol

3.

Tributyl phosphate

4.

Di(2-ethylhexyl) phosphoric acid

5.

Alamine 308 và alamine 336

6.

Alamine 304 và alamine 310

7.

Sterile

8.

Aliquat 336 và adogen 361

9.

Adogen 364

Hình 1. 10. Ảnh hƣởng của các hợp chất dung môi hữu cơ tới khả năng oxy hóa chalcopyrite
của At. ferrooxidans ở pH 2 và 30ºC thứ tự xắp xếp theo mức độ ức chế của các hợp chất trên
là: Isodecanol <<< D2EHPA <<< Alamine 336 - Alamine 308 - Alamine 310 < Alamine 304
< Aliquat 336 < Adogen 364 (Torma và cs, 1976). .

Vì vậy, để tránh sự ức chế tới hoạt động của vi khuẩn, yêu cầu đặt ra là các
hợp chất hữu cơ trên cần phải đƣợc loại bỏ khỏi dịch lọc tái sử dụng sau khi đã thu
hồi kim loại.
1.4. Các dạng công nghệ tuyển khoáng theo nguyên lý bioleaching
Công nghệ bioleaching đƣợc sử dụng phổ biến ở quy mô công nghiệp chủ
yếu để xử lý các loại quặng nghèo chứa hàm lƣợng kim loại dƣới 0.5% (w/w).
Phƣơng pháp đơn giản nhất của việc thực hiện hòa tách bằng vi khuẩn là vun quặng
thành các đống và tƣới dịch tuyển quặng (gồm môi trƣờng khoáng và vi khuẩn) rồi
thu dịch chiết ra từ đống ủ. Thông thƣờng sự hòa tách bằng vi khuẩn thƣờng lâu
hơn các quá trình hóa học nên dịch chiết thƣờng đƣợc tuần hoàn lại và tái sử dụng
làm nguồn vi sinh cho quá trình hòa tách tiếp theo. Hiện nay có ba mô hình chính
đƣợc sử dụng ở quy mô công nghiệp đó là hòa tách dạng đống hay bãi ủ
(heap/dump leaching), hòa tách tại chỗ (in situ leaching) và dạng bể khuấy (tank
leaching) (Hình 1.11) (Bosecker, 1997).

16