Biotechnologia ogólna dla kierunku biologia, ochrona środowiska i biotechnologia kosmetologiczna II0 DWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE AUGOWANIE PIRYTU 1. Proces ługowania Proces ługowania jest procesem elektrochemicznym zachodzącym w warunkach, gdy jeden lub kilka składników roztworu różni się stopniem utleniania w roztworze i w stanie stałym. Celem ługowania jest roztworzenie ciała stałego i przeprowadzenie użytecznego składnika lub składników do roztworu. ciało stałe jon w roztworze + elektron w roztworze Siarczek dowolnego metalu MeS zostaje poddany działaniu roztworu zawierającego kationy utleniacza Nn+, który ma bardziej dodatni potencjał niż metal. Dochodzi do procesu oksydacyjno-redukcyjnego, metal zmienia stopieo utlenienia i przechodzi do roztworu w postaci jonów: MeS Mem+ + S0 + me- Nn+ + me- N(n+)+m Przykładem procesu ługowania może byd ługowanie siarczku miedzi: CuS + 2Fe3+ = Cu2+ + S0 + 2Fe2+ Jeżeli do ługowania zostaną użyte szczepy bakterii, to proces ten nazywa się bioługowaniem. 2. Mechanizm procesu bioługowania W procesach biohydrometalurgicznych prowadzonych w skali przemysłowej nie stosuje się monokultur bakteryjnych, lecz wykorzystuje mieszaniny różnych gatunków bakterii, w skład których mogą wchodzid oprócz Acidithiobacillus przedstawiciele rodzajów: Chromatium, Thiodictyon, Thiocapsa, Chlorobium, Siderocapsa, Gallionella, Beggiatoa, Thriothrix, Thiospirillopsis. Bioługowanie metali z minerałów siarczkowych zachodzi głównie z udziałem At. ferrooxidans oraz At. thiooxidans, natomiast z niesiarczkowych przez mikroorganizmy heterotroficzne wytwarzające kwasy oraz związki kompleksujące i chelatujące. Augowanie metali z rud za pomocą mieszanych populacji drobnoustrojów jest złożone i jest skutkiem wielu reakcji enzymatycznych, chemicznych oraz elektrochemicznych. Można wyróżnid następujące mechanizmy procesu bioługowania: - mechanizm bioutleniania bezpośredniego MeS + 2O2 + mikroorganizmy MeSO4 - mechanizm bioutleniania pośredniego MeS + 2Fe3+ + mikroorganizmy Me2+ + S0 + 2Fe2+ - mechanizm elektrochemiczny Zgodnie z mechanizmem bezpośredniego bioutleniania działanie bakterii przymocowanych do powierzchni minerału rozpoczyna się od jego utlenienia za pomocą systemu enzymów produkowanych przez drobnoustroje. Adhezja bakterii następuje w sieci krystalicznej minerałów, głównie w miejscach w których występuje siarka elementarna, Siarka jest rozpuszczana w lipidach i fosfolipidach błony komórkowej mikroorganizmów, a następnie utleniania do kwasu siarkowego. Tworzący się kwas siarkowy stymuluje procesy chemiczne i elektrochemiczne. Mechanizm bioutleniania pośredniego polega na utlenianiu przez jony żelaza(III) siarczków metali. Powstają jony żelaza(II) i siarka elementarna. Nie jest konieczne by komórka mikroorganizmu ulegał adhezji do powierzchni ługowanego minerału *rys. 9.2]. Prowadzący: dr Sławomir Wierzba; dr Teresa Farbiszewska Biotechnologia ogólna dla kierunku biologia, ochrona środowiska i biotechnologia kosmetologiczna II0 DWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE AUGOWANIE PIRYTU 3. Bioługowanie pirytu Utlenianie pirytu do siarczanu żelaza(III) ma dwuetapowy przebieg [rys. 4.21] W obecności powietrza atmosferycznego utlenianie pirytu do siarczanu żelaza(II) (reakcja I) ma charakter chemiczny (abiotyczny) i zachodzi powoli. Mikrobiologiczne utlenianie siarczanu żelaza(II) z udziałem At. ferrooxidans (reakcja(II) jest procesem wielokrotnie szybszym. Produkt reakcji, Fe2(SO4)3 jest silnym utleniaczem. W tej sytuacji utlenianie pirytu przestaje byd ograniczane szybkością reakcji I, ponieważ powstający w wyniku utleniania bakteryjnego siarczanu żelaza(III) reaguje z pirytem (reakcja III). Produktem reakcji jest siarczan żelaza(II) oraz siarka elementarna, utleniania następnie do kwasu siarkowego przez bakterię At. thiooxidans (reakcja IV). Mechanizm pozyskiwania metali takich jak miedz, cynk czy nikiel polega na biotycznym utlenieniu Fe(II) do Fe(III), a następnie abiotycznym utlenieniu nierozpuszczalnych soli metali (siarczków) do rozpuszczalnych soli tych metali (siarczanów) i siarki elementarnej przez żelazo(II), wytworzone przez Acidithiobacillus [rys. 4.22]. 4. Efektywnośd procesu bioługowania Ne efektywnośd procesu bioługowania wpływają: - aktywnośd i gęstośd hodowli bakterii At. ferrooxidans - rodzaj i dostępnośd substratu (siarczków) - fizyczne właściwości rud, np. stopieo rozdrobnienia skał - ilośd wytwarzanego kwasu siarkowego - odczyn, temperatura - dostępnośd tlenu i CO2 - dostępnośd azotu, fosforu - uwodnienie Optymalne warunki ługowania podano w tabeli 4.16. 5. Wykonanie dwiczenia 5.1. Sporządzid 250 cm3 płynu ługującego o składzie: (NH4)2SO4 - 0,75 g KCl - 0,12 g K2HPO4 - 0,12 g Ca(NO3)2 - ślad MgSO4 x 7H2O - 0,12 g 10nH2SO4 - 0,25 cm3 Prowadzący: dr Sławomir Wierzba; dr Teresa Farbiszewska Biotechnologia ogólna dla kierunku biologia, ochrona środowiska i biotechnologia kosmetologiczna II0 DWICZENIE 5,6 BAKTERYJNE AUGOWANIE PIRYTU 5.2. Do kolby o pojemności 100 cm3 wprowadzamy: ok. 1-2 g pirytu (lub rudy zawierającej piryt), 45 cm3 płynu ługującego, 5 cm3 mieszaniny aktywnych kultur At. thiooxidans i At. ferrooxidans (otrzymanych od prowadzącego) zmieszanych w stosunku 1: 1. Do nalewania pożywki używad cylindrów miarowych. Do pobierania hodowli bakteryjnej używad sterylnych pipet szklanych lub jednorazowych. 5.3. Równocześnie nastawiamy układ kontrolny, bezbakteryjny, zawierający ok. 1-2 g pirytu (lub rudy zawierającej piryt), 50 cm3 płynu ługującego i kryształek lub niewielką ilośd sproszkowanego tymolu. Kolby zatkad korkami z waty lub ligniny, które należy wykonad samemu. 5.4. Opisad kolby wg wzoru: HODOWLA: imię i nazwisko; nr grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli; rodzaj użytych bakterii. KONTROLA: imię i nazwisko; numer grupy, kierunek i rok studiów; data nastawienia hodowli. 5.5. W obydwu kolbach oznaczyd zawartośd jonów Fe(II) i Fe(III) metodą podaną poniżej. Po wykonaniu pomiarów, opisane kolby odstawid na miejsce wskazane przez prowadzącego. 5.6. Oznaczenie powtórzyd po tygodniu. Po zakooczeniu dwiczenia należy umyd używane szkło laboratoryjne. 5.7. Wyniki muszą byd podpisane przez prowadzącego. Dopiero po ich zaakceptowaniu można wylad zawartośd kolb i umyd je. 5.8. Opracowanie wyników. Po przeanalizowaniu zmian zawartości żelaza wyliczyd ilośd siarki wyługowanej z pirytu i ilośd rozpuszczonego pirytu. 6. Oznaczanie zawartości jonów Fe2+ i Fe3+. 6.1. Oznaczenie przeprowadzid metodą kompleksometryczną, miareczkując roztwór z jonami żelaza roztworem EDTA wobec wskaznika, którym jest roztwór kwasu sulfosalicylowego. 6.2. Do dwóch kolb stożkowych o pojemności 50 cm3 (kolbki do miareczkowania) wprowadzid po 1 cm3 hodowli (pipeta automatyczna) i po 10cm3 wskaznika (jeżeli w roztworze są obecne jony Fe3+ to powinien się on zabarwid na kolor bordowy). Kolby ogrzewad do temp. 800C (widoczne pęcherzyki gazu), a następnie gorące roztwory miareczkowad 0,025M roztworem EDTA do odbarwienia na kolor słomkowy. Zanotowad ilości a cm3 EDTA. Następnie do kolb dodad niewielką ilośd nadsiarczanu amonu do zmiany barwy na bordową i powtórnie miareczkowad EDTA b cm3. Ilośd nadsiarczanu amonu powinna byd tak dobrana, żeby po zakooczonym miareczkowaniu i wprowadzeniu śladowej ilości utleniacza barwa roztworu nie uległa zmianie. 6.3. Powyższe czynności powtórzyd dla próby kontrolnej. 6.4. Ze wzorów obliczyd zawartośd jonów Fe2+ i Fe3+ w 1 dm3 badanego roztworu: A g/dm3 Fe3+ = a cm3 x 1.396 B g/dm3 Fe2+ = b cm3 x 1.396 UWAGA!!! roztwory pobierad sterylnymi pipetami 7. Zagadnienia teoretyczne: - Augowanie metali. - Mechanizm procesu bioługowania. - Proces bioutleniania: pośredni i bezpośredni - Chemosynteza i autotrofizm - Bioługowanie pirytu - Efektywnośd procesu bioługowania 8. Literatura: - Chmiel A., Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne; Wyd. PWN, Warszawa; 1998 - Russel S.; Biotechnologia; Wyd. PWN; Warszawa; 1990 - Kowal K., Libudzisz Z.; Mikrobiologia techniczna, Wyd. Politechniki Aódzkiej; 2000 - Ostrowski M., Sokołowska A., Małe bakterie wielka miedz czytelnia (B.W. ul. Oleska). - Sadowski Z., Biogeochemia wybrane zagadnienia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005. Prowadzący: dr Sławomir Wierzba; dr Teresa Farbiszewska