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

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

+ 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

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.

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+

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

+
, 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+

, 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

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