نوع مقاله : پژوهشی- فارسی
نویسندگان
1 یکروبیولوژی محیطی، گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه الزهرا (س)، تهران، ایران.
2 گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه الزهرا (س)، تهران، ایران.
3 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم وفنون هسته‌ای، تهران، ایران.
چکیده
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
As industrial activities grow, concerns regarding the gradual depletion of easily processable metal reserves and the exploitation of these resources have increased. Consequently, the development of environmentally friendly technologies capable of extracting metals from complex and refractory sources has gained significant attention. Biohydrometallurgy is a green and sustainable technology that relies on iron-oxidizing microorganisms to facilitate metal dissolution. These microorganisms contribute to the leaching process through the production of ferric iron, which acts as an effective and low-cost oxidizing agent. In this study, the individual and interactive effects of the operational parameters, pulp density, time, and bacterial inoculum on ferric iron production in copper bioleaching from Kal-e-Kafi ore using uranium-resistant Acidithiobacillus ferrooxidans strain THA3 were investigated. The experiments were designed using a central composite design within the framework of the response surface methodology. The results indicated that increasing the time from 2 to 21 days led to a decrease in ferric concentration from 1695.86 mg/L to 135.36 mg/L. Similarly, an increase in pulp density from 5% to 15% resulted in a reduction in ferric production from 1590.86 mg/L to 838.34 mg/L. However, when the bacterial inoculum was increased from 5% to 14.7%, there was an increase in ferric production from 520.89 mg/L to 1269 mg/L. The proposed statistical model demonstrated satisfactory predictive performance, with a p-value of 0.0022 and R² of 0.93. The key innovation of this study is the combination of efficient bacterial strains with a central composite design to model and simultaneously analyze the influences of the most important operational factors for ferric iron production. The statistically efficient method used in this study has been effective in reducing trial and error to a considerable extent for optimizing operational factors to move forward with innovations in the aspect of native bacterial strains for bioleaching on a larger scale.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
آهن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در پوسته زمین است و نقش حیاتی در بسیاری از فعالیت‌های زیستی دارد. اگرچه حالت‌های اکسیداسیونی مختلفی برای آهن پیشنهاد شده‌اند، دو حالت فرو[1] و فریک[2] شایع‌ترین آنها محسوب می‌شوند. تغییر در عدد اکسایش آهن تأثیرگرفته از شرایط محیطی از قبیل، pH، میزان اکسیژن و پتانسیل اکسید-احیاء است. چرخه آهن یکی از مهم‌ترین چرخه‌های بیوژئوشیمیایی است و میکروارگانیسم‌ها نقش بسیار کلیدی در جابه‌جایی بین حالت‌های اکسیداسیون مختلف آهن دارند. در میان انواع اکسیدکنندگان، بیشترین مطالعه را باکتری‌های اکسیدکننده آهن به خود اختصاص دادند. اکثر این باکتری‌ها به شاخة پروتئوباکتریا، بزرگ‌ترین شاخه باکتریایی تعلق دارند. اکسیدکنندگان آهن نه‌تنها بازیکنان کلیدی و مهم در چرخه‌های بیوژئوشیمیایی آهن محسوب می‌شوند، بلکه در چرخه سایر عناصر و فعالیت‌های زیست صنعتی مرتبط با معدن نیز از اهمیت زیادی برخوردارند (1). اکسیداسیون زیست‌کاتالیزشدة فرو به فریک در فرایندهای بیوهیدرومتالورژی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ زیرا در pH پایین (کمتر از 2)، این فرایند با استفاده از باکتری‌های اکسیدکنندة آهن با سرعتی چندین مرتبه بیشتر از اکسیداسیون غیرزیستی در دما و فشار معمولی انجام می‌شود (2). آهن فریک نقش بسیار مهمی در فرایندهای فروشویی زیستی کانسنگ‌های سولفیدی دارد. کانسنگ‌های سولفیدی فراوان‌ترین منبع تاًمین مس به شمار می‌روند که در این میان، کالکوپیریت حدود 70 درصد از ذخایر جهانی مس را تشکیل می‌دهد. بهطور معمول، کانسارهای پرعیار از طریق فلوتاسیون و به‌دنبال آن ذوب کنسانتره فرآوری می‌شوند؛ با این حال به‌دلیل انتشار زیاد گازهای آلاینده، به‌ویژه دی‌اکسید گوگرد[3] و همچنین هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری، تلاش‌ها در زمینة توسعه جایگزینی فرایندهای بیوهیدرومتالورژیکی به‌جای روش‌های مرسوم شدت یافته‌اند. کالکوپیریت فراوان‌ترین و مقاوم‌ترین کانی سولفیدی مس در جهان به شمار می‌رود. فروشویی زیستی کالکوپیریت یک فناوری نوین برای استحصال اقتصادی مس از کانسارهای کم‌عیار و پیچیده، با هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی کم و مزایای زیست‌محیطی به شمار می‌رود. فروشویی زیستی وابسته به عملکرد میکروارگانیسم‌های اکسیدکنندة آهن و گوگرد برای تولید عوامل واکنش‌گر مانند آهن فریک و اسید در طول فروشویی است (3, 4).
آهن فریک نقش بسیار مهمی در بیولیچینگ کالکوپیریت دارد. بیولیچینگ کالکوپیریت شامل چندین مرحله است که با انحلال سولفیدهای معدنی توسط پروتون‌ها و آهن فریک موجود در محیط بیولیچینگ آغاز می‌شود. سپس فلزات بهصورت یونی آزاد می‌شوند و گاز هیدروژن سولفید تولید می‌شود. هیدروژن سولفید تولیدشده با اکسایش توسط یون آهن فریک اکسید می‌شود و متعاقباً به پلی‌سولفیدها تجزیه و دایمریزه می‌شود. نتیجه فعالیت‌های ترکیبی پروتون‌ها و آهن فریک، تشکیل گوگرد عنصری به‌عنوان واسطه اصلی است. واکنش‌های این مکانیسم بهصورت زیر بیان می‌شوند (4):
گوگرد عنصری تولیدشده در واکنش 2 نسبتاً پایدار است؛ اما ممکن است توسط میکروارگانیسم‌های اکسیدکننده گوگرد (مانند اسیدی تیوباسیلوس تیواکسیدانس[4] یا اسیدی تیوباسیلوس کالدوس[5]) به اسید سولفوریک اکسید شود و همچنین آهن فرو تولیدشده در واکنش‌های 1 و 2 نیز ممکن است مجدداً توسط میکروارگانیسم‌های اکسیدکننده آهن مانند اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس یا باکتری‌های جنس لپتوسپیریلوم[6] یا سولفوباسیلوس[7] به آهن فریک اکسید شود؛ در نتیجه نقش میکروارگانیسم‌ها در فرایند انحلال سولفیدهای فلزی، تاًمین اسید سولفوریک برای حمله پروتونی و حفظ آهن در حالت اکسیدشده فریک برای حمله اکسیداتیو (اکسایشی) به کانی است. این نکته که اسیدوفیل‌ها توانایی رشد در pH پایین و تحمل غلظت بالای اسید را داشته باشند، از دیدگاه صنعتی حائز اهمیت است. یکی از دلایل آن، مشارکت آنها در چرخه آهن است که به تبدیل متقابل یون‌های آهن بین دو حالت اکسیداسیون فرو و فریک متکی است. چرخه آهن در درجه اول در محیط‌های اسیدی رخ می‌دهد؛ جایی که آهن دو ظرفیتی به‌عنوان دهنده الکترون در شرایط هوازی عمل می‌کند و به باکتری‌های اسیددوست اجازه می‌دهد انرژی کسب کنند. آهن سه ظرفیتی در pH خنثی نسبتاً نامحلول است؛ درحالیکه حلالیت آن در محلول‌های اسیدی افزایش می‌یابد و چرخه مداوم و انحلال فلز را تسهیل می‌کند (4, 5).
باکتری اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس، باکتری اسیددوست و کمولیتوتروف، یکی از مهم‌ترین میکروارگانیسم‌های استفاده‌شده در هیدرومتالورژی زیستی است که قادر به اکسیداسیون آهن دو ظرفیتی (Fe²⁺ → Fe³⁺) و چندین ترکیب گوگردی از قبیل، گوگرد عنصری در محیط‌های اسیدی (pH بهینه ی 5/2) است. این باکتری از طریق تولید یون‌های فریک به عنوان اکسیدکننده قوی و بازتولیدکننده آن، نقش محوری در بیولیچینگ سولفیدهای فلزی مقاوم مانند کالکوپیریت (CuFeS₂) دارد که این فرایند را به روشی سبز و اقتصادی برای استخراج مس، طلا و سایر فلزات از کانسارهای کم‌عیار تبدیل کرده است. این باکتری، گسترده‌ترین میکروارگانیسم مطالعه‌شده و پراستفاده‌ترین میکروارگانیسم در صنعت فروشویی زیستی است (6, 7). امروزه ثابت شده است دانسیته جمعیت میکروبی و مقاومت آنها به فلزات در فرایندهای فروشویی زیستی از اهمیت بالایی برخوردار است. تحقیقات نشان داده است استراتژی مقاومت باکتری‌ها به اسید و فلزات سنگین برای پروسه‌های فروشویی میکروبی بسیار با اهمیت است؛ جایی که فلزات محلول بهطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کنند (8). نتایج توسط محققان نشان داده‌اند اغلب مقاومت در میکروارگانیسم‌های فروشویی نسبت به اورانیوم بسیار کم است و محلول‌های فروشویی دارای اورانیوم، اکسیداسیون زیستی آهن فرو را در این میکروارگانیسم‌ها کند یا مهار می‌کنند (9)؛ بنابراین، انتخاب نوع مناسب میکروب‌ها در عملیات فروشویی میکروبی بیش‌ازحد اهمیت دارد.
معدن مس کال‌کافی در منطقه معدنی انارک در استان اصفهان واقع شده است. منطقه‌بندی مشخصی از کانسارها در ناحیه انارک وجود دارد و از غرب به شرق سه نوع کانه‌زایی مرتبط با ولکانیک ائوسن قابل تشخیص هستند: 1- کانه‌زایی مس، 2- کانه‌زایی مس-نیکل-کبالت-اورانیوم، 3- مس-نیکل-کبالت-آرسنیک (10). براساس این، هدف از پژوهش حاضر، بهینه‌سازی تولید یون آهن فریک به‌عنوان عامل اکسیدکننده کلیدی در فرایند فروشویی زیستی مس از کانسنگ معدن کال‌کافی، توسط باکتری مقاوم به اورانیوم اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3[8] است. در این مطالعه، برای نخستین‌بار اثرات اصلی و برهم‌کنشی پالپ دانسیته، زمان فرایند و میزان تلقیح باکتری بهصورت کمی با بهره‌گیری از روش طراحی مرکب مرکزی در چارچوب روش رویه پاسخ بررسی شد. نوآوری اصلی این پژوهش در تلفیق استفاده از یک سویه مقاوم به اورانیوم در فرایند فروشویی زیستی مس از کانسنگ معدن کال‌کافی با رویکرد پیشرفته طراحی آزمایش و تحلیل آماری دقیق نهفته است که امکان شناسایی شرایط بهینه واقعی و کاهش آزمون و خطا را فراهم می‌کند. نتایج این مطالعه می‌تواند مبنای علمی معتبری برای توسعه و مقیاس‌پذیری فرایندهای زیستی استخراج مبتنی بر اکسیداسیون زیستی آهن فراهم آورد.
مواد و روش‌ها
باکتری و سنگ معدن
باکتری استفاده‌شده در این پژوهش، یک باکتری مقاوم به اورانیوم به نام اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3، جداشده از معدن گچین بندرعباس است که متعلق به ذخایر زیستی پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای ایران است (In press). کانسنگ مس حاوی اورانیوم، از معدن کال‌کافی با عیار حدود 4786Cu= میلی‌گرم بر لیتر تهیه و خردایش آن با اندازه ذرات d80= 100 میکرومتر آماده شد. طول و عرض محدوده جغرافیایی محدوده کال کافی ´10 ° 54 تا ´20 ° 54 شرقی و ´20 ° 33 تا ´30 ° 33 شمالی در منطقه معدنی انارک در استان اصفهان است (11).
محیط‌های کشت باکتری
از محیط کشت مایع APH و محیط کشت جامد SM medium برای کشت باکتری مدنظر استفاده شد (12, 13). محیط کشت مایع APH در یک لیتر حاوی 2 گرم آمونیوم سولفات، 5/0گرم دی‌پتاسیم فسفات، 5/0 گرم منیزیم سولفات 7 آبه، 1/0 گرم پتاسیم کلرید، 01/0 گرم کلسیم نیترات و 20 گرم نمک سولفات آهن 7 آبه است و pH نهایی این محیط توسط اسید سولفوریک روی 8/1 تنظیم شد (13). باکتری با مقدار تلقیح اولیه 20 درصد به شکل هوازی در شیکر انکوباتور 30 درجه سانتی‌گراد با دور rpm 150 (شرایط بهینه رشد) در این محیط کشت داده شد.
محیط کشت جامد SM medium استفاده‌شده دارای محلول 1: 35 میلی‌لیتر از محلول 10x Modified 9K (حاوی: 50 گرم بر لیتر (NH4)2SO4، 66/1 گرم بر لیتر KCl، 84/0 گرم بر لیتر K2HPO4، 34/8 گرم بر لیتر MgSO4.7H2O، 24/0 گرم بر لیتر Ca(NO3)2.4H2O ) که 265 میلی‌لیتر آب مقطر اضافه شد (pH محلول برابر با 5/2) و محلول 2: 11 گرم FeSO4.7H2O در 75 میلی‌لیتر آب مقطر (pH برابر با 5/2) و محلول 3: 2 گرم آگارز در 125 میلی‌لیتر آب مقطر (12) است. پلیت‌های کشت باکتری در محیط SM در انکوباتور 30 درجه سانتی‌گراد گرماگذاری شدند.
بررسی پارامترهای مؤثر در اکسیداسیون زیستی آهن برای آزمایش‌های فروشویی زیستی توسط طراحی آزمایش
سه پارامتر میزان دانسیته پالپ (استریل‌شده)، تعداد روزهای انجام فرایند فروشویی زیستی و میزان تلقیح باکتری به روش رویه پاسخ[9] و از طریق طراحی مرکب مرکزی[10]، به‌منظور بررسی اثرات منفرد و تعاملی‌شان بر میزان آهن فریک تولیدشده در فرایند فروشویی زیستی مس از کانسنگ معدن کال‌کافی توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3 ارزیابی و بهینه‌سازی شدند. در طراحی مرکب مرکزی، متغیرهای مستقل در 5 سطح α+،1، 0، -1، α- بررسی شدند. سطوح مختلف پارامترهای طراحی آزمایش در جدول 1 نشان داده شده‌اند. در طی این بررسی 17 عدد آزمایش طراحی شد که مشخصات هر آزمایش در جدول 2 مشاهده می‌شود. تمام آزمایشات در ارلن‌های 250 میلی‌لیتری با حجم‌های 150 میلی‌لیتر از محیط کشت APH انجام و در دمای 30 درجه سانتی‌گراد در شیکرانکوباتور با دور rpm 150 و تحت شرایط هوازی گرماگذاری شدند. میزان آهن فریک تولیدی و همچنین میزان آهن کُل با نمونه‌برداری از مایع رویی محیط فروشویی در ارلن‌های مربوط در روز پایانی هر آزمایش اندازه‌گیری شد (14, 15).
جدول 1- متغیرهای طراحی مرکب مرکزی و سطوح کدشده مربوط به آنها
Table 1- Variables and the corresponding coded levels in the central composite design
|
+α |
+1 |
0 |
-1 |
-α |
Parameters |
|
15 |
12.97 |
10 |
7.03 |
5 |
Pulp density (%) |
|
20 |
16.96 |
12.5 |
8.04 |
5 |
Bacterial inoculum (%) |
|
21 |
17.15 |
11.5 |
5.85 |
2 |
time |
سنجش آهن
برای سنجش میزان آهن فریک محیط کشت، 100 میکرولیتر از مایع رویی محیط فروشویی زیستی به 3 میلی‌لیتر سولفوسالیسیلیک اسید 10 درصد اضافه شد. اسید سولفوسالیسیلیک با یون‌های آهن فریک محیط تشکیل کمپلکس ارغوانی رنگ می‌دهد. سپس جذب محلول با توجه به منحنی استاندارد در طول موج 500 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتری خوانده شد (شکل 1-A).
برای اندازه‌گیری میزان آهن کل در نمونه‌ها، 3 میلی‌لیتر از اسید سولفوسالیسیلیک 10 درصد و سپس 3 میلی‌لیتر از آمونیاک 25 درصد به100 میکرولیتر از محیط اضافه شد. اسید سولفوسالیسیلیک با یون‌های آهن فریک ترکیب شد و کمپلکس ارغوانی رنگی ایجاد کرد. با افزایش pH محیط به‌دلیل افزودن آمونیاک، اسید سولفوسالیسیلیک با تمام یون‌های آهن موجود در محیط، واکنش و کمپلکس زرد رنگی تشکیل می‌دهد؛ درنهایت، جذب محلول با استفاده از منحنی استاندارد در طول موج 425 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتری اندازه‌گیری شد (شکل 1-B) (16).
جدول 2- مقادیر متغیرهای آزمایشگاهی طراحی مرکب مرکزی در روش رویه پاسخ
Table 2- Experimental levels of central composite design variables in RSM
|
C Pulp Density (%) |
B Inoculation (%) |
A Time (Day) |
RUN |
|
12.97 |
8.04 |
17.15 |
1 |
|
12.97 |
8.04 |
5.85 |
2 |
|
12.97 |
16.96 |
17.15 |
3 |
|
12.97 |
16.96 |
5.85 |
4 |
|
15.00 |
12.50 |
11.50 |
5 |
|
7.03 |
8.04 |
5.85 |
6 |
|
5.00 |
12.50 |
11.50 |
7 |
|
10.00 |
12.50 |
11.50 |
8 |
|
7.03 |
16.96 |
17.15 |
9 |
|
7.03 |
8.04 |
17.15 |
10 |
|
10.00 |
12.50 |
11.50 |
11 |
|
10.00 |
12.50 |
21.00 |
12 |
|
10.00 |
5.00 |
11.50 |
13 |
|
10.00 |
20.00 |
11.50 |
14 |
|
10.00 |
12.50 |
2.00 |
15 |
|
7.03 |
16.96 |
5.85 |
16 |
|
10.00 |
12.50 |
11.50 |
17 |
شکل 1- تصاویر بالن حجمی‌های 50 میلی‌لیتری از آزمایش سنجش آهن براساس تغییرات جذب نوری (A) سنجش آهن فریک (B) سنجش آهن کل
Figure 1- Pictures of volumetric flasks (50ml) in iron determination test based on optical absorbance changes (A) Ferric iron determination (B) Total iron determination
نتایج
در جدول 3 مشخصات کمی مربوط به هر 17 آزمایش طراحی‌شده براساس سه متغیر مستقل طراحی مرکب مرکزی و همچنین میزان آهن فریک تولیدی مربوط به هر 17 آزمایش مشاهده می‌شود. به‌منظور ارزیابی میزان تطابق مدل پیشنهادی نرم‌افزار با رابطه معنادار آماری موجود بین متغیرهای مستقل و متغیر پاسخ از تحلیل واریانس[11] استفاده شد (جدول 4). روش رویه پاسخ یک مجموعه‌ای از تکنیک‌های ریاضی است که ارتباط میان چندین متغیر مستقل و یک یا چندین متغیر وابسته (متغیر پاسخ) را توصیف می‌کند. روش رویه پاسخ، نتایج تجربی به‌دست‌آمده از طراحی آزمایش را توسط مدل‌های ریاضی مناسب‌سازی می‌کند و اعتبار مدل براساس روش‌های آماری به دست می‌آید. طراحی آزمایش به‌ویژه برای بهبود کارایی فرایندها قابل استفاده است. هدف اصلی طراحی آزمایش، دخالت‌دادن هم‌زمان تمام پارامترهای مهم در یک مجموعه از آزمایشات طراحی‌شده و ادغام نتایج از طریق یک مدل ریاضی است. پس از آن، از این مدل می‌توان برای بهینه‌سازی، پیش‌بینی یا تفسیر استفاده کرد. این امر منجر به بهبود عملکرد فرایند، کاهش تعداد متغیرها در فرایند با درنظرگرفتن تنها مهم‌ترین آنها و همچنین کاهش هزینه عملیات و زمان آزمایش می‌شود (14). بهطور کلی، مقدار P کمتر از 05/0 و مقدار F بزرگ در جدول تحلیل واریانس نشان‌دهنده تأثیر بیشتر متغیرها با سطح اطمینان 95 درصد است. مقادیر P و F مدل پیشنهادی به‌ترتیب برابر با 0022/0 و 08/11 است که دلالت بر صحت مدل پیشنهادی دارد. همچنین مقدار R2 برابر با 93/0 است که این مقدار نشان می‌دهد مدل پیشنهادی به‌خوبی قادر است مقادیر تجربی را پیش‌بینی کند. نتایج جدول 4 نشان می‌دهند هر سه متغیر تعداد روزهای انجام فرایند فروشویی زیستی، میزان تلقیح اولیه باکتری و میزان پالپ دانسیته از لحاظ آماری (05/0< p-value) بر میزان آهن فریک تولیدشده توسط باکتری بسیار تأثیرگذار هستند.
مدل پیشنهادشده توسط نرم‌افزار بهصورت زیر تعریف شده است:
Fe3+ =-1691.22699+256.18806 * Time +688.56736 * Inoculation-134.27012 * Pulp Density-44.27908 * Time * Inoculation+1.28396 * Time * Pulp Density+3.54025 * Inoculation * Pulp Density-3.31297* Time2-27.48621* Inoculation2+1.78258 * Time * Inoculation2
جدول 3- مقادیر متغیرها و پاسخ‌های آزمایشگاهی طراحی مرکب مرکزی در روش رویه پاسخ
Table 3- Experimental variables and responses in the central composite design of RSM
|
غلظت آهن فریک (ppm) |
C Pulp Density (%) |
B Inoculation (%) |
A Time (Day) |
RUN |
|
202 |
12.97 |
8.04 |
17.15 |
1 |
|
679 |
12.97 |
8.04 |
5.85 |
2 |
|
650 |
12.97 |
16.96 |
17.15 |
3 |
|
1141.5 |
12.97 |
16.96 |
5.85 |
4 |
|
924.5 |
15.00 |
12.50 |
11.50 |
5 |
|
1285.5 |
7.03 |
8.04 |
5.85 |
6 |
|
1676 |
5.00 |
12.50 |
11.50 |
7 |
|
1213.5 |
10.00 |
12.50 |
11.50 |
8 |
|
982.5 |
7.03 |
16.96 |
17.15 |
9 |
|
679 |
7.03 |
8.04 |
17.15 |
10 |
|
982.5 |
10.00 |
12.50 |
11.50 |
11 |
|
245.5 |
10.00 |
12.50 |
21.00 |
12 |
|
635.5 |
10.00 |
5.00 |
11.50 |
13 |
|
1228 |
10.00 |
20.00 |
11.50 |
14 |
|
1806 |
10.00 |
12.50 |
2.00 |
15 |
|
1517 |
7.03 |
16.96 |
5.85 |
16 |
|
1459 |
10.00 |
12.50 |
11.50 |
17 |
نتایج نشان دادند میزان آهن کل محیط کشت برابر با 5/4089 میلی‌گرم بر لیتر است که در نقطه مرکزی، میزان آهن فریک تولیدشده توسط باکتری با افزایش زمان از 2 تا 21 روز، از مقدار 86 /1695 میلی‌گرم بر لیتر به 36/135 میلی‌گرم بر لیتر کاهش می‌یابد (شکل 2). علت این کاهش را می‌توان به مصرف پیوسته آهن فریک، به‌عنوان اکسیدکننده اصلی برای انحلال مس در طول فروشویی زیستی دانست. با افزایش میزان تلقیح اولیه باکتری در محیط از 5 تا 7/14 درصد، میزان آهن فریک تولیدی از 89/520 میلی‌گرم بر لیتر به 1269 میلی‌گرم بر لیتر افزایش می‌یابد و سپس با افزایش بیشتر میزان تلقیح اولیه باکتری، میزان آهن فریک تولیدشده به 33/1122 میلی‌گرم بر لیتر تقلیل می‌یابد. دلایل احتمالی برای این کاهش را می‌توان به یک مجموعه از فاکتورهای فیزیولوژیکی منفی نسبت داد. این فاکتورها شامل رقابت بین‌سلولی، اتمام مواد مغذی ضروری و انباشتگی متابولیت‌های سمی هستند که منجر به مهار احتمالی فعالیت‌های متابولیکی - میکروبی و درنتیجه کاهش کارایی مؤثر تولید زیستی آهن فریک در حین فروشویی زیستی می‌شوند. همچنین نتایج نشان دادند با افزایش میزان پالپ دانسیته استفاده‌شده از 5 تا 15 درصد، میزان آهن فریک تولیدشده از 86/1590 میلی‌گرم بر لیتر به 34/838 میلی‌گرم بر لیتر کاهش می‌یابد. دانسیته پالپ‌های بالا ممکن است چندین فاکتور مهاری را بر روند فرایند فروشویی زیستی اعمال کنند. این فاکتورهای مهاری شامل محدودیت دسترسی به مواد مغذی، CO2 و O2 و همچنین محدودیت انتقال جرمی هستند که می‌توانند بر فعالیت میکروبی و کاهش تولید زیستی آهن فریک تأثیر منفی بگذارند (شکل 2). در اشکال 3 تا 5، رویه‌های سه‌بعدی پاسخ‌ها نشان داده شده‌اند که ناشی از برهمکنش سه متغیر تعداد روزهای انجام فرایند فروشویی زیستی، میزان تلقیح اولیه باکتری و میزان پالپ دانسیته استفاده‌شده هستند.
جدول 4- تحلیل واریانس مدل پیشنهادی
Table 4- ANOVA of the proposed model
|
p-value |
F value |
Mean square |
df |
Sum of squares |
References |
|
0.0022 |
11.08 |
358403.8 |
9 |
3225634 |
Model |
|
0.0005 |
37.66 |
1217580 |
1 |
1217580 |
A-Time |
|
0.0079 |
13.50 |
436643.7 |
1 |
436643.7 |
B-Inoculation |
|
0.0025 |
21.14 |
683559.3 |
1 |
683559.3 |
C-Pulp Density |
|
0.9132 |
0.01 |
413.2813 |
1 |
413.2813 |
AB |
|
0.7444 |
0.12 |
3719.531 |
1 |
3719.531 |
AC |
|
0.4843 |
0.55 |
17625.03 |
1 |
17625.03 |
BC |
|
0.0777 |
4.27 |
138022.9 |
1 |
138022.9 |
A^2 |
|
0.0300 |
7.37 |
238449.8 |
1 |
238449.8 |
B^2 |
|
0.0822 |
4.11 |
132882.5 |
1 |
132882.5 |
AB^2 |
|
شکل 3- رویه سه‌بعدی برهمکنش تعداد روزهای انجام فروشویی زیستی و میزان تلقیح اولیه باکتری بر مقدار آهن فریک تولیدشده توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3. Figure 3- Three-dimensional surface of interaction of bioleaching duration and initial bacterial inoculum on the amount of ferric iron produced by Acidithiobacillus ferrooxidans strain THA3. |
|
شکل 4- رویه سه‌بعدی برهمکنش تعداد روزهای انجام فروشویی زیستی و میزان پالپ دانسیته استفاده‌شده بر مقدار آهن فریک تولیدشده توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3. Figure 4- Three-dimensional surface of interaction of bioleaching duration and pulp density on the amount of ferric iron produced by Acidithiobacillus ferrooxidans strain THA3. |
|
شکل 5- رویه سه‌بعدی برهمکنش میزان پالپ دانسیته و میزان تلقیح اولیه باکتری بر مقدار آهن فریک تولیدشده توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3. Figure 5- Three-dimensional surface of interaction of pulp density and initial bacterial inoculum on the amount of ferric iron produced by Acidithiobacillus ferrooxidans strain THA3. |
|
شکل 6- مقایسه مقادیر تجربی و مقادیر پیش‌بینی‌شده به‌منظور ارزیابی کفایت مدل Figure 6-Comparing experimental values and predicted values to assess the adequacy of the model |
در بحث کفایت مدل، نمودار شکل 6 انحراف داده‌های تجربی از داده‌های پیش‌بینی‌شده را نشان می‌دهد؛ بنابراین، با توجه به نزدیکی داده‌های تجربی به خط ترسیم‌شده، می‌توان نتیجه گرفت معادله ارائه‌شده، به‌خوبی میزان آهن فریک تولیدشده توسط باکتری اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3 را توصیف می‌کند.
بحث و نتیجه‌گیری
اکسیداسیون آهن فرو (Fe2+) به آهن فریک (Fe3+) در حضور اکسیژن، مکانیسم اصلی استفاده‌شده توسط میکروارگانیسم‌های فروشویی زیستی برای انحلال فلزات است. آهن فرو در pH پایین نسبتاً پایدار است و اکسیداسیون غیرزیستی به شدت آهسته است؛ بنابراین، حضور میکروب‌های مسئول فروشویی زیستی در محیط‌های اسیدی، برای فرایند اکسیداسیون آهن ضروری است و ازآنجایی‌که فعالیت میکروب‌ها از میزان اکسیداسیون آهن و گوگرد اندازه‌گیری می‌شود، هر پارامتری که روی باکتری‌ها و فعالیتشان اثر بگذارد، بهصورت غیرمستقیم بر میزان اکسیداسیون فرو و درنتیجه میزان فریک موجود در محلول فروشویی نیز اثرگذار خواهد بود. یون Fe2+ منبع اصلی انرژی برای اغلب میکروارگانیسم‌های فروشویی کمولیتوتروف محسوب می‌شود و جمعیت باکتریایی به مقدار آهن فرو اکسیدشده بستگی دارد. در یک برآورد تقریبی، برای تولید یک گرم زیست‌توده به صد گرم اکسیداسیون آهن فرو نیاز است (17-19).
نتایج این پژوهش نشان دادند پالپ دانسیته یکی از پارامترهای کلیدی است که بهطور معناداری بر میزان تولید یون آهن فریک توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3 تأثیر دارد؛ به‌طوری‌که افزایش پالپ دانسیته از 5 به 15 درصد باعث کاهش چشمگیر آهن فریک تولیدی شد. این یافته با نتایج گزارش‌شده در مطالعات پیشین در زمینه بیولیچینگ فلزات هم‌راستا است؛ به‌گونه‌ای که بررسی اثر پالپ دانسیته بر استخراج فلزات نشان داده است با افزایش محتوای جامدات در محیط واکنش، کارایی استخراج کاهش می‌یابد که دلیل آن کاهش در دسترس‌پذیری اکسیژن و محدودیت در انتقال جرم به سطح ذرات است و همچنین صدمات سلول باکتری بر اثر سایش فیزیکی ذرات بر سلول‌های باکتری است (20, 21). همچنین ثابت شده است در فرایند فروشویی زیستی، افزایش چگالی پالپ باعث افزایش مواد سمی در محیط فروشویی و مهار رشد میکروبی می‌شود؛ بنابراین، فرایند استخراج فلز در چگالی پالپ کمتر، اغلب به بهترین شکل انجام می شود (17). بهطور مشابه، محققین در مطالعه پیرامون بیولیچینگ چندین فلز نشان دادند افزایش پالپ دانسیته از 5/2 درصد به مقادیر بالاتر برای آهن و روی منجر به کاهش درصد استخراج می‌شود که این پدیده نیز به اثرات منفی بالارفتن مقاومت هیدرودینامیکی و کاهش فعالیت باکتری در محیط مرتبط است (22). این تقارن در الگوی تأثیر پالپ دانسیته نشان می‌دهد کاهش آهن فریک با افزایش درصد جامدات، نه‌تنها مختص به شرایط این پژوهش، بلکه یک روند عمومی در سیستم‌های بیولوژیکی اکسیداسیون آهن است.
مقدار اکسیداسیون، به‌دلیل چندین عامل، از یک سویه میکروبی به سویه دیگر متفاوت است. تحقیقات نشان داده است چگالی مایع تلقیح میکروارگانیسم، یکی از عوامل کنترل‌کننده در سینتیک فروشویی زیستی است. جمعیت میکروبی انبوه ممکن است راندمان فروشویی زیستی را افزایش دهد؛ اما چندین عامل محدودکننده، مانند کمبود CO2 و منبع مواد مغذی می‌تواند منجر به محدودشدن جمعیت میکروبی شوند؛ بنابراین، برای دستیابی به حداکثر راندمان فروشویی زیستی، باید یک چگالی مایع تلقیح بهینه تأمین شود (17). درمورد میزان تلقیح باکتری و زمان فرایند نیز نتایج حاضر نشان‌دهنده وجود یک سطح بهینه هستند؛ افزایش تلقیح اولیه تا 7/14 درصد منجر به افزایش تولید آهن فریک شد؛ اما تلقیح بیشتر از این مقدار موجب افت تولید شد. این الگو با داده‌های منتشرشده در ارتباط با نقش مقدار تلقیح اولیه و فعالیت بیولیچینگ مطابقت دارد؛ جایی که استفاده از تلقیح مناسب باعث افزایش مقدار اکسیداسیون و کاهش فاز تأخیر رشد می‌شود؛ درحالیکه تلقیح‌های بیش‌ازحد می‌تواند باعث رقابت بیش‌ازحد برای منابع محدود، ازجمله اکسیژن و مواد مغذی شود و افت کارایی را به‌دنبال داشته باشد (23). Huang et al (2023) در مطالعه‌ای تأثیر میزان تلقیح اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس بر سینتیک اکسیداسیون یون‌های آهن را بررسی و گزارش کردند که افزایش میزان تلقیح می‌تواند سرعت اکسیداسیون آهن فرو را تسریع کند؛ اما این اثر بهصورت غیرخطی بوده و نیازمند بهینه‌سازی است (23).
در پژوهش حاضر نتایج نشان دادند زمان انجام فرایند فروشویی زیستی تأثیر معنی‌داری بر میزان آهن فریک تولیدی دارد؛ به‌گونه‌ای‌که با افزایش زمان از 2 تا 21 روز، میزان آهن فریک بهطور چشمگیری کاهش یافت. این الگو همسو با یافته‌های مطالعات قبلی است که در فرایندهای بیولیچینگ مشاهده شده است؛ برای مثال، در بررسی بیولیچینگ فلزات مشاهده شد که غلظت آهن فریک پس از چند روز بهطور چشمگیری تغییر می‌کند و به‌تدریج کاهش می‌یابد که می‌تواند ناشی از تغییرات دینامیک رشد باکتری و انباشته‌شدن ترکیبات سمی (مثلاً تجمع یون‌های فلزی خاص یا مواد آلی) در محیط باشد؛ امری که رفتار اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس را در مراحل پیشرفته بیولیچینگ تحت شرایط محدودکننده نشان می‌دهد (17, 21). علاوه بر این، مصرف آهن فریک به‌عنوان اکسیدکننده در واکنش‌های بیولیچینگ و همچنین رسوب آن بهصورت فازهای معدنی ثانویه، به‌ویژه جاروسیت[12]، نقش مهمی در این کاهش دارد. یون‌های آهن فریک تولیدشده توسط اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس در واکنش با کانی‌های سولفیدی مصرف می‌شوند و در شرایط محیطی خاص، ممکن است بهصورت ترکیبات نامحلول آهن مانند جاروسیت رسوب کنند. این پدیده در مطالعات متعدد بیولیچینگ آهن و فلزات پایه گزارش شده است و به‌عنوان یکی از عوامل محدودکننده مهم در مراحل پیشرفته فرایند شناخته می‌شود (3). این نتایج مشابه مشاهدات قبلی در بیولیچینگ چندین فلز است و نیاز به تعادل دقیق بین مدت عملیات و فاکتورهای محیطی را تأکید می‌کند.
نتایج برهمکنش‌ها نیز نشان دادند با افزایش میزان تلقیح اولیه باکتری در محیط از 5 تا 7/14 درصد، میزان آهن فریک تولیدی در مدت زمان کمتر (2 روز) افزایش می‌یابد. سپس با افزایش بیشتر میزان تلقیح اولیه باکتری، میزان آهن فریک تولیدشده تقلیل می‌یابد (شکل 3). همان‌طور که ذکر شد، دلایل احتمالی برای این کاهش را می‌توان به یک مجموعه از فاکتورهای فیزیولوژیکی منفی نسبت داد. این فاکتورها شامل رقابت بین‌سلولی، اتمام مواد مغذی ضروری و انباشتگی متابولیت‌های سمی هستند که منجر به مهار احتمالی فعالیت‌های متابولیکی - میکروبی و درنتیجه کاهش کارایی مؤثر تولید زیستی آهن فریک در حین فروشویی زیستی می‌شوند. این اثر در مدت زمان 2 روز که آهن فریک، به‌عنوان اکسیدکننده اصلی برای انحلال مس در طول فروشویی زیستی هنوز استفاده نشده است، نسبت به زمان‌های بیشتر واضح‌تر دیده می‌شود. همان‌طور که در شکل 4 هم دیده می‌شود، میزان آهن فریک تولیدشده با افزایش میزان پالپ دانسیته استفاده‌شده کاهش می‌یابد. نتایج در شکل 4 نشان می‌دهند، این اثر مهاری در مدت زمان‌های بیشتر، افزایش می‌یابد. همچنین این اثر مهاری دانسیته پالپ بالا در میزان تلقیح اولیه کمتر باکتری نیز بیشتر دیده می‌شود (شکل 5). همان‌طور که ذکر شد، دانسیته پالپ‌های بالا ممکن است چندین فاکتور مهاری را بر روند فرایند فروشویی زیستی اعمال کنند؛ اما با گذشت زمان و افزایش غلظت مواد سمی در محیط فروشویی و مهار رشد میکروبی بیشتر این اثر مهاری بیشتر است. به‌کارگیری روش طراحی مرکب مرکزی در چارچوب روش رویه پاسخ این امکان را فراهم کرد تا ضمن کاهش تعداد آزمایش‌ها و هزینه‌های اجرایی، اثرات اصلی و برهم‌کنشی متغیرها بهطور هم‌زمان شناسایی و تعیین شوند. این یافته‌ها بیان می‌کنند تولید مؤثر آهن فریک مستلزم ایجاد تعادل مناسب میان شرایط عملیاتی و زیستی سیستم است. درمجموع، نتایج این مطالعه علاوه بر ارائه بینش علمی درخصوص رفتار زیستی جدایه جدید مقاوم به اورانیوم اسیدی تیوباسیلوس فروکسیدانس سویه THA3، می‌تواند به‌عنوان مبنایی کارآمد برای طراحی، بهینه‌سازی فرایندهای فروشویی زیستی و بهبود کارایی کاربردهای صنعتی مبتنی بر اکسیداسیون زیستی آهن توسط سویه‌های بومی ایران را فراهم آورد.
[1] Fe2+
[2] Fe3+
[3] SO2
[4] Acidithiobacillus thiooxidans
[5] Acidithiobacillus caldus
[6] Leptospirillum
[7] Sulfobacillus
[8] Acidithiobacillus ferrooxidans strain THA3
[9] Response Surface Methodology (RSM)
[10] Central Composite Design (CCD)
[11] Analysis of variance (ANOVA)
[12] Jarosite
)