バイオマイニング

バイオハイドロメタラジーは、直接浸出と間接浸出の2つの方法で効率的に実施できます。直接浸出では、鉱石と微生物が物理的に接触します。硫化物鉱石は電子供与体として機能し、酸素の還元と共役することで微生物にエネルギーを供給します。多くの硫化物鉱石は直接浸出に適しています。例えば、コベライト（CuS）、輝銅鉱（Cu₂S _）、方鉛鉱（PbS）、輝水鉛鉱（MoS₂ _）などです。エネルギー生成変換は次のように表すことができます。

MS + 2 O ₂ → MSO ₄

「間接浸出」では、微生物と硫化物鉱物との物理的な接触は必要ありません。この場合、細菌は浸出剤とみなせるFe³⁺（鉄イオン）を^生成します。鉄イオンは（通常）硫化物鉱石を攻撃します。金属硫化物鉱石の溶解に関する一般的な式は次のとおりです。

MS + Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + O ₂ → 2 FeSO ₄ +MSO ₄ + S

ここでバイオマイニングの対象となるのはM、多くの場合銅である。細菌は、空気による二価鉄の再酸化と、硫黄含有生成物の硫酸への酸化を促進することができる。

金を含む黄鉄鉱（および関連する「黄鉄鉱質」鉱物）の金回収において、黄鉄鉱の酸化は特に重要である。ここでの目標は、空気を使用して黄鉄鉱を溶解することである。^{[ 22 ]}

FeS2 + _O2 + _2H2O → _FeSO4 + _2H2SO4​​_​

反応機構としては、初期段階では黄鉄鉱が鉄イオン（Fe ³⁺ ）によってチオ硫酸塩に酸化され、それが還元されて鉄イオン（Fe ²⁺）になる。チオ硫酸塩は空気によっても酸化されて硫酸塩になる。

S ₂ O 2− 3 + 2 O ₂ + H ₂ O → 2HSO − 4

空気による鉄イオンの酸化は、細菌によって促進される。

4 FeSO ₄ + O ₂ + 2 H ₂ SO ₄ → 2Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + 2 H ₂ O

したがって、細菌の役割は、鉄イオンとチオ硫酸イオンの酸化である。実際問題として、細菌はアンモニウムやリン酸塩などの栄養素を必要とする。^{[ 8 ] [ 23 ]}

硫酸塩は金属アクア錯体であり、図示されているような無水物ではない。

同様の反応は、ペントランダイト鉱石からのニッケルイオンの浸出や、UO2含有鉱石からのウランの浸出にも適用される。 ^{[ 22 ]}

バイオリーチングは、バイオマイニングの初期の広く利用された応用例の1つです。^{[ 24 ]} これは大きく分けて2つの分野で実施されています。

• 岩石は抽出剤（浸出剤）で処理され、抽出剤は固体に浸透し、浸出液から金属が回収される。^{[ 25 ]}
  • 廃棄物バイオリーチングでは、廃石を（高さ100mを超える）山状に積み上げ、硫酸で飽和させて、土着のバクテリアによる鉱物の酸化を促進します。^{[ 23 ]}廃棄物バイオリーチングでは、岩石へのバクテリアの接種は行われず、岩石中に既に存在するバクテリアに依存します。^{[ 23 ]}
  • ヒープバイオリーチングは、ダンプリーチングの新しい手法です。^{[ 23 ]}このプロセスでは、岩石をより細かい粒に粉砕するなど、より多くの処理が行われます。^{[ 23 ]}この細かい粒は、わずか2～10mの高さに積み上げられ、十分な酸素と二酸化炭素がバクテリアに届くように十分に灌漑されます。^{[ 23 ]}また、多くの場合、バクテリアが接種されます。^{[ 23 ]}堆積物の底から出てくる液体は浸出液と呼ばれ、処理された鉱物が豊富に含まれています。堆積物は、浸出液を受け止めて処理するための非多孔質のプラットフォーム上にあります。^{[ 23 ]}収集された浸出液は、金属が再沈殿および精製される沈殿プラントに輸送されます。貴重な鉱物がなくなった廃液は、堆積物の上部にポンプで戻され、サイクルが繰り返されます。^{[ 23 ]}

浸出堆積物内部の温度は、微生物活動の結果として自然に上昇することが多い。^{[ 23 ]}そのため、好熱性鉄酸化化学合成独立栄養生物である好熱性アシディチオバチルス属やレプトスピリルム属、さらに高温では好熱性好酸性古細菌スルフォロブス（メタロスフェラ・セデュラ） が、40 ℃を超える浸出プロセスにおいて重要になる可能性がある。 ^{[ 23 ]}

ヒープリーチングやダンプリーチングの主要な代替手段は、連続攪拌槽型反応器（STR）です。^{[ 25 ]}代替手段には、低濃度の鉱物資源を効率的に抽出するためのパチューカ型エアリフト反応器（ALR）または空気圧反応器（PR）などがあります。^{[ 2 ]}

原位置バイオマイニングは、まだ地中から取り出されていない破砕鉱床に水を注入し、細菌を接種するものです。^{[ 23 ]}細菌が鉱床に導入されると、貴金属の浸出が始まり、回収井戸で浸出液として抽出できます。^{[ 26 ]} 原位置採掘は、費用対効果の高い深部地下からの金属抽出への応用にも有望です。^{[ 27 ]}

原位置バイオマイニングは、バイオリーチングを利用した現在の方法の中で、従来の採掘に代わる効果的で実行可能な方法の一つです。^{[ 28 ]}原位置バイオマイニングは鉱床の抽出を必要としないため、鉱石の運搬や製錬が不要になります。 ^{[ 27 ]}これは、地表を汚染する廃石や鉱滓が発生しないことを意味します。^{[ 27 ]}原位置バイオマイニングは、地下水の汚染などの環境上の課題を抱えています。^{[ 27 ] [ 28 ]}

黄鉄鉱（黄鉄鉱、白鉄鉱、砒鉄鉱）からのバイオリーチングでは、Acidithiobacillus ferrooxidans（旧名Thiobacillus ferrooxidans）やAcidithiobacillus thiooxidans（旧名Thiobacillus thiooxidans）などの鉄および硫黄酸化細菌が利用されます。この種の処理から鉄塩を得ることには関心がありません。むしろ、金などの貴金属の微量がこのプロセスで遊離される可能性があります。これは、金の微粒子が黄鉄鉱と関連していることが多いためです。^{[ 29 ]} これらの黄鉄鉱の処理では、間接浸出を使用して硫酸が生成されます。 ^{[ 30 ]}金を含む精鉱のバイオ酸化プラントは、Leptospirillum ferrooxidansまたはAcidithiobacillus属 の混合培養で 40 °Cで運転されています。金は自然界では砒鉄鉱や黄鉄鉱と共存して見つかることが多い。微生物浸出プロセスでは、Acidithiobacillus ferrooxidansなどがこれらの鉱物を溶解し、閉じ込められていた金 (Au) を露出させる。^{[ 31 ]} 次の反応式でそのプロセスを要約できる。^{[ 31 ]}

2 FeAsS[Au] + 7 O ₂ + 2 H ₂ O + H ₂ SO ₄ → Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + 2 H ₃ AsO ₄ + [Au]

これらの浸出法の最大の用途の 1 つは銅の採掘です。Acidithiobacillus ferrooxidans は、硫化物鉱石から銅を溶解する能力があります。^{[ 32 ]}好酸性古細菌Sulfolobus metallicusおよびMetallosphaera sedula は、最大 4% の銅に耐えることができます。主な用途は、 Thiobacillus thiooxidansを使用して低品位鉱石から抽出することです。^{[ 22 ]}これは、高品位鉱石の枯渇に直面している重要な考慮事項です。^{[ 2 ]}

その後、銅はスクラップ鉄にめっきするか、電解採取することによって溶液から回収することができる。

Fe ⁰ + Cu ²⁺ → Cu ⁰ + Fe ²⁺

主要な銅鉱物である黄銅鉱（CuFeS _{2 ）は、あまり効率的に浸出されません。その代わりに、浮選が主流の技術となっています。CuFeS 2}の浸出は、上記の間接浸出で示された経路に従って進行します。^{[ 22 ]}

ピッチブレンドなどの非硫化物鉱石のバイオリーチングでも、酸化剤として三価鉄が使用されます（例：UO ₂ + 2 Fe ³⁺ ==> UO ₂ ²⁺ + 2 Fe ²⁺）。この場合、細菌ステップの目的は Fe ³⁺の再生です。硫化鉄鉱石を添加することで、プロセスを加速し、鉄の供給源を提供できます。アシディチオバチルス属菌がコロニーを形成する廃硫化物と元素硫黄の層状化による非硫化物鉱石のバイオリーチングが実証されており、硫化物鉱物を含まない材料の加速リーチング戦略を提供します。^{[ 33 ]}

バイオマイニングは、1970年代にカナダで採掘済みの鉱山から追加のウランを抽出するために使用されました。^{[ 34 ]}銅のバイオマイニングと同様に、Acidithiobacillus ferrooxidansは_O2を電子受容体として^{U4+をU6 +}に酸化することができます。しかし、ウランの浸出プロセスはFe3 ⁺によるウランの化学的酸化により大きく依存しており、At. ferrooxidansは^{主にFe2 +}をFe3 ⁺に再酸化することによって寄与していると考えられます。

UO ₂ + Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ → UO ₂ SO ₄ + 2 FeSO ₄

生物学的手法は石炭から硫黄を除去し、よりクリーンに燃焼する燃料を得る上で有望であることが示されている。しかし、この概念は実証段階を超えて進展していない。^{[ 36 ]}

微生物は地球外での採掘に利用できる可能性がある。^{[ 37 ]}

宇宙バイオマイニングは概念段階にある。^{[ 4 ] [ 38 ] [ 39 ]}宇宙でのバイオリーチングも、生物生命維持システム（BLSS）の構築への応用が期待されている。^{[ 4 ]} BLSSは通常、生物学的成分を含まないが、微生物を使用して廃棄物やレゴリスを分解し、硝酸塩やメタンなどの副産物を捕捉できれば、理論的には再生可能な生命維持の循環システムが可能になる。^{[ 4 ]}

実験の実験単位

S. desiccabilisは高い有効性を示した微生物である。

菌類や植物（植物抽出、植物採掘とも呼ばれる）も使用されることがある。^{[ 40 ]}糸状菌、特にアスペルギルス属とペニシリウム 属の菌類は、効果的なバイオリーチング剤として知られている。^{[ 5 ]}菌類は、酸分解、酸化還元分解、キレート化反応によって金属を可溶化する能力がある。^{[ 5 ]}細菌と同様に、菌類は希土類元素を抽出し、低品位鉱石を処理する能力について研究されてきた。しかし、最も有望で研究されている用途は、電子廃棄物の分解と、そこから金などの貴重な金属を回収することである。^{[ 5 ] [ 41 ]}菌類バイオリーチングには有望性があるにもかかわらず、細菌によるバイオリーチングに勝てないため、産業用途にはなっていない。^{[ 5 ]}

真菌は、電子スクラップ、触媒コンバーター、都市ごみ焼却からの飛灰など、多くの基質上で培養できます。実験では、2つの真菌株（Aspergillus niger、Penicillium simplicissimum）がCuとSnを65%、Al、Ni、Pb、Znを95%以上移動できることが示されています。Aspergillus nigerは、クエン酸などの有機酸を生成することができます。この浸出方法は、金属の微生物酸化に依存するのではなく、微生物代謝を金属を直接溶解する酸の供給源として利用します。^{[ 42 ]}