バイオマイニング

バイオマイニングとは、生物を使って鉱石やその他の固形物から金属を抽出するプロセスのことです。通常、これらのプロセスには原核生物が関与しますが、菌類や植物（植物抽出、またはファイトマイニング）も使用できます。^{[1]バイオマイニングは}バイオハイドロ冶金学におけるいくつかの用途の1つであり、鉱石精製、貴金属回収、バイオレメディエーションに応用されています。^{[2]現在使用されている最大の用途は、}鉄、銅、亜鉛、金を含む鉱山廃棄物の処理で、廃棄された鉱物の回収を可能にします。また、ますます品位の低い鉱床の収量を最大化するのに有用である可能性があります。^{[3]バイオマイニングは、従来の}鉱業の比較的環境に優しい代替手段および/または補足手段として提案されてきました。^[2]現在のバイオマイニングの方法は、改良された浸出採掘プロセスです。^[4]バイオリーチングという名の通り、このプロセスには、抽出した岩石にバクテリアと酸性溶液を接種し、浸出液を回収して価値のある金属を精製するという手法が最も一般的です。^[4]バイオマイニングは金属回収以外にも多くの用途がありますが、最も顕著なのはバイオレメディエーションで、これはすでに石油流出後の海岸線の浄化に使用されています。^[5]また、宇宙バイオマイニング、真菌バイオリーチング、ハイブリッドバイオマテリアルを使ったバイオマイニングなど、将来有望な用途も数多くあります。^{[6] [7] [8]}

微生物をバイオマイニングに応用する可能性は、1951年のケネス・テンプルとアーサー・コルマーの論文の後に認識されました。^[9]論文では、細菌のアキディチオバチルス・フェロオキシダンス（基本名チオバチルス・フェロオキシダンス）が鉄、銅、マグネシウムが豊富な環境で繁殖する鉄酸化菌であるという証拠を示しました。 ^[9]実験では、A. フェロオキシダンスを2,000～26,000 ppmの第一鉄を含む培地に接種し、細菌は鉄濃度が高いほど速く成長し、運動性が高くなることを発見しました。^[9]細菌の成長の副産物によって培地が非常に酸性に変わりましたが、その中でも微生物は繁殖し続けました。^[10]この実験に続いて、菌類を使って環境から金属を浸出させる可能性^{[11]や、微生物を使って}ウランやトリウム などの放射性元素を取り込む可能性^[12]も研究されました。^[11]

1960年代に産業バイオマイニングが始まったが、人類は何百年もの間、無意識のうちにバイオマイニングの手法を使用してきた。^[13]西ヨーロッパでは、排水路に金属鉄を投入して銅を抽出する行為は、かつては錬金術の行為と考えられていた。^[13]しかし、今日では、それはかなり単純な化学反応であることが分かっている。^[13]

Cu ²⁺ + Fe ⁰ → Cu ⁰ + Fe ²⁺

中世のポルトガル、スペイン、ウェールズでは、鉱山労働者たちが無意識のうちにこの反応を利用して、一定期間、深い鉱山の坑道に残った鉄を流し込むと銅が採れることを発見した。^[14]

中国では、バイオマイニング技術の使用は紀元前6～7世紀にはすでに記録されています。^[15]銅を生産するための水と鉱石の関係は十分に文書化されており、唐代と宋代には湿式冶金技術を使用して銅が生産されていました。^[15]細菌による酸化のメカニズムは理解されていませんでしたが、バイオマイニングの意図しない使用により、中国での銅生産量は年間1000トンに達しました。^[15]

生物学的前処理は、微生物の自然な酸化能力を利用して、対象金属の抽出を妨げる不要なミネラルを除去します。^[16]これは常に必要なわけではありませんが、金（Au）から硫ヒ鉄鉱と黄鉄鉱を除去する際に広く使用されています。^[16]アジディチオバチルス属菌は、次の反応によって金を放出します。^[17]

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]

撹拌タンクバイオリアクターは金のバイオ酸化に使用されます。^{[16]撹拌タンクは銅}鉱山の尾鉱からコバルトをバイオリーチするために使用されてきましたが、^{[18]これらは1300m 3}を超える大きさに達することもある高価なシステムであるため、金のような非常に価値の高い鉱物にのみ使用されています。^[16]

ダンプバイオリーチングは、バイオマイニングの最初に広く使用されたアプリケーションの一つです。ダンプバイオリーチングでは、廃石を山（高さ100メートル以上）に積み上げ、硫酸で飽和させて、在来細菌による鉱物の酸化を促進します。^[16]ダンプバイオリーチングでは、岩石への細菌の接種は行われないことが多く、代わりに岩石にすでに存在する細菌に依存します。^[16]

堆積バイオリーチングは、ダンプリーチングの新しいアプローチです。^[16]このプロセスには、岩石をより細かい粒度に粉砕する処理が含まれます。^[16]この細かい粒は、2〜10メートル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。^[16]また、堆積物にはバクテリアが接種されることもよくあります。^[16]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、処理のために浸出液を捕らえるために使用される大きな非多孔性のプラットフォーム上に置かれます。^[16]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運ばれます。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。^[16]

浸出槽内の温度は、微生物の活動により自然に上昇することが多い。^{[16]そのため、40℃を超える浸出プロセスでは、好熱性}アシディチオバチルス属やレプトスピリルムなどの好熱性鉄酸化化学栄養細菌、さらに高温では好熱好酸古細菌サルフォロバス（メタロスファエラ・セデュラ）が重要になる可能性がある。^[16]

インサイチュバイオマイニングは、地中からまだ取り除かれていない破砕された鉱体を浸水させて接種するものである。^[16]鉱床にバクテリアが導入されると、貴金属が浸出され始め、その後、回収井で浸出液として抽出することができる。^[19] インサイチュマイニングは、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ある。^[20]

インサイチュバイオマイニングは、バイオリーチングを利用した唯一の現在の方法であり、従来の採掘に代わる効果的で実行可能な方法です。^[21]インサイチュバイオマイニングでは鉱石の抽出が不要になるため、鉱石の運搬や精錬が不要になります。[ ^20]つまり、地表を汚染する廃石や鉱滓は発生しません。^[20]しかし、インサイチュバイオマイニングは、地下水を汚染する可能性があるため、すべての浸出方法の中で最も環境への懸念があります。 ^{[20] [21]}ただし、これらの懸念は、特にこの採掘のほとんどが地下水面下で行われるため、慎重に管理できます。^[20]

この方法は、1970年代にカナダで採掘された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。 ^[22]銅と同様に、Acidithiobacillus ferrooxidansはO _{2を電子受容体としてU} ⁴⁺をU ⁶⁺に酸化できます。しかし、ウランの浸出プロセスはFe ³⁺によるウランの化学的酸化に依存している可能性があり、At. ferrooxidansは^{主にFe 2+}をFe ³⁺に再酸化することで寄与しています。

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

これらの浸出法の最大の用途の1つは銅の採掘です。アシディチオバチルス・フェロオキシダンスは、還元型の鉄（Fe2+）を硫黄電子と二酸化炭素で酸化することで銅を溶解する能力を持っています。^[23]このプロセスにより、一連の循環反応で鉄（III）イオン（Fe3+）とH +が生成されます。

CuFeS ₂ +4H ⁺ +O ₂ --> Cu ²⁺ +Fe ²⁺ +2S ⁰ +2H ₂ O、

4Fe ²⁺ +4H ⁺ +O ₂ 4Fe ³⁺ +2H ₂ O、

2S ⁰ +3O ₂ +2H ₂ O→2SO ² ₋₄ +4H ⁺、

CuFeS ₂ +4Fe ³⁺ →Cu ²⁺ +2S ⁰ +5Fe ²⁺、

その後、スクラップ鉄を使用して銅金属を回収します。

Fe ⁰ + Cu ²⁺ → Cu ⁰ + Fe ²⁺

A. ferrooxidansなどのバクテリアを使用して鉱山の尾鉱から銅を浸出させることで、回収率が向上し、運用コストが削減されました。さらに、低品位の鉱石からの抽出が可能になり、高品位の鉱石が枯渇する中で重要な考慮事項となっています。^[3]

細菌に適切な成長条件が与えられれば、バイオリーチングによって低品位鉱石をより安価に処理できることは十分に立証されている。^[24]これにより、低品位鉱石を経済的に抽出し、持続可能な方法で鉱業埋蔵量を増やすことができる。^[24]

鉱物回収のあらゆるプロセスと同様に、バイオマイニングを業界が必要とする規模にまで拡大できるかどうかは懸念事項である。バイオマイニングの最大の潜在的な欠点は、浸出と抽出に比較的時間がかかることと、高価な専用機器が必要であることである。^[14]バイオマイニング技術は、採掘の補完プロセスとしてのみ経済的実行可能性を示しているが、採掘の代替としてはそうではない。バイオマイニングは、新鮮な鉱山の尾鉱や廃鉱を再処理し、銅生産濃縮物を解毒して経済的に価値のある銅濃縮液を生成することにより、従来の採掘をより環境に優しく経済的に優しいものにすることができるかもしれない。 ^[24]現場バイオマイニングは、より安価で環境に優しい方法で従来の採掘に取って代わる大きな経済的実現可能性を持っているが、まだ大規模に採用されていない。^[14]

金は自然界では硫砒鉄鉱や黄鉄鉱と共存してよく見られる。微生物による浸出プロセスでは、アシディチオバチルス・フェロオキシダンスなどがこれらの鉄鉱物を溶解し、閉じ込められていた金（Au）を露出させる。^[25]

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

バイオハイドロ冶金はバイオマイニングの新たなトレンドであり、商業採掘工場では連続撹拌タンク反応器（STR）とエアリフト反応器（ALR）またはパチューカ型の空気圧反応器（PR）を稼働させて低濃度の鉱物資源を効率的に抽出します。 ^[3]

南アフリカ、ブラジル、オーストラリアでは、微生物を用いた工業用鉱物処理の開発が確立されている。鉄および硫黄を酸化する微生物は、鉱物から銅、金、ウランを取り出すのに用いられる。電子は酸化によって硫黄金属から引き離され、次に鉄に置かれ、その過程で細胞内に還元当量を生成する。これはこの図に示されている。^[26]これらの還元当量は、電子伝達系を介して細胞内にアデノシン三リン酸を生成する。金含有精鉱のバイオ酸化のための工業プラントのほとんどは、アシディチオバチルス属またはレプトスピリルム・フェロオキシダンス属の中温細菌の混合培養物を使用して40℃で稼働している。^[27]他の研究では、鉄還元古細菌であるピロコッカス・フリオサスが水素ガスを生成することが示されており、これは燃料として使用できる。^[28]鉱山の尾鉱から銅を浸出させるためにアシディチオバチルス・フェロオキシダンスなどのバクテリアを使用すると、回収率が向上し、運用コストが削減されます。さらに、低品位の鉱石からの抽出が可能になり、高品位の鉱石が枯渇する中で重要な考慮事項となります。

好酸性古細菌であるサルフォロバス メタリカスとメタロスファエラ セデュラは、最大 4% の銅に耐えることができ、鉱物のバイオマイニングに利用されてきました。一次リアクターでは 40 ～ 60% の銅抽出が達成され、二次リアクターでは全体の滞留時間約 6 日で 90% 以上の抽出が達成されました。これらの微生物はすべて、これらの金属を酸化することでエネルギーを得ています。酸化とは、原子と酸素の間の結合の数を増やすことです。微生物は硫黄を酸化します。その結果生じた電子は鉄を還元し、細胞が使用できるエネルギーを放出します。

バイオレメディエーションとは、微生物システムを利用して環境汚染物質を解毒・分解し、環境を健康な状態に回復させるプロセスである。^[29]

鉱山廃棄物や環境の金属毒性汚染に対処する場合、バイオレメディエーションを使用して、生態系を通じた金属の移動性を減らすことができます。^[30]一般的な鉱山廃棄物や金属廃棄物には、ヒ素、カドミウム、クロム、銅、鉛、水銀、ニッケル、亜鉛があり、雨や水路を通じて環境に流れ込み、長距離移動する可能性があります。^[30]これらの金属は、野生動物や皿、そして人間に潜在的な毒性リスクをもたらします。^[30]適切な微生物が鉱山や鉱山汚染や毒性のある地域に導入されると、金属の構造が変化し、生物学的利用能が低下し、生態系内での移動性が低下します。^[30]ただし、特定の微生物は環境に溶解する金属の量を増やす可能性があることに注意することが重要です。^[30]このため、状況に最も有益なバクテリアを見つけるために、科学的研究とテストを実施する必要があります。^[30]

バイオレメディエーションは金属に限ったことではありません。1989年、エクソンバルディーズ号の石油タンカーがプリンスウィリアム湾に4,200万リットルの原油を流出させました。^{[5]原油は潮流によって海岸に打ち上げられ、同湾の海岸線の778 kmを覆いましたが、}アラスカ湾の1,309 kmにも広がりました。^[5]原油流出後の海岸の再生を図るため、エクソンとEPAはバイオレメディエーション戦略の試験を開始し、後に海岸線で実施されました。^{[5]彼らは、自然に発生する}炭化水素分解微生物の成長を促進する肥料を環境に投入しました。^[5]施用後、微生物群集は40%が原油分解細菌で構成されていることが判明し、1年後にはその数は約1%という基準値に戻っていました。^[5]流出から2年後、汚染された海岸線の領域は10.2 kmに及んでいました。^[5]この事例は、微生物によるバイオレメディエーションが環境から毒素を除去することで自然システムを回復させる現代的な技術として機能する可能性があることを示唆した。

現在のバイオリーチング技術のさらなる機能には、硫化鉱石やリン酸塩鉱石からの金属のバイオリーチングや、溶液からの金属の濃縮などがある。^[4]最近調査中のプロジェクトの一つは、石炭の精錬用途における硫黄の削減に生物学的手法を利用することである。^[31]

宇宙バイオマイニングの概念は、宇宙探査の世界に新しい分野を生み出しています。^[6]主要な宇宙機関は、宇宙バイオマイニングが地球外レゴリスから金属、鉱物、栄養素、水、酸素、揮発性物質を抽出するための方法を提供する可能性があると考えています。^{[32] [33] [6]}宇宙でのバイオリーチングは、生物学的生命維持システム（BLSS）の構築への応用にも有望です。^[6] BLSSには通常、生物学的成分は含まれていませんが、廃棄物やレゴリスを分解するために微生物を使用し、硝酸塩やメタンなどの副産物を捕捉できれば、理論的には再生型生命維持の循環システムが可能になります。^[6]

糸状菌の種、特にアスペルギルス属とペニシリウム属は、効果的なバイオリーチング剤として実証されています。^[7]菌類は、酸分解、酸化還元分解、キレート化反応を通じて金属を可溶化する能力を持っています。^[7]細菌と同様に、菌類は希土類元素を抽出し、低品位の鉱石を処理する能力について研究されてきました。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金属を回収することです。^{[7] [34]}菌類のバイオリーチングは有望であるにもかかわらず、細菌の同等物に勝てないため、産業用途はありません。^[7]

ハイブリッドバイオマテリアルは、ペプチドを磁性ナノ粒子に付着させることで作られます。^[8]付着したペプチドは、有機/無機材料に高い親和性で結合する能力を持つ特定のタンパク質です。 [8]これにより、対象の分子に結合する非常に特異的なカスタムハイブリッド分子を開発できます。^[8]これらのタンパク質が結合している磁性ナノ粒子により、水溶液からバイオマテリアルと結合した分子を分離できます。^[8]溶液から金とモリブデン鉱を溶出するためのこれらのハイブリッドバイオマテリアルの開発はすでに成功しており、この技術は尾鉱池の浄化に大きな可能性を示しています。^[8]

• 植物抽出

• 「NBIAP ニュースレポート」米国農務省 (1994 年 6 月)。