Một số kết quả đạt được khi sử dụng tuyển vi sinh để nâng cao chất lượng quặng nghèo trên thế giới

Khẩu hiệu “Tuyển khoáng vì lợi ích” (Beneficiation for Benefit) xuất hiện trên các tạp chí mỏ thế giới cũng như trong các Hội nghị tuyển khoáng Quốc tế, đã nhắc nhở mọi người cần có nhận thức đúng đắn hơn. “Tuyển khoáng” không chỉ đơn thuần là làm giàu khoáng sản, “Lợi ích” không chỉ là lợi nhuận cho doanh nghiệp mỏ, mà “Tuyển khoáng” còn phải là quá trình đảm bảo lợi ích chung trong việc bảo vệ môi trường. Với nhận thức như vậy thì người làm công tác mỏ cần phải cân nhắc kỹ khi giải bài toán:

Khai thác + Tuyển khoáng = Lợi nhuận + Duy trì môi trường sinh thái

Để đáp ứng được mục tiêu trên, nhiều nhà tuyển khoáng trên thế giới đã nỗ lực thể hiện qua các phát triển trong nghiên cứu lý thuyết, chế tạo thiết bị, ứng dụng công nghệ mới, ứng dụng tin học và đặc biệt là ứng dụng công nghệ sinh học  vào trong ngành tuyển khoáng và khái niệm “Tuyển khoáng xanh”(Green Beneficiation) đã ra đời. “Tuyển khoáng xanh” là cách gọi hình tượng của phương pháp tuyển sử dụng vi khuẩn và thực vật đã được biết đến từ năm 1947, khi chủng vi khuẩn đầu tiên (Thiobacillus ferroxidans) được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm mỏ than ARD. Tới nay, vi khuẩn này và nhiều loại vi sinh vật khác đã được ứng dụng vào tuyển khoáng. Theo thống kê của Mining Magazine (tháng 10/2002)[1] tỷ lệ đóng góp của tuyển vi sinh vào tổng giá trị sản lượng tuyển khoáng toàn thế giới cho Đồng, Uran và Vàng tương ứng là 15%, 13% và 25%. Tác giả của cuốn sách” Công nghệ tuyển vi sinh”(Mỹ)- Xuất bản năm 2002 [2] khẳng định “ Thế kỷ XXI là thế kỷ của công nghệ sinh học. Các tiến bộ vượt bậc của ngành tuyển khoáng trong thời gian gần đây là nhờ dựa vào nguyên lý sinh học”.

2. Khái quát về phương pháp tuyển vi sinh

        Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa vi sinh vật với các khoáng vật kim loại người ta nhận thấy sự tương tác khá mạnh giữa tập hợp khoáng- vi sinh với thành phần hoá học của vật liệu khoáng thông qua các quá trình chuyển hoá vi sinh và kiến tạo phân tử. Các vi khuẩn có thể tham gia trong các hoá thạch, thành tạo khoáng vật, chuyển hoá, lắng kết và dịch chuyển trong tự nhiên tương tự như quá trình hình thành đá trầm tích và lắng đọng trầm tích. Các tế bào vi khuẩn tồn tại trong tự nhiên có khả năng thực hiện một loạt các chức năng xử lý trong mọi lĩnh vực của tuyển khoáng như: tích tụ các ion kim loại, hình thành và tổng hợp các chất cao phân tử vi sinh (Bio- Polymers) và các chất xúc tác. Như những cỗ máy nhạy cảm, dễ thích nghi với môi trường, có cấu trúc vô cùng nhỏ, vi sinh vật giống như các nhà máy tuyển hoá sinh hiện đại siêu nhỏ (micro processor bio chemical factory). Khả năng di truyền các tính năng có thể điều chỉnh của vi sinh vật đã cho phép chúng thực hiện các chức năng “Tuyển khoáng” với tốc độ nhanh. Trong thực tế, vi khuẩn là các sinh vật sử dụng năng lượng cực kỳ có hiệu quả. Chúng làm những gì đơn giản nhất để có thể bỏ ra năng lượng tối thiểu để đạt được sự tồn tại đó trong môi trường. Các nguyên tố quan trọng cần thiết để vi sinh vật sống được như: cácbon, oxy, hydro, silic, magiê, photpho, canxi, sắt, mangan đều là thành phần phổ biến của các khoáng- vi sinh. Trong đó, khoáng- vi sinh Canxi chiếm đa số. Nhiều nguyên tố khác như đồng, chì, kẽm thường lắng đọng trên bề mặt  của các vi khuẩn như là các sunfua. Quá trình khoáng hoá- vi sinh sẽ phát triển tốt ở môi trường không gian thuận lợi và tham gia vào xây dựng các hệ thống siêu phân tử hữu cơ, các phân tử rời rạc có khả năng tự tập hợp. Sự liên kết, tập hợp các pha vô cơ và hữu cơ chính là đặc trưng thể hiện quá trình khoáng hoá - vi sinh. Việc lợi dụng vi khuẩn để tách các ion kim loại ra khỏi các tập hợp khoáng dựa trên 4 cơ chế chủ yếu: hấp phụ vi sinh, tích tụ vi sinh, kết tủa, bay hơi.

       + Hấp phụ vi sinh là hiện tượng hấp phụ chủ yếu xảy ra nhờ lực hút tĩnh điện của cation kim loại với bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện âm. Thành phần hoá học của vỏ tế bào vi khuẩn cũng đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ vi sinh nhờ liên kết giữa kim loại với các chất polysaccarit, các protein và các nhóm chức khác.

        + Tích tụ vi sinh là quá trình thu hút kim loại bởi các vi sinh vật sống, phụ thuộc vào sự trao đổi năng lượng chuyển hoá, để thực hiện quá trình này các vi khuẩn cần phải có những hệ thống trao đổi đặc biệt, phụ thuộc vào sự thích ứng với các kim loại khác nhau. Khả năng tích tụ kim loại trong và ngoài tế bào vi khuẩn đều có thể xuất hiện. Trong quá trình này, các vi khuẩn chuyển hoá các chất hữu cơ thành các dạng không độc hại, hoặc chuyển chúng thành đioxit cacbon và nước. Các vi khuẩn cũng có thể phân huỷ các chất hữu cơ thành các vi sinh vật kỵ khí.

         Một số các công trình nghiên cứu gần đây cho thấy để phát triển việc sử dụng vi sinh với mục đích làm giàu khoáng sản có thể kết hợp một số thuyết với nhau như: thuyết nguồn gốc sinh vật- khoáng hoá vi sinh, xử lý vật liệu vi sinh- sinh trắc học, tuyển khoáng- vi sinh học, hoà tách- vi sinh học, ăn mòn vi sinh- lên men vi sinh - phân huỷ vi sinh, điều chỉnh môi trường bằng vi sinh.

       Trong năm 2002, nhiều thành tựu nổi bật đã xác nhận thêm khả năng ứng dụng: phân giải Protein (Proteomics), thông tin- vi sinh (Bio- Informatic), và đặc biệt là giải mã gien kết hợp với di truyền học (Genomics- Genetic) để tạo ra những chủng vi sinh mới đáp ứng cho các mục tiêu tuyển khoáng khác nhau[3,4,5].

3. Một số kết quả trong việc nâng cao chất lượng quặng nghèo bằng tuyển vi sinh

      - Cưỡng bức vi khuẩn tuyển than: tháng 1/2002 tại phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Mỹ) các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật nuôi cấy vi khuẩn trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt nhằm biến đổi khả năng hấp phụ thức ăn của chúng, buộc chúng trở thành công cụ tuyển than. Ban đầu, vi khuẩn thuộc các loài Lepstospirilium ferroxidan và Thiobacillus ferroxidan được cấy vào trong dung dịch có chứa ít dầu thô kèm theo một lượng chất dinh dưỡng thông thường, những vi khuẩn sống sót trong điều kiện này được đưa vào cấy trong môi trường nhiều dầu thô và ít chất dinh dưỡng hơn. Quá trình này lặp đi lặp lại vài lần cho tới khi vi khuẩn chỉ ăn dầu thô. Quá trình được tiếp tục bằng cách thay một chút dầu thô bằng than, rồi tăng dần lượng than lên cho tới khi tạo ra được loại vi khuẩn chỉ ăn than. Bước tiếp theo, các vi khuẩn ăn than được nuôi cấy trong các điều kiện tăng dần về nhiệt độ, tính axit, áp suất để tạo ra vi khuẩn ăn than có thể sống được tại nhiệt độ 850c, áp lực 2500Pound/inch2, độ  pH và độ mặn cao, trong môi trường kim loại độc. Khi đưa loại vi khuẩn mới này vào dung dịch than, chúng sẽ phân huỷ, phá vỡ phân tử phức tạp của than thành các phân tử đơn giản, đồng thời tách sunfua và các kim loại nặng tạo ra sản phẩm than sạch. Khi đốt cháy hoặc chuyển hoá than thành nhiên liệu lỏng sẽ thu được hiệu quả cao hơn so với than thông thường và tạo ra ít sản phẩm phụ có hại cho môi trường.

       - Nghiên cứu quan hệ tương tác “Vi khuẩn- khoáng vật”: Đầu năm 2002 các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm Ineel (Mỹ) sử dụng quang phổ kế đa chức năng Fourier ghi ảnh Lazer đã mô phỏng chính xác các tinh thể khoáng vật và quá trình phát triển của vi khuẩn trên bề mặt hạt khoáng theo không gian 2 chiều và không gian 3 chiều nhờ kỹ thuật chồng các lớp ảnh. éây là một công cụ dùng để nghiên cứu cơ bản quá trình tuyển vi sinh. Nhờ nó các nhà khoa học có thể thu thập được các thông tin về chủng vi khuẩn đang tồn tại, điều kiện môi trường phù hợp, quá trình tương tác với khoáng vật, cơ chế trao đổi năng lượng và toàn bộ quá trình chuyển hoá. Hiện nay các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu sâu quá trình thay đổi bề mặt khoáng vật theo thời gian dưới tác động của vi khuẩn.

       - Dùng tảo đơn bào tách kim loại nặng: Tháng 5/2002 các nhà khoa học thuộc trường Đại học quốc gia Ohio đã thành công trong việc tìm ra phương pháp sử dụng tảo đơn bào Chlamydomonas reinhardtii để tách các kim loại nặng như thuỷ ngân, cadimi, kẽm ra khỏi nước thải công nghiệp. Bằng phương pháp biến đổi gien di truyền, các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp gắn thêm metallothionen một loại protein chứa kim loại nặng vào vỏ ngoài của tế bào tảo làm cho loại tảo này co thể tăng khả năng hấp phụ kim loại lên gấp 5 lần so với tảo thông thường và có thể tăng trưởng nhanh gấp 3 lần trong môi trường có hàm lượng kim loại nặng cao. Phương pháp này có thể tách được các kim loại nặng tại hàm lượng rất nhỏ với giá thành rất rẻ.

       - Dùng cỏ linh lăng tuyển vàng: Tháng 8/2002 nhóm nghiên cứu Quốc tế của trường Đại học Texas- El Paso(Mỹ) và Mêxico đã thành công trong việc sử dụng cỏ linh lăng để tuyển vàng. Trong quá trình nghiên cứu cây cỏ linh lăng tự nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra cây linh lăng có nhu cầu tách các kim loại ra khỏi môi trường trồng chúng để phát triển. Tại khu vực mỏ vàng, cây linh lăng phát triển khá tốt, trong lá của chúng có chứa các vi hạt vàng với kích thước nhỏ hơn 10-9 met. Phát hiện của họ đã tạo ra công nghệ tuyển vi mô cho phép sử dụng cây cỏ linh lăng như những nhà máy tuyển psieeu nhỏ thu hoạch liên tục các hạt vàng siêu mịn với chi phí rất thấp, áp dụng cho các mỏ nghèo.

        - Vi khuẩn khử arsen: Tháng 9/2002 Pháp đã công bố kết quả tìm thấy một loại vi khuẩn mới sống tại mỏ vàng cũ Cheni, được đặt tên là Cheni arsenic oxydante 1 (CASO1). Đây là chủng vi khuẩn thuộc họ Thiomonas, nó có khả năng oxy hoá tự nhiên arsen hoá trị III, vốn rất độc, thành arsen hoá trị V không có độc tính. Kết quả này có thể áp dụng để cảI tạo môI trường của các mỏ sunfua cũ rất tốt.

      - Dùng vi khuẩn để tách kim loại độc hại trên cơ sở giải mã gien: Tháng 10/2002 các nhà khoa học tại Viện Genomic Research đã giải được mã gien của vi khuẩn Shewanella oneidensis, mở ra một triển vọng lớn cho việc dùng vi khuẩn tách các kim loại như crôm, uran, và các kim loại độc hại khác. Vi khuẩn Shewanella oneidensis là loài vi khuẩn hình roi có thể tìm thấy tại lớp các trầm tích sông, hồ ở nhiều nơi trên thế giới. Tuy là loài vi khuẩn khá phổ biến nhưng chúng lại có thuộc tính rất đặc biệt. Chúng có thể sống được trong môi trường yếm khí hoặc không có không khí. Nhờ trong cơ thể có một hệ thống vận chuyển điện tử phức tạp, chúng có khả năng chuyển đổi sự hô hấp thông qua việc làm giảm bớt các ion kim loại như crôm, uran… đã hoà tan trong nước. Để tăng mức độ tách các kim loại nặng của loài vi khuẩn này tới mức tối đa, các nhà khoa học đã làm các thí nghiệm biến đổi gien. Họ đã phát hiện ra một thể thực khuẩn hình chữ lamda có triển vọng lớn trong việc ứng dụng di truyền học để tạo ra nhiều chủng vi khuẩn mới với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

     - Tuyển Niken bằng cây lưu niên: Tháng 11/2002 các nhà khoa học thuộc Houston- based Virdian Resources LLC đã được nhận bằng sáng chế do sử dụng cây lưu niên để tuyển tách Niken. Họ đã lựa chọn từ hơn 300 loại cây lưu niên mọc tại nhiều mỏ Niken trên thế giới (là những cây có hàm lượng Niken trong lá cao), tiến hành nhân giống để tạo ra loại cây mới có đặc tính nổi trội, cho phép tuyển quặng Niken với hiệu quả cao, áp dụng tại các mở nghèo có hàm lượng niken tối thiểu khoảng 0,05%. Loại cây này khi đã trưởng thành sẽ chứa khoảng 1,75- 2,9% Niken trong lá. Công nghệ mới này được gọi là “Khai thác thực vật”, bao gồm các quá trình: uơm hạt, trồng cây trên đất phù hợp, thu hoạch lá, sấy khô, ép lá thành bánh rồi đốt thành tro, từ tro sẽ thu hồi Niken theo các phương pháp truyền thống. Nếu cây được trồng trên đất giàu Niken thì từ 1ha đất trồng có tthể thu hoạch 20 tấn lá chứa Niken có hàm lượng tới 30-40%, tương đương 350Kg niken/ha. Ngoài ra, nếu các cây này được dùng làm nhiên liệu cho nhà máy phát điện thì từ 1ha đất trồng có thể tạo ra 20 MWh điện cho mỗi vụ thu hoạch.

     - Thuốc tuyển nổi vi sinh: Từ đầu những năm 1990 đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất thuốc tuyển nổi vi sinh như: Thuốc tuyển nổi vi sinh lipit chế từ cây đỗ quyên hang (1994), sản xuất thuốc kết bông nhờ quá trình lên men nấm cúc (1997), sử dụng men bia và vi khuẩn để làm thuốc đè chìm pirit (1999), dùng dong tiểu câu lên men để khử ion sắt III và ion CrômVI (2000)[6] Tháng 6/2002 nhà khoa học H.Salehizadeh thuộc trường đại học Tarbiat Modarres (Irắc)[7] đã công bố việc ứng dụng một loại thuốc tuyển nổi mới sản xuất từ  vi khuẩn hình que Bacillus firmus MS- 102 để tuyển caolin.

Vi khuẩn MS- 102 được lựa chọn từ 298 chủng vi khuẩn có trong đất, nuôi cấy  tại nhiệt độ 350c, độ pH=7, đặt trong ống nghiệm lắc đều trong 3 ngày với tốc độ 150 vòng/phút. Thí nghiệm được tiến hành song song với một số loại vi khuẩn khác như vi khuẩn hình que DP-152, AS-101,PY- 90, Noc-1…Kết quả so sánh cho thấy thuốc tuyển sản xuất từ MS- 102 có hiệu quả kích động rất tốt cho các ion Ca2+, Mg2+, Zn2+, và Pb2+. Thuốc có tác dụng kết bông tốt nhất tại hàm lượng 4ml-1 với sự có mặt của 6,8mM CaCl2 trong bùn quặng Caolin.

      ở Việt Nam mặc dù phương pháp tuyển vi sinh đã được đề cập trong giáo trình tuyển khoáng, nhưng vì nhiều lý do mà lĩnh vực tuyển này còn ít được nghiên cứu. Hai đề tài nghiên cứu khả năng dùng vi khuẩn để tuyển Đồng và Vàng tại Việt Nam đều chưa có điều kiện để hoàn thành. Với cơ chế thị trường hiện nay các cơ sở nghiên cứu của Việt Nam khó có thể nghiên cứu cơ bản do thiếu điều kiện cơ sở vật chất, thiếu nguồn tài trợ… Tuy nhiên lĩnh vực tuyển này có thể áp dụng cho các mỏ nghèo cho hiệu quả kinh tế cao đồng thời giải quyết được tốt vấn đề môi trường.  Do vậy, theo ý kiến của tác giả thì việc nghiên cứu khả năng ứng dụng các thành tựu khoa học mà thế giới đã đạt được trong tuyển vi sinh cho tuyển than, vàng, đồng, niken, pirit, xử lý arsen…ở Việt Nam là việc nên làm và cần có được sự quan tâm và đầu tư đúng mực, để công nghệ tuyển vi sinh được đưa vào thực tế sản xuất, nâng cao hiệu quả khai thác, chế biến, góp phần phát triển ngành công nghiệp mỏ của đất nước.

Tài liệu tham khảo

       [1] “Mineral biotechnology-An emerging technology for biobeneficiation, bioleaching and bioremediation” Mining Magazine, tháng 10/ 2002.

       [2] S.K.Kawatra và K.A.Natarajan- Hiệp hội thăm dò- khai thác- Tuyển khoáng(Mỹ)” Công nghệ tuyển vi sinh”. Nhà xuất bản kỹ thuật Mỹ- 2002.

       [3] “Mineral Engineering International Online- Biotechnology Lates News- Biology Reseach News”No1-11/ 2002.

       [4] Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Quốc tế “Bio- Hydrometallurgy 02”, Cape Town, Nam Phi, tháng 3/ 2002.

       [6] Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Quốc tế “Solid- liquid Separation 02” Falmou, Anh, tháng 6/ 2002.

       [7] Một số sáng chế trong lĩnh vực chế tạo thuốc tuyển nổi vi sinh 1992- 2002. “Mineral Engineering International Online, Flotation Patents-1992-2002”

       [8] H.Salehizadeh và S.A.Shojasoadati. Trường đại học Tarbiat Modarres, Irăc”A novel bioflocculant produced by Bacillus firmus MS- 102”, tháng 6/ 2002