المشتتات الحيوية

تعد عملية التشتيت الحيوي Biodispersion من العوامل المؤثرة المهمة في عمليات الاستخلاص وازالة التلوث بالمعادن الثقيلة وتهدف اضافة المشتتات سواء لمعالجة المواد العضوية الملوثة او المعادن الثقيلة الى زيادة ذوبانها في الماء لغرض تحليلها حيويا او ازالتها بالغسل، خاصة بالنسبة للمعادن الثقيلة غير القابلة للتحلل الحيوي. واضافة المشتتات يمكن ان يؤدي الى عكس حالة الامتزاز (Desorption) للمعادن الثقيلة، ولذلك فلابد من اختيار المادة المشتتة بعناية فعند استعمال مشتتات سالبة الشحنة يمكن ان تسحب ايونات المعادن والتي يمكن ان تزال فيما بعد بعملية الغسل او تكوين معقدات مع المعادن تترسب على سطوح التربة. وعند استعمال مشتتات موجبة الشحنة وخلطها مع التربة فإنها تؤدي الى تقليل امتزاز الايونات الموجبة مثل ايونات النحاس والرصاص والكادميوم والزنك وغيرها على سطوح حبيبات التربة ربما بسبب التنافس على الشحنات السالبة لسطوح الطين اي تحصل عملية تبادل ايوني وهذا يعتمد على تركيبة الطين او التربة.

والمواد المكوثرة المنتجة من قبل البكتريا والطحالب يمكن ان ترتبط بالعديد من المعادن ومنها :

• Emulsan مشتت ينتج من البكتريا Acinetobacter RAG 1 يمكن ان يربط 240 مايكرو غرام من UO₂²⁺ لكل ملغم من المشتت.
• السكريات المكوثرة المنتجة من بعض سلالات البكتريا Pseudomonas يمكن ان تربط 96 مايكرو غرام من اليورانيوم لكل ملغم من المشتت، وبعض السلالات البحرية ترتبط بعدد من الايونات بالترتيب Ni , Zn , Fe = Cu , Pb ولكن توجد فروق بين السلالات.
• السكريات المكوثرة من البكتريا Arthrobacter يربط 3.3 من ايونات الكادميوم لكل ملغم وكميات اكبر من اليورانيوم
• السكريات المكوثرة من Klebsiella تربط 11 مايكرو غرام من الكادميوم و 22 من النحاس لكل ملغم من السكريات.

وتختلف السكريات المكوثرة عن المشتتات في ان السكريات المكوثرة كبيرة الحجم ويصل وزنها الجزيئي الى 10⁵ ولذلك تفضل المشتتات لأنها صغيرة الحجم. وتكون المشتتات حويصلات مختلفة الاحجام لسحب المعادن ولا تكون ترسبات لذلك يمكن ان تزال بسهولة.

وما يعيق استعمال المشتتات في معالجة التربة هو كثرة وتعقيد الانظمة في التربة فهي تحوي العديد من الايونات الموجبة التي تنافس المعادن لتكوين المعقدات معها. لذلك وجب اختيار المشتتات الحيوية المراد استعمالها والنظام الذي ستعمل فيه سواء التربة او المياه. ويؤثر تركيب المشتت الحيوي وحجم جزيئاته على نوعية المعقدات التي تتكون وبدوره يؤثر على حركة المعادن في التربة. اضافة الى ان مساحة التربة وشحناتها يؤثر على وصول المشتت الى مناطق التلوث او مخازن المعادن ويؤثر كذلك على التداخل بين المشتتات الحيوية والمواد الممتزة.

الطرق المستعملة

طريقة الأكوام Heap method

وتسمى Dump method وتستعمل الطريقة لاستخلاص عددا من المعادن مثل النحاس والكوبالت والذهب اليورانيوم وغيرها. وتتم الطريقة بجمع التربة الحاوية على خام المعدن بعد سحقه الى حجم حبيبات متوسطة لتشجيع نمو الاحياء التي تقوم بعملية التعدين. وتستعمل الطريقة لاستخلاص المعادن من الخامات العصية مثل استخلاص الذهب من مركزات الذهب في الخامات الحاوية على الحديد والزرنيخ Gold arsenopyrite ، واستخدمت في سبعينيات وأواسط ثمانينات القرن المنصرم لاستخلاص المعادن من الخامات الرخيصة مثل Covellite, Chalcocite وهي خامات نحاس بشكل رئيس ولكن تحوي على معادن اخرى.

وهي من الطرق الراكدة فبعد جمع الخامات وجعلها بشكل كومة على أرضية غير ناضحة يتم اروائها – والذي يفضل ان يكون بطريقة التقطير – بمحلول حامض الكبريتيك المخفف ويمكن ان تكون التهوية من خلال السائل المنساب على الكومة او بواسطة ضخ الهواء داخل الكومة بأنابيب توضع قرب قاعدة الكومة. والسائل الذي يرشح عن الكومة يؤخذ الى وحدا استخلاص المعادن كما في معاملة خامات الذهب.

وتكون مفاعلات الكومات  بسيطة ورخيصة ولكن تحتاج الى وقت طويل يصل الى عدة أسابيع او اشهر وتستعمل مثلا لتعدين النحاس بمستوى 180000 طن لكل موسم.

أنواع الأحياء

تكون الأحياء في هذه الطريقة من الاحياء الطبيعية التي تنمو بشكل مجموعة او جوقة اي مجموعة متناغمة يحصل بينها تبادل للمواد الغذائية والتغذية المتداخلة، ويكون بعضها متحملا لحموضة قليلة واخرى متحملة لحموضة زائدة، كما ان بعضها ذاتي التغذية وأخرى متباين التغذية، وهذا يعني انها أنظمة مفتوحة وغير معقمة، ووجود هذا التنوع يساعد في عملية الاستخلاص ويمكن زيادة كفاءة الاستخلاص بإضافة اللقاحات.

وتختلف الاحياء الطبيعية الموجودة بالاعتماد على نوعية الخام المستعمل وكذلك الظروف الاخرى المستعملة اثناء عملية التعدين، فعند استعمال الحرارة الطبيعية 25 م◦ والى حد  40م◦ تكون الاحياء مؤلفة من البكتريا السالبة لصبغة كرام وهي الاحياء المؤكسدة للحديد والكبريت، مثل At. ferrooxidans والمؤكسدة للحديد و At. caldus و At. thiooxidans المؤكسدة للكبريت، والحلزونيات Lp. ferriphilum (المؤكسدة للحديد المجبرة) و Lp. ferrooxidans .

وعند اضافة محلول ارواء يحوي على أيونات الحديدوز الى الكومة وتدويره خلالها تكون المؤكسدة للحديد هي المتغلبة مثل At. ferrooxidans .

اضافة الى ذلك توجد أحياء مؤكسدة للحديد والكبريت من مجموعة البكتريا الموجبة لصبغة كرام مثل Sulfobacillus thermosulfidooxidans . وأحياء اخرى محبة للحموضة متباينة التغذية مثل البكتريا العائدة للجنس Acidiphilum وأحياء اخرى تعود الى مجموعة الاركيا. ويكون وجود احياء متباينة التغذية ضروريا لإزالة المواد العضوية التي تكون مثبطة للأحياء ذاتية التغذية السائدة.

اما عند استعمال حرارة 45 – 50 م◦ وهي المستعملة في القليل من العمليات التجارية فالفلورا القائمة بالتعدين منها At. caldus وأنواع من جنس الحلزونيات Leptospirillum تكون هي السائدة. وعند معاملة خامات Chalcapyrite ومركزات خامات الحديد الحاوية على الزرنيخ بدرجة حرارة 45 م◦ تكون Sulfobacillus thermosulfidooxidans هي السائدة، اضافة الى وجود احياء محبة للحرارة غير قادرة للنمو على الأوساط الزرعية المختبرية. ومن الاحياء الاخرى الموجبة لصبغة كرام جنس Acidimicrobium اضافة الى الاركيا من مجموعة Ferroplasma – like organism.

وعند استعمال درجات حرارية 70 م◦ او أعلى تكون الاحياء السائدة هي من الاركيا وليس البكتريا ومنها التابعة للجنس Metallosphaera و Sulfolobus و تكون هي المتغلبة، اذ ان النوع Sulfolobus metallicus يوجد عند درجة 70 م◦ كأقصى حد ولا يوجد بدرجات حرارية أعلى.

اما بدرجة حرارة 80 م◦ فتكون مجاميع الاركيا Sulfolobus – like , Metallosphaera like like حرارة 80 م فتكون مجاميع الاركيا رجات حرارية أعلى.

ي من الاركيا وليس البكتريا ومنها التابعة للجنس لحديد والكبريت، مثل ل الح هي السائدة. وعند درجة حرارة 90 م◦ فتتغلب الاركيا Acidianus ambivalens , ، Acidianus infernus التي تعيش على الكبريت المختزل بأرقام هيدروجينية واطئة جدا  .

مزايا طريقة الأكوام

من أهم المزايا الجيدة لهذه الطريقة انها رخيصة ومفاعلاتها تكون بمثابة ارضيات غير ناضحة وتستعمل لتعدين كميات كبيرة من الخامات الرديئة.

مساوئ طريقة الأكوام

للطريقة مساوئ يمكن تحديدها بالنقاط الآتية :

• عدم وجود تجانس في الكومة ويصعب ادارتها اذ لا يمكن السيطرة على العديد من المؤشرات بشكل متجانس.
• عدم امكانية تهوية الكومة وتزويدها بالأوكسجين وثنائي اوكسيد الكاربون وادخال السوائل المستعملة في الارواء والاستخلاص بشكل متجانس.

بالرغم من امكانية الاعتماد على الفلورا الطبيعية لا جراء التعدين الا انه من الافضل اضافة اللقاحات ومرة اخرى تكون هذه غير متجانسة، كما يصعب ايصال المتطلبات الغذائية والغازات وسوائل الارواء بشكل متجانس.

استعمال المفاعلات الحيوية

نظراً للمعوقات التي تواجه طريقة الاكوام لذلك استبدلت بعض العمليات باستعمال الصهاريج المخلوطة Stirred tanks والتي يفضل ان تكون مكونة من سلسلة من المفاعلات، في الأولى منها تضاف الاملاح او خام المعدن مع المغذيات اللاعضوية سوية مثل الامونيا او مخصبات تحوي على النتروجين والفوسفات، ثم تمرر الى باقي المفاعلات تحت ظروف مسيطر عليها من ناحية الحرارة والارقام الهيدروجينية، ويمكن ان تستعمل هذه المفاعلات بمثابة معاملات اولية لمعاملة مركزات خامات الذهب الحاوية على الزرنيخ وكذلك للمعاملات الاولية لخامات الكوبالت.

الأحياء المستعملة

تعتمد عمليات التعدين على الفلورا الطبيعية للخامات كما هو الحال في استعمال الأكوام واعتمادا على درجات الحرارة تسود بعض الكائنات على الاخرى، كما ان سيادة مجموعة معينة لا يكون ثابتا، فقد يسود نوعا ما في بداية العملية ولكنه يمكن ان يتقهقر في الصهاريج اللاحقة. والاحياء التي تسود عند درجات حرارية 45 -50م◦ هي At. caldus وأنواع من جنس Leptospirillum لعدد من الخامات.

اما بدرجات حرارية معتدلة وفي الصهاريج المستمرة والتي يكون فيها تركيز الحديديك ثابتا وعاليا تكون المشاركة بين الاحياء هي الافضل فتقل أهمية At. ferrooxidans وتحل محلها في الفاعلية مجموعة مكونة من At. thiooxidans ، At.caldus , Leptospirillum وذلك لأن استمرار العملية يوفر فرصة لعمليات الانتخاب.

تصميم المفاعلات

تعتمد عمليات تصميم المفاعلات الحيوية على المواصفات الفيزياوية والكيماوية والحيوية للمواد المستعملة للاستخلاص وذلك لان المكونات الموجودة في المفاعل تتكون من أطوار مختلفة فهي تحوي على أطوار سائلة وأطوار غازية متولدة من ضخ الهواء وأطوار صلبة منها خامات المعادن والخلايا التي تقوم بالتعدين والتي يكون بعضها بشكل عالق والآخر ملتصق. كما ان حجم العملية اذا كانت كبيرة فهو يحتم ان تكون العملية مستمرة ومفتوحة. واعتمادا على الصفات الحركية لنمو الميكروبات يكون الاختيار الأفضل هي المفاعلات مستمرة الخلط (CSTR) Continuous stirred tank reactor.

ومن المؤشرات الاخرى هو طبيعة نمو الاحياء ذاتية التغذية والتي تكون ذات أهمية في عملية التعدين وذلك لأنه في حالات التخمر العادية تكون هناك ألفة عالية بين المواد المستعملة والاحياء المستعملة. اما في حالة التعدين فان الخامات والمواد عادة تكون عصية بالنسبة لتأثير الميكروبات وهذا يعني ان الالف واطئة جدا فمثلا تكون قيم Ks بالنسبة لمعظم السكريات مثلا تصل الى ملغرامات قليلة / لتر، في حين في حالة المعادن فتصل الى 3-6 غم / لتر، اي ان الفرق يصل الى الآلاف المرات. وهذا يؤثر على اختيار وتصميم المفاعل، فعند الحاجة الى درجات عالية من التحويل فان هذا يعني الحاجة الى حجم كبير ولذلك يستعمل CSTR كاختيار أول وكذلك استعمال المفاعلات الأنبوبية (TPER) Tubular plug flow reactor وهذا يوفر إمكانية الوصول الى نسبة تحويل ملائمة بحجم قليل جدا، ولكن وجود المواد الصلبة تجعله غير عملي ويمكن ان يستبدل بتصاميم اخرى مثل استعمال اعمدة الرفع الهوائي Air lift column او  Percolation column .

مشاكل المفاعلات

هناك عددا من المشاكل المتوارثة عند استعمال المفاعلات الحيوية، فكما ذكر أعلاه ان نظام التفاعل يكون متعدد الاطوار، فهناك مشكلة وصول المواد الغذائية الى الخلايا العالقة او الملتصقة. اضافة الى ان مواد الايض المفرزة الى الخارج يجب ان تزال ولكنها في هذه الحالة تستعمل في اذابة المعادن، والمعادن الذائبة يجب ان تزال من حبيبات او تكتلات الخامات العالقة في السائل. كما ان هناك مشكلة في نقل الاوكسجين وثنائي اوكسيد الكاربون التي يجب ان تذوب في الوسط الغذائي أولاً ثم تنقل الى الخلايا ويكون ذلك بضخ الفقاعات الغازية وهذه لا تخلو من المشاكل اذ انها تؤثر على تجانس عالق الخامات داخل المفاعل فالفقاعات تؤدي الى اضطراب نمط الانسياب الذي يولده الخلاط، كما ان استعمال الخلاطات خاصة عند سرع عالية يؤدي الى توليد قوى القص على الخلايا مؤدية الى زيادة الاجهاد عليها وربما منعها من النمو، وقد يفضل بعض الأحيان الرج فيما اذا كانت الكميات صغيرة. فهناك بعض الأمور الايجابية في استعمال المفاعلات الا ان هناك بعض الأمور السلبية.

مزايا استعمال المفاعلات الحيوية

من مزاياها الجيدة انها :

• يمكن ان تعمل تحت ظروف مسيطر عليها خاصة عندما تكون الكميات صغيرة او متوسطة وتستعمل في المعاملات الاولية لاستخلاص المعادن الثمينة مثل الذهب.
• إمكانية توفير ظروف ثابتة وحالة تجانس مسيطر عليها مما يؤدي الى زيادة الانتاجية من وحدة الحجم، وكذلك زيادة درجة الاستخلاص.

مساوئ المفاعلات الحيوية

هناك بعض المعوقات التي تواجه استعمال المفاعلات الحيوية منها :

• تواجه المشاكل العامة لعمليات تخمر المواد السائلة.
• نظراً لكون الخامات هي مواد صلبة لذلك يجب ان لا تزيد عن 20% من المواد المعدة للتخمر كي لا تصبح الاوساط لزجة او تركد المواد الصلبة العالقة وبالتالي يصعب خلطها وتهويتها وتكون أيضاً مكلفة من ناحية الطاقة اللازمة.
• عند استعمال الطرق المستمرة فان ذاك يؤدي الى خروج مواد بكميات كبيرة تحتاج الى معاملات اضافية اي ان الاستخلاص لا يكون متكاملا.

المعاملات التكميلية : بعد الانتهاء من عمليات اذابة المعادن وتحويلها الى مواد ذائبة يمكن ان تبدأ عمليات الاستخلاص النهائية باستعمال عمليات كيماوية بحتة، ويمكن ان تبدأ هذه العمليات في أثناء عمليات التعدين وفعالية الاحياء عليها.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .