バイオマイニングとは、生物を用いて鉱石やその他の固形物から金属を抽出するプロセスを指します。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、バイオハイドロメタラジー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、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、従来の鉱業に代わる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います。[2]現在のバイオマイニングの方法は、改良浸出採鉱プロセスです。[4]バイオリーチングと名付けられたこれらのプロセスは、抽出され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抽出するという、一般的には多くの用途があります。[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、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用い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]

バイオマイニングの歴史

微生物をバイオマイニングに応用できる可能性は、1951年のケネス・テンプルとアーサー・コルマーの論文[9]の後、認識されました。論文では、細菌Acidithiobacillus ferrooxidans (基本名Thiobacillus ferrooxidans ) が鉄、銅、マグネシウムが豊富な環境で繁殖する鉄酸化細菌であるという証拠を提示しました。[9]実験では、A. ferrooxidans を2,000 ～ 26,000 ppm の第一鉄を含む培地に接種し、細菌は高鉄濃度でより速く成長し、より運動性が高いことがわかりました。[9]細菌増殖の副産物によって培地は非常に酸性に変わりましたが、その中で微生物は依然として繁殖し続けました。[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、人類は何百年も前から無意識のうちにバイオマイニングの手法を用いてきた。[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、鉱山労働者たちは、一定期間、鉱山の深い坑道に残った鉄を注ぎ込むと銅が得られることを発見し、この反応を無意識のうちに利用しました。[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用い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解明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]

現在の方法

バイオ酸化（生物学的前処理）

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]これは必ずしも必要なわけではありませんが、金（Au）から硫砒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細菌は、以下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]

撹拌タンク式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ングするために使用されてきましたが、[18]これらは1300m 3を超える大きさにな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]

ウラン堆積浸出プロセスの図解。バイオリーチングでは、堆積物にプロセス特有の微生物が接種される。

バイオリーチング（バイオプロセス）

廃棄物バイオリーチング

ダンプ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一つです。ダンプバイオリーチングでは、廃石を100m以上の山に積み上げ、硫酸で飽和させることで、在来のバクテリア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、岩石へのバクテリアの接種は行われないことが多く、岩石中に既に存在するバクテリアに頼ります。[16]

ヒープバイオリーチング

堆積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。[16]このプロセスには、岩石をより細かい粒子サイズに粉砕する追加の処理が含まれます。[16]この細かい粒子は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、浸出液を処理のために集めるための、大きな非多孔質のプラットフォームの上に置かれます。[16 ]集められた浸出液は沈殿プラントに運ばれ、そこで金属が再沈殿・精製されます。貴重な鉱物が除去された廃液は、堆積物の上部にポンプで送り返され、このサイクルが繰り返されます。[16]

浸出堆積場内の温度は、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、さらに高温になると好熱性好酸性古細菌サルフォロバス（メタロスファエラ・セデュラ）が重要な役割を果たす可能性がある。[16]

クッファーシーファー鉱床からの銅回収のための現場バイオマイニングと電解採取

現場バイオマイニング

インサイチューバイオマイニングは、地中からまだ採取されていない破砕された鉱体に浸水と接種を行うものです。[16]鉱床にバクテリアを導入すると、貴金属の浸出が始まり、回収井で浸出液として抽出することができます。[19] インサイチューマイニングは、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す。[20]

インサイチュー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代替手段となっています。[21]インサイチューバイオマイニングでは鉱体の抽出が不要なため、鉱石の運搬や精錬が不要になります。[20]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。[20]しかし、インサイチュー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、すべての浸出法の中で最も環境への懸念があります。 [20] [21]しかし、これらの懸念は、特にこの採掘の大部分が地下水面下で行われるため、注意深く管理することができます。[20]

この方法は、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。[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+に酸化することができます。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おり、At. ferrooxidansは主にFe 2+からFe 3+への再酸化を通じて寄与していると考えられます。

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

アプリケーション

黄銅鉱のバイオリーチングによる銅の抽出方法を示す簡略図

これらの浸出法の最大の応用の一つは銅の採掘です。アシディチオバチルス・フェロオキシダンスは、還元鉄（Fe2+）を硫黄の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などの細菌を用いて鉱山廃石から銅を浸出させることで、回収率が向上し、操業コストが削減されました。さらに、低品位鉱石からの抽出も可能となり、高品位鉱石の枯渇という課題において重要な考慮事項となっています。[3]

経済的実現可能性と潜在的な欠点

バイオリーチングは、細菌に適切な生育条件を与えることで、低品位鉱石をより安価に処理できることが実証されています。[24]これにより、低品位鉱石の経済的な採掘が可能になり、持続可能な方法で鉱業埋蔵量を増加させることができます。[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産業規模にまで拡大できるかどうかについては懸念がある。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、高価な特殊機器が必要となることである。[14]バイオマイニング技術は、採掘の代替ではなく、補完的なプロセスとしてのみ経済的実現可能性を示している。バイオマイニングは、採掘直後または廃坑となった鉱滓を再処理し、銅生産精鉱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で、従来の採掘をより環境的かつ経済的に優しいものにすることができる可能性がある。[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を代替する上で大きな経済的実現可能性を持っているが、まだ大規模導入には至っていない。[14]

金

金は自然界では硫砒鉄鉱や黄鉄鉱と共存して存在することが多い。微生物による浸出過程において、アシディチオバチルス・フェロオキシダンスなどが鉄鉱物を溶解し、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]

バイオハイドロメタラージーはバイオマイニングの新たなトレンドであり、商業採掘プラント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的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、ウランを取り出すために使用される。電子は酸化によって硫黄金属から引き離され、次に鉄に配置され、プロセス中に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、次に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を行うほとんどの工業プラントは、アシディチオバチルス属またはレプトスピリラム・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℃で運転されている。[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]鉱山廃石からの銅の浸出にアシディチオバチルス・フェロオキシダンスなどの細菌を用いることで、回収率が向上し、操業コストが削減されました。さらに、低品位鉱石からの抽出も可能となり、高品位鉱石の枯渇という課題において重要な考慮事項となっています。

好酸性古細菌であるSulfolobus metallicusとMetallosphaera sedulaは、最大4%の銅に耐性があり、鉱物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日間で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数を増やすことを意味します。微生物は硫黄を酸化します。生成された電子は鉄を還元し、細胞が利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

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、環境を健全な状態に戻すプロセスである。[29]

鉱山廃棄物や環境における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用いることで、生態系における金属の移動性を低減することができます。[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、亜鉛などがあり、雨や水路を介して環境に流入し、長距離を移動します。[30]これらの金属は、野生動物や生物、そして人間にとって潜在的な毒性リスクをもたらします。[30]適切な微生物を鉱山や鉱山汚染・毒性地域に導入することで、金属の構造を変化させ、生物学的利用能を低下させ、生態系における移動性を低減することができます。[30]しかし、特定の微生物は環境に溶解する金属の量を増加させる可能性があることに注意することが重要です。[30]そのため、状況に最も有益な細菌を見つけるために、科学的研究と試験を実施する必要があります。[30]

1998年のエクソンバルディーズ号原油流出事故の影響を受けた海岸線の画像

バイオレメディエーションは金属に限った話ではない。1989年、エクソンバルディーズ号の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た。[5]原油は潮によって海岸に打ち上げられ、湾の海岸線の778kmを覆っただけでなく、アラスカ湾の1,309kmにも広がった。[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、後にこの戦略は海岸線で実施された。[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す肥料を環境に投入した。[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%の基準値まで減少した。[5]流出から2年後、汚染された海岸線の領域は10.2kmに及んでいた。[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技術として機能する可能性があることを示唆している。

将来の展望

現在のバイオリーチング技術のさらなる機能としては、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、溶液からの金属の濃縮などが挙げられる。[4]最近調査されているプロジェクトの一つは、石炭精錬における硫黄の削減に生物学的手法を用いるものである。[31]

宇宙でのバイオマイニング

宇宙バイオマイニング/バイオリーチングに基づく生物学的生命維持システム（BLSS）の理論マップ

宇宙バイオマイニングの概念は、宇宙探査の世界に新たな分野を生み出している。[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る。[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ある。[6] BLSSには通常、生物学的成分は含まれていないが、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することができれば、理論的には再生型生命維持の循環システムが可能になる。[6]

バイオマイニングにおける菌類

糸状菌、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、キレート反応によっ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、菌類は希土類元素の抽出や低品位鉱石の処理能力について研究されてきました。しかし、最も有望視され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の回収です。[7] [34]菌類によるバイオリーチングは有望であるにもかかわらず、細菌によるバイオリーチングと競合しないため、産業用途への応用は未だ見られません。[7]

ハイブリッドバイオマテリアル

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結合させることで作られます。[8]結合したペプチドは、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、目的の分子に結合する、非常に特異的なカスタムハイブリッド分子の開発が可能になります。[8]これらのタンパク質が結合した磁性ナノ粒子は、水溶液からバイオマテリアルと結合した分子を分離することを可能にします。[8]溶液から金とモリブデン鉱を溶出させるこれらのハイブリッドバイオマテリアルの開発に既に成功しており、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]

参照

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  • 「NBIAPニュースレポート」米国農務省（1994年6月）。