Wykorzystanie mikroglonów ekstremofilnych Cyanidioschyzon merolae i Galdieria sulphuraria w odzysku metali z kwaśnych wód kopalnianych (AMD) jako alternatywnego źródła surowców krytycznych

• Autorzy: Borowska Ewa Izabela , Urbańska Weronika

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2023.9.6

Warianty tytułu

EN

The use of extremophilic microalgae Cyanidioschyzon merolae and Galdieria sulphuraria in the recovery of metals from acid mine drainage (AMD) as an alternative source of critical raw materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zrównoważona gospodarka surowcami stanowi obecnie największe wyzwanie, w kontekście utrzymania i wprowadzania nowych technologii użytku codziennego. Stale rosnące zapotrzebowanie, a jednocześnie wyczerpywanie naturalnych zasobów wielu różnych pierwiastków, przyczynia się do coraz częściej obserwowanych kryzysów na globalnym rynku surowcowym. Obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest recykling odpadów, w celu odzysku surowców wtórnych, możliwych do ponownego wprowadzenia do obiegu materiałowego. Niemniej jednak korzystną alternatywę może stanowić także pozyskiwanie surowców z polimetalicznych wód kopalnianych, występujących w środowisku naturalnym na terenach powydobywczych. W nawiązaniu do zasad gospodarki obiegu zamkniętego oraz założeń transformacji klimatycznej, dokonano analizy potencjału kwaśnych wód kopalnianych (AMD), jako alternatywnego źródła metali krytycznych i strategicznych dla światowej gospodarki. Wykazano, że tego typu zasoby mogą być efektywnie zagospodarowane poprzez odzysk metali Co, Cu, Li, Ni i Zn w nich zawartych, przy zastosowaniu metod biologicznych - fikoremediacji. Do tego celu po raz pierwszy w literaturze przedmiotu wykorzystano ekstremofilne mikroglony czerwone - Cyanidioschyzon merolae i Galdieria sulphuraria.

EN

Sustainable raw materials management is currently the greatest challenge in the context of maintaining and introducing new technologies for everyday use. The constantly growing demand and, at the same time, the depletion of natural resources of many different elements contribute to increasingly observed crises on the global raw material market. Currently, the most frequently used solution is waste recycling in order to recover secondary raw materials that can be reintroduced into the material cycle. However, obtaining raw materials from polymetallic mine waters occurring in the natural environment in post-mining areas may also be a beneficial alternative. Referring to the principles of the circular economy and the assumptions of climate transformation, the potential of acid mine waters (AMD) as an alternative source of critical and strategic metals for world economy was analyzed. It has been shown that this type of resources can be effectively utilized by recovering the metals Co, Cu, Li, Ni and Zn contained in them using biological methods - phycoremediation. For this purpose, for the first time in the literature, extremopnhilic red microalgae - Cyanidioschyzon merolae and Galdieria sulphuraria - were used.

Słowa kluczowe

PL

kwaśne wody kopalniane; surowce krytyczne; odzysk metali; fikoremediacja; geomikrobiologia

EN

acid mine drainage; critical raw materials; recovery of metals; phycoremediation; geomicrobiology

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2023
• Tom: Nr 9
• Strony: 32--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 60 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Borowska Ewa Izabela

• Uniwersytet Warszawski, Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych, ul. Banacha 2C, 02-097 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-5251-6541

autor

Urbańska Weronika

• Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 WrocławPolitechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] Adetunji, Adegoke Isiaka, Paul Johan Oberholster, Mariana Erasmus. "Bioleaching of Metals from E-Waste Using Microorganisms: A Review”. Minerals 13(6) (2023): 828. https://doi.org/10.3390/min13060828.
• [2] Andrusikiewicz, W. "Research on Purification Effect of Saline Mine Water from the Mines KGHM "Polska Miedź" S.A." Inżynieria Mineralna, 15(2) (2014): 245-49.
• [3] Ankit, Kuldeep Bauddh, John Korstad. "Phycoremediation: Use of Algae to Sequester Heavy Metals”. Hydrobiology 1(3) (2022): 288-303. https://doi.org/10.3390/hydrobiology 1030021.
• [4] Apramadha, Made Sandra, Astri Rinanti, Ratnaningsih Ratnaningsih, Astari Minarti, Sarah Aphirta, Lutfia Rahmiyati, Sheilla Megagupita Putri Marendra, Thalia Sunaryo. „Acid Mine Drainage Neutralization Effort in Mud Media by Lactobacillus Casei Bacteria and Dekkera Bruxellensis Fungi". Journal of Ecological Engineering 24(8) (2023): 277-86. https://doi.org/10.12911/22998993/166556.
• [5] Bao, Zhongwen, Carol J. Ptacek, i David W. Blowes. "Extracting resources from abandoned mines". Science 381(6659) (2023): 731-32. https://doi.org/10.1126/science.abn5962.
• [6] Brahim, Raoua Ben, Hasna Ellouzi, Khaoula Fouzai, Nedra Asses, Mohammed Neffati, Jean Marc Sabatier, Philippe Bulet, Ilmed Regaya. „Optimized Chemical Extraction Methods of Antimicrobial Peptides from Roots and Leaves of Extremophilic Plants: Anthyllis Sericea and Astragalus Armatus Collected from the Tunisian Desert”. Antibiotics 11(10) (2022): 1302. https://doi.org/10.3390/antibiotics11101302.
• [7] Bryan, Christopher George, Susan Therese Largier Harrison. "Microbial Ecology of Bioheaps, Stirred Tanks, and Mine Wastes”. W: Biomining Technologies: Extracting and Recovering Metals from Ores and Wastes, red. David Barrie Johnson, Christopher George Bryan, Michael Schlömann, Francisco Figueroa Roberto, 133-49. Cham: Springer International Publishing, 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-031-05382-5_7.
• [8] C.m.g, Abiahu, V. I. Fagorite, I. C. Oli. "Mine waste: sources, problems and mitigations” EPH - International Journal of Applied Science 5(3) (2019): 1-7. https://doi.org/10.53555/eijas.v5i3.112.
• [9] Carrara, Samuel, Silvia Bobba, Darina Blagoeva, Patricia Alves Dias, Alessandro Cavalli, Konstantinos Georgitzikis, Milan Grohol, i in. "Supply Chain Analysis and Material Demand Forecast in Strategic Technologies and Sectors in the EU - A Foresight Study”. JRC Publications Repository, 2023. https://doi.org/10.2760/386650.
• [10] Chudy, Krzysztof, Magdalena Worsa-Kozak, Agnieszka Wójcik, Christian Wolkersdorfer, Wojciech Drzewicki, Dominika Konsencjusz, Danuta Szyszka. „Chemical variations in mine water of abandoned pyrite mines exemplified by the Colorful Lakes in Wieściszowice, Sudetes Mountains, Poland”. Journal of Hydrology: Regional Studies 38 (2021): 100974. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2021.100974.
• [11] Chugh, Mohita, Lakhan Kumar, Maulin P Shah, Navneeta Bharadvaja. "Algal Bioremediation of heavy metals: An insight into removal mechanisms, recovery of by-products, challenges, and future opportunities”. Energy Nexus 7 (2022): 100129. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2022.100129.
• [12] Costa, Maria R., Henryk Marszałek, Eduardo Ferreira da Silva, Agata Mickiewicz, Mirosław Wąsik, Carla Candeias. "Temporal Fluctuations in Water Contamination from Abandoned Pyrite Wieściszowice Mine (Western Sudetes, Poland)". Environmental Geochemistry and Health 43(8) (2021): 3115-32. https://doi.org/10.1007/s10653-021-00809-1.
• [13] Czech, T., A. Marchewicz, A. T. Sobczyk, A. Krupa, A. Jaworek, Ł. Śliwiński, D. Rosiak. "Heavy metals partitioning in fly ashes between various stages of electrostatic precipitator after combustion of different types of coal". Process Safety and Environmental Protection 133 (2020): 18-31. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.10.033.
• [14] Duchnowska, Magdalena. "Mining-Induced Anthropogenic Transformations of the Wielka Kopa Massif - Case Study of Rudawy Janowickie, the Sudetes”. Sustainability 14(2) (2022): 874. https://doi.org/10.3390/su14020874.
• [15] Dutta, Deblina, Rahul Rautela, Lohit Kumar Srinivas Gujjala, Debajyoti Kundu, Pooja Sharma, Mamta Tembhare, Sunil Kumar. "A review on recovery processes of metals from E-waste: A green perspective". Science of The Total Environment 859 (2023): 160391. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160391.
• [16] European Comission, 2023. Study on the Critical Raw Materials for the EU 2023. https://ec.europa.eu>renditions>native (dostęp: 10.09.2023).
• [17] Fernandez-López, Maikel Gilberto, Ramón Alberto Batista-Garcia, Elva Teresa Aréchiga-Carvajal. "Alkaliphilic/Alkali-Tolerant Fungi: Molecular, Biochemical, and Biotechnological Aspects". Journal of Fungi 9(6) (2023): 652. https://doi.org/10.3390/j0f9060652.
• [18] Gao, Shao-jun, Wei-feng Liu, Dong-ju Fu, Xu-guang Liu. "Research progress on recovering the components of spent Li-ion batteries”. New Carbon Materials 37(3) (2022): 435-60. https://doi.org/10.1016/8S1872-5805(22)-60605-X.
• [19] Gross, Wolfgang, Jan Kiiver, Gilbert Tischendorf, Nicolas Bouchaala, Wilhelm Büsch. „Cryptoendolithic growth of the red alga Galdieria sulphuraria in volcanic areas”. European Journal of Phycology 33(1) (1998): 25-31. https://doi.org/10.1080/09670269810001736503.
• [20] Hageliiken, Christian, Daniel Goldmann. "Recycling and Circular Economy-towards a Closed Loop for Metals in Emerging Clean Technologies". Mineral Economics 35(3) (2022): 539-62. https://doi.org/10.1007/s13563-022-00319-1.
• [21] Huang, Li-Nan, Jia-Liang Kuang, Wen-Sheng Shu. "Microbial Ecology and Evolution in the Acid Mine Drainage Model System". Trends in Microbiology 24(7) (2016): 581-93. https://doi.org/10.1016/j.t1m.2016.03.004.
• [22] JRC Publications Repository, 2023. Supply chain analysis and material demand forecast in strategic technologies and sectors in the EU - A foresight study. https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC132889 (dostęp: 10.09.2023).
• [23] Khkarel, Hari Lal, Ina Shrestha, Melissa Tan, Mohammad Nikookar, Negar Saraei, Thinesh Selvaratnam. "Cyanidiales-Based Bioremediation of Heavy Metals". BioTech 12(2) (2023): 29. https://doi.org/10.3390/biotech12020029.
• [24] Konsencjusz, Dominika, Krzysztof Chudy, Magdalena Worsa-Kozak. „Zmienność stężenia żelaza i siarczanów w profilach pionowych Kolorowych Jeziorek w Wieściszowicach (Rudawy Janowickie) - wyniki. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 451 (2012): 145-52.
• [25] Labus, Krzysztof, Sylwia Lutyńska. "Kinetic Models of AMD in the Area of Post-mining Lakes in the Eastern Part of Muskau Arch”. Procedia Earth and Planetary Science, |5th Water-Rock Interaction International Symposium, WRI-15, 17 (2017): 948-51. https://doi.org/10.1016/j.proeps.2017.01.033.
• [26] Lawrence, Susan, Peter Davies, Greg Hil, lan Rutherfurd, James Grove, Jodi Turnbull, Ewen Silvester, Francesco Colombi, Mark Macklin. "Characterising Mine Wastes as Archaeological Landscapes”. Geoarchaeology 38(4) (2023): 389-405. https://doi.org/10.1002/gea.21958.
• [27] Lewińska, Karolina, Agata Duczmal-Czernikiewicz, Anna Karczewska, Agnieszka Dradrach, Muhammad Iqbal. "Arsenic Forms in Soils of Various Settings in the Historical Ore Mining and Processing Site of Radzimowice, Western Sudetes”. Minerals 11(5) (2021): 491. https://doi.org/10.3390/mini1050491.
• [28] Liber-Makowska, Elżbieta, Barbara Kiełczawa. „Modelling of Selected Hydrodynamic and Hydrochemical Parameters of a Geothermal Water System: An Example of Cieplice Therapeutic Waters”. Environmental Earth Sciences 79(12) (2020): 289. https://doi.org/10.1007/s12665-020-08947-y.
• [29] Manikandan, S., D. Inbakandan, C. Valli Nachiyar, S. Karthick Raja Namasivayam. "Towards sustainable metal recovery from e-waste: A mini review". Sustainable Chemistry for the Environment 2 (2023): 100001. https://doi.org/10.1016/j.scenv.2023.100001.
• [30] Marchetto, Francesca, Sergio Santaeufemia, Magdalena Lebiedzińska-Arciszewska, Małgorzata A. Śliwińska, Magdalena Pich, Eliza Kurek, Aleksandra Naziębło, i in. "Molecular Mechanisms of Heavy Metal Adaptation of an Extremophilic Red Alga Cyanidioschyzon Merolae". bioRxiv (2023). https://doi.org/10.1101/2023.02.24.529964.
• [31] Mickiewicz, Agata, Henryk Marszałek. "Groundwater Geochemical Evolution under the Influence of Polymetallic Deposit in Czarnów (Western Sudetes, SW Poland)”. Environmental Earth Sciences 75(6) (2016): 464. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4974-6.
• [32] Migaszewski, Zdzisław M., Agnieszka Gałuszka, Sabina Dołęgowska. "Extreme Enrichment of Arsenic and Rare Earth Elements in Acid Mine Drainage: Case Study of Wiśniówka Mining Area (South-Central Poland)". Environmental Pollution 244 (2019): 898-906. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.10.106.
• [33] Migaszewski, Zdzisław M., Agnieszka Gałuszka, Sabina Dołęgowska. „Arsenic in the Wiśniówka acid mine drainage area (south-central Poland) - Mineralogy, hydrogeochemistry, remediation”. Chemical Geology 493 (2018): 491-503. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2018.06.027.
• [34] Minoda, Ayumi, Rei Sakagami, Fumi Yagisawa, Tsuneyoshi Kuroiwa, i Kan Tanaka. "Improvement of Culture Conditions and Evidence for Nuclear Transformation by Homologous Recombination in a Red Alga, Cyanidioschyzon merolae 10D”. Plant and Cell Physiology 45(6) (2004): 667-71. https://doi.org/10.1093/pcp/pch087.
• [35] Mishra, Gautam, Rohit Jha, Arunabh Meshram, Kamalesh K. Singh. „A review on recycling of lithium-ion batteries to recover critical metals”. Journal of Environmental Chemical Engineering 10(6) (2022): 108534. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108534.
• [36] Moosakazemi, Farhad, Sina Ghassa, Mohammad Jafari, Saeed Chehreh Chelgani. "Bioleaching for Recovery of Metals from Spent Batteries - A Review". Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review (2022): 1-11. https://doi.org/10.1080/08827508.2022.2095376.
• [37] Najwyższa Izba Kontroli, 2018. Zabezpieczenie i zagospodarowanie zwałowisk pogórniczych. https://www.nik.gov.pl/plik/id,19973,vp,22593.pdf (dostęp: 10.09.2023).
• [38] Najwyższa Izba Kontroli, 2019. Hałdy górnicze - ukryć trudno, a i pozbyć się niełatwo. https://www.nik.gov.pl/aktualnosci/haldy-gornicze-ukryc-trudno-a-i-pozbyc-sie-nielatwo.html?fbclid=IwAR3PtUHZTYyNuahFzUSMnL7zX8cEhNWfi6pAiT37tM7hIDfvh0O3qwhzumSw (dostęp: 10.09.2023).
• [39] Nkongolo, K. K., G. Spiers, P. Beckett, R. Narendrula-Kotha. "Inside old reclaimed mine tailings in Northern Ontario, Canada: A microbial perspective". Ecological Genetics and Genomics 23 (2022): 100118. https://doi. org/10.1016/j.egg.2022.100118.
• [40] Olias, Manuel, José Miguel Nieto. "Background Conditions and Mining Pollution throughout History in the Rio Tinto (SW Spain)". Environments 2(3) (2015): 295-316. https://doi.org/10.3390/environments2030295.
• [41] Oszkinis-Golon, Małgorzata, Marcin Frankowski, Andrzej Pukacz. "Macrophyte Diversity as a Response to Extreme Conditions in the Post-Mining Lakes of the Muskau Arch (West Poland)". Water 13(20) (2021): 2909. https://doi.org/10.3390/w13202909.
• [42] Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, 2018. Nowa baza danych o dolnośląskich hałdach. https://www.pgi.gov.pl/aktualnosci/display/10454-nowa-baza-danych-o-dolnoslaskich-haldach-2.html (dostęp 10.09.2023).
• [43] Państwowy Instytut Geologiczny, 2023. Surowce chemiczne. Piryt. http://surowce-chemiczne.pgi.gov.pl/piryt-sudety.htm (dostęp: 10.09.2023).
• [44] Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, 2023. Odpady wydobywcze i przemysłowe. https://cbdgportal.pgi.gov.pl/haldy/ (dostęp: 10.09.2023).
• [45] Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, 2023a. Surowce krytyczne w nowym rozporządzeniu i wykazie komisji europejskiej. https://www.pgi.gov.pl/aktualnosci/display/14403-surowce-krytyczne-w-nowym-rozporzadzeniu-i-wykazie-komisji-europejskiej.html (dostęp: 10.09.2023).
• [46] Parafiniuk, Jan, Rafał Siuda, Andrzej Borkowski. "Sulphate and Arsenate Minerals as Environmental Indicators in the Weathering Zones of Selected Ore Deposits, Western Sudetes, Poland". Acta Geologica Polonica 66(3) (2016): 493-508.
• [47] Patil, Ajay B., Rudolf P. W. J. Struis, Christian Ludwig. "Opportunities in Critical Rare Earth Metal Recycling Value Chains for Economic Growth with Sustainable Technological Innovations". Circular Economy and Sustainability 3(2) (2023): 1127-40. https://doi.org/10.1007/s43615-022-00204-7.
• [48] Pech, Paweł, Bronisław Wojtuń, Aleksandra Samecka-Cymerman, Ludmiła Polechońska, Alexander J. Kempers. "Metals in Plant Functional Types of Ombrotrophic Peatlands in the Sudetes (SW Poland) ". Archives of Environmental Contamination and Toxicology 82(4) (2022): 506-19. https://doi.org/10.1007/s00244-022-00928-5.
• [49] Phang, Siew-Moi, Wan-Loy Chu, Reza Rabiei. "Phycoremediation". W: The Algae World, red. Dinabandhu Sahoo i Joseph Seckbach, 35789. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology. Dordrecht: Springer Netherlands, 2015. https://doi.org/10.1007/978-94-017-7321-8_13.
• [50] Rada Europejska, 2022. Europejski Zielony Ład. https://www.consilium.europa.eu/pl/policies/green-deal/ (dostęp: 10.09.2023).
• [51] Rautela, Rahul, Bholu Ram Yadav, Sunil Kumar. "A review on technologies for recovery of metals from waste lithium-ion batteries". Journal of Power Sources 580 (2023): 233428. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233428.
• [52] Richter, Jessika Luth. "A Circular Economy Approach Is Needed for Electric Vehicles". Nature Electronics 5(1) (2022): 5-7. https://doi.org/10.1038/s41928-021-00711-9.
• [53] Sagrillo Pimassoni, Yasmim, Maria Tereza Weitzel Dias Carneiro Lima, Luciana Harue Yamane, Renato Ribeiro Siman. "The recovery of rare earth elements from waste electrical and electronic equipment: A review". Hydrometallurgy 222 (2023): 106156. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2023.106156.
• [54] Song, Duanmei, Jiadong Yu, Mengmeng Wang, Quanyin Tan, Kang Liu, Jinhui Li. "Advancing recycling of spent lithium-ion batteries: From green chemistry to circular economy". Energy Storage Materials 61 (2023): 102870. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102870.
• [55] Thisani, Sandisiwe Khanyisa, Daramy Vondi Von Kallon, Patrick Byrne. "Geochemical Classification of Global Mine Water Drainage". Sustainability 12(24) (2020): 10244. https://doi.org/10.3390/su122410244.
• [56] Wang, Yuqing, Ning An, Lei Wen, Lei Wang, Xiaotong Jiang, Feng Hou, Yuxin Yin, Ji Liang. "Recent progress on the recycling technology of Li-ion batteries". Journal of Energy Chemistry 55 (2021): 391-419. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.05.008.
• [57] Wąsik, M., M. Wąsowski. "Hydrogeological parameters of rocks drained by the old mine workings in the area of Miedzianka and Ciechanowice (Western Sudetes)". Gospodarka Surowcami Mineralnymi - Mineral Resources Management 31(2) (2015): 173-90.
• [58] Windisch, Jakob, Andreas Gradwohl, Beric Michael Gilbert, Quinton Marco Dos Santos, Gabriele Wallner, Annemarie Avenant-Oldewage, Franz Jirsa. "Toxic Elements in Sediment and Water of the Crocodile River (West) System, South Africa, Following Acid Mine Drainage". Applied Sciences 12(20) (2022): 10531. https://doi.org/10.3390/app122010531.
• [59] World Mining Data, 2023. https://world-mining-data.info/wmd/downloads/PDF/WMD2023.pdf (dostęp: 10.09.2023).
• [60] Xin, Ruirui, Joseph Frazer Banda, Chunbo Hao, Huiyuan Dong, Lixin Pei, Dongyi Guo, Pengfei Wei, Zerui Du, Yi Zhang, Hailiang Dong. "Contrasting seasonal variations of geochemistry and microbial community in two adjacent acid mine drainage lakes in Anhui Province, China". Environmental Pollution 268 (2021): 115826. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115826.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).