Biomining คืออะไร เจาะลึกการใช้จุลชีวิน ทำเหมืองแร่ในอวกาศ

หลาย ๆ คนที่ได้อ่านบทความเรื่อง Microorganisms tested in Space ซึ่งได้กล่าวถึงการทดลอง Biorock ที่เป็นการทดลอง Biomining ในอวกาศ แล้วอาจจะสงสัยว่า Biomining มันคืออะไรทำไหมไม่เคยได้ยิน เลยต้องเกริ่นก่อนว่าเราได้พยายามหาข้อมูลใน Journal มาหลายแห่งแล้วแต่ไม่พบหรือพบน้อยมากอีกทั้งวิจัยด้านนี้หรือแม้แต่บทความทางวิชาการสาขา ฺฺBiotechnology ในด้านของ Biomining ก็ยังไม่มีหน่วยงานไหนอธิบายด้านนี้ ผู้เขียนจึงได้รวมรวมงานวิจัยแบบ Public ที่ตีพิมพ์ในวารสารสาธารณะจากหลาย ๆ แห่งมาเขียนให้ได้อ่านกัน

Biomining เป็นกระบวนการหนึ่งในการสกัดแร่จำเพาะด้วยการใช้สิ่งมีชิวิตเซลล์เดียว (Prokaryotes) หรือพวก Fungi โดยที่สิ่งมีชีวิตพวกนี้จะดึงแร่จำเพาะจากบริเวณที่ตัวมันอยู่มาไว้ใช้ในเซลล์ ประมาณปี 1900 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบการใช้แร่เหล็กที่เสถียรเช่น เหล็ก ทองแดง ซิงค์ และเหล็กที่ไม่เสถียรเช่น ยูเรเนียมและทอเรียม ซึ่งเราสามารถนำ Biomining ไปใช้ได้ทั้งทางวิทยาศาสตร์ (scientifically) และในเชิงพาณิชย์ (commercially) ด้วยการทำ Chemostat หรือ Bioreactor จากจุลชีพเพื่อให้มันดึงแร่จำเพาะออกมาจากอาหารเลี้ยงเชื้อหรือ medium

ก่อนจะมาเป็น Biomining

ในปี 1951 งานวิจัยของ Dr. Kenneth Temple ค้นพบว่าจุลชีพ Acidithiobacillus ferrooxidans เจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของ เหล็ก ทองแดง และแมกนีเซียมสูง เข้าจึงทดลองสมมติฐานของเค้าด้วยการลองเพาะเชื้อ Acidithiobacillus ferrooxidans ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีความเข้มข้นของเฟอร์รัส (Ferrous iron) ตั้งแต่ 2,000 ppm จนภึง 26,000 ppm

เขาค้นพบว่าแบคทีเรียโตเร็วขึ้นในสภาพที่มีความเข้มข้นของแร่เหล็กสูง แต่ Byproduct หรือสารที่เกิดจากการเติบโตของแบคทีเรียทำให้อาหารเลี้ยงเชื้อมีภาวะเป็นกรดสูง แต่เจ้าแบคทีเรียที่เค้าทดลองก็ไม่ได้สะทกสะท้านกับความเป็นกรดเลย แถมยังเติบโตได้เหมือนเดิมอีก

การทดลองของ Dr. Kenneth ช่วยยืนยันว่าจุลชีพมีกลไกในการตรวจความเข้มข้นของเหล็กรอบ ๆ มัน และสามารถดึงแร่จำเพาะของมันเองเข้าไปใช้ในเซลล์ได้ นำไปสู่การพัฒนาระบบ Biomining ที่ซับซ้อน

Biomining เป็นการนำ microbes หรือจุลชีพมาแยกแร่จำเพาะ เช่น เหล็ก ออกจากหิน อาศัยปฎิกิริยาออกซิเดชั่น (Oxidation Reaction) จาก Microbes มา Oxidize แร่เหล็กที่อยู่ในหินได้ Product ออกมาเป็นเหล็กอีกชนิดที่สามารถละลายได้ง่ายขึ้น ทำให้ง่ายต่อการสกัดแร่ออกมา โดยทั่วไปเหล็กที่ใช้หลักการ Biomining ในการช่วยสกัด คือ ทองแดง ยูเรเนียม นิกเกิ้ล และทอง ซึ่งเป็น Sulfidic minerals ด้วยกระบวนการ Biohydrometallurgy ดังนั้น Biomining สามารถแบ่งได้แยกย่อยเป็นสองหลักการก็คือ Bioleaching และ Biooxidation เมื่อนำมารวมกันก็จะได้ Biomining

Bioleaching และ Biooxidation คืออะไร

Bioleaching ก็คือกระบวนการ Leaching ด้วยการใช้ Microbes เป็นตัวช่วยในการ Leaching ซึ่งการ Leaching ก็คือการทำให้สารที่อยู่ในรูปของแข็งละลายออกมาจาก carrier substance ในรูปของตัวทำละลาย ซึ่งโดยปกติกระบวนการ Leaching เกิดขึ้นในธรรมชาติอยู่แล้ว เช่นในดิน

โดยปกติในดินจะมีสารอินทรีย์ปะปนอยู่เป็นจำนวนมากซึ่งจำเป็นต่อการเจริญเติบโตแต่ก็สามารถถูกชะล้างออกด้วยนำซึ่งทำหน้าที่เป็น Solvent หรือตัวทำละลายในกระบวนการ Leaching ทำให้กระบวนการ Leaching เป็นอันตรายต่อการเจริญเติบโตของพืชเพราะมันดันไปล้างแร่ธาตุในดินออกมาหมดแล้วละลายไปในน้ำ ซึ่งถ้าในดินมียาฆ่าวัชพืชอยู่ยาฆ่าวัชพืชก็จะถูกชะล้างออกไปกับน้ำด้วย และเมื่อน้ำวนเข้าสู่วัฎจักรตามเดิมก็อาจก็ให้เกิดอันตรายต่อมนุษย์ได้

ซึ่งโดยปกติในเหมืองแร่ทั่วไปใช้วิธีการที่เรียกว่า Heap leaching ซึ่งเป็นการใช้สารเคมีในการละลายแร่ธาตุออกมาจาก carrier substance เช่นการใช้ Cyanide หรือ Sulfuric acid ในการละลายแร่ธาตุออกมาแล้ว extract แร่ที่ละลายได้ออกจากสารเคมีแล้วนำสารเคมีที่ใช้ไป Reuse/Recirculate ในกระบวนการ Leaching อีกครั้ง ซึ่งที่ว่ามาเนี่ยทั้ง Sulfuric acid ทั้ง Cyanide โคตรจะเป็นอันตรายต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม แต่ยังเป็นวิธีที่ effective กว่าการขุดเหมืองทั่วไป

ยังมีอีกหลายวิธีในการ Leaching เช่น In-situ Leaching, Dump Leaching, Tank leaching เช่นในกระบวนการ Tank leaching เป็นการนำหินที่มีแร่เหล็กไปใส่ใน Bioreactor ซึ่งในที่นี้ก็คือถังปั่นสาร Continuous Stirred-Tank (Bio)Reactor (CSTR) ที่มีสารอย่าง Lixiviant ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย แล้วก็ปั่นสารไปเรื่อย ๆ ก็จะได้สารละลายที่มีแร่ธาตุอยู่ออกมา แล้วนำมา Extract เป็นสารบริสุทธิ์อีกที อารมณ์เหมือนปั่นน้ำผลไม้แล้วมานั่งแงะเศษเม็ดมันออกอะ

แต่อีกวิธีที่ effective ไม่แพ้กันแถมไม่ต้องทำเองด้วยก็คือ Bioleaching นั่นเอง วิธีการก็คือการใช้แบคทีเรียอย่าง Acidithiobacillus ferrooxidans และ Acidithiobacillus thiooxidans ซึ่งมีไออนของ Fe³⁺ ทำหน้าที่เป็น Oxidizer ซึ่ง Oxidize กับแร่เหล็กในหิน วิธีแรกก็คือ Pyrite leaching (FeS₂) ซึ่ง Disulfides ในแร่เหล็กถูก Oxidize เป็น Thiosulfate จาก Ferric Ion (Fe³⁺ ) ในแบคทีเรียแล้วโดน Reduce กลายเป็น Ferrious Ion (Fe²⁺ ) อีกที ปฎิกิริยา Oxidation กับ Reduction รวมกันเรียกว่า Redox สเต็ปการทำปฎิกิริยาเป็นดังนี้ (อาจจะงง ๆ หน่อย)

ซึ่ง Net product ที่ได้จากปฎิกิริยะนี้คือ Ferrous sulfate และ Sulfuric acid ที่ละลายน้ำได้ ปฎิกิริยา Microbial oxidation เกิดขึ้นในเยื่อหุ่มเซลล์ (cell membrane) ของแบคทีเรีย อิเล็กตรอนจากเหล็กถูกใช้เพื่อการสร้างพลังงาน การสกัดแร่ทองแดงก็จะใช้กระบวนการคล้าย ๆ กันเรียกว่า Chalcopyrite leaching

Chalcopyrite leaching ในตอนแรก Sulfides ใน carrier จะถูก Oxidize กลายเป็น Elemental sulfur Disulfides แล้วก็จะถูก Oxidize อีกกลายเป็น Thiosulfate แบคทีเรียจะมีส่วนช่วยในการ Reduce เพื่อสร้าง Ferric Ion (Fe³⁺ ) ใหม่

Net product ที่ได้ก็คือ Cu²⁺ หรือทองแดงที่ละลายน้ำซึ่งจะถูกแยกออกมาด้วยการทำ Ligand Exchange Solvent Extraction ด้วยการนำ Cu²⁺ มาทำพันธะกับ Ligand ซึ่ง Ligand จะให้อิเล็กตรอนกับทองแดงทำให้เกิด Complex ของ Central Metal Atom แล้ว ฺBond กับ Ligand และเพราะว่าเจ้า Complex นี่เมื่อมัน Bond กับ Ligand แล้วมันไม่มีประจุทำให้มันไม่ติดอยู่กับโมเลกุลที่มีขั้วอย่างน้ำอีกต่อไป ทำให้สามารถดึงแร่ธาตุบริสุทธิ์ออกมาได้ (ไม่มีน้ำติดมา)

โดยปกติ Bioleaching สามารถแบ่งย่อยได้อีกเป็นสองแบบ คือ (Subset จะเยอะไปไหน)

• Direct bioleaching
• Indirect bioleaching

ความแตกต่างก็คือ Direct bioleaching เป็นการทำ Direct enzymatic attack เช่นใน A. ferrooxidans ซึ่งสามารถดึงอิเล็กตรอนออกมาจากแร่ธาตุในหินเพื่อมา Oxidize ตัวมันเองจาก Fe²⁺ เป็น Fe³⁺ แล้วได้พลังงานไปใช้ในเซลล์

ส่วนใน Indirect bioleaching แบคทีเรียที่ใช้ในกระบวนการสร้าง Oxidizing agent เช่น Ferric iron หรือ Sulfuric acid แทนการทำ Direct electron transfer โดยส่ง Oxidizing agent ไปละลายแร่ธาตุออกมาก่อนแล้วตัวแบคทีเรียค่อยเข้าไปเก็บแร่ธาตุที่สกัดได้มาใช้

สรุปได้ง่าย ๆ ก็คือ Indirect bioleaching ส่ง agent ไปละลายสารออกมาก่อนแล้วค่อยมาเก็บ product เข้าไปใช้ในเซลล์ ในขณะที่ Direct bioleaching ไม่สนห่าเหวอะไรทั้งนั้น เข้าไปดูด Electron ออกมาเลยเพื่อ Oxidize ตัวมันเอง เพราะฉะนั้น Direct bioleaching แทบจะไม่มีขั้นตอนอะไรซับซ้อนเลย

Commercial Uses การนำไปใช้เชิงพาณิชย์

ดังที่กล่าวไปข้างต้นว่า Bioleaching มีหลายวิธีย่อยที่แตกต่างกันสามารถแบ่งอย่างชัดเจนได้ดังนี้

• Natural bioleaching
  • เกิดตามธรรมชาติแต่ช้าโคตร ๆ เนื่องจากมีปัจจัยหลายอยา่งที่ส่งผลต่อการเกิด leaching เช่น pH ความชื้น อุณหภูมิ ความเข้มข้นออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์
• Slope leaching
  • เป็นการทำ leaching ด้วยการเอาแร่ทั้งหลายมาปูรวมกันบนพื้นที่มีความชันแล้วเอาของเหลวที่มี Microbes ที่สามารถดึงแร่เหล็กออกมาได้มาราดแล้วเอาของเหลวที่ได้ไปสกัดแร่
• In-situ leaching
  • In-situ Leaching หรือ ISL เป็นการเจาะรูในก้อนแร่แล้วปั้มสารที่มี Bioleaching microbes เข้าไปเพื่อทำ Metal extraction
• Heap leaching
  • คล้าย ๆ Slope leaching แต่เป็นการเอาแร่ทั้งหลายมากองรวมกันแทนแล้วเทของเหลวที่มี Bioleaching microbes ลงไป
• Tank leaching
  • ใช้ Bioreactor อย่างเช่น Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) ในการปั่นแร่ธาตุรวมกันสารที่สามารถสกัดแร่ธาตุออกมาได้

ซึ่งการทำ Bioleaching มีราคาถูกและง่ายต่อการสกัดแร่เหล็กออกจาก Low-grade ores มากเนื่องจากการสกัดแร่เหล็กจาก Low-grade ores ด้วยการขุดธรรมดาเป็นวิธีที่สิ้นเปลืองและไม่คุ้มค่าอย่างยิ่ง Low-grade ores จึงตกเป็น Mining waste

Bioleaching ได้เข้ามามีบทบาทในการกำจัดและใช้ประโยชน์ Mining waste เป็นอย่างมาก เพราะมันโคตรจะง่ายมีความเป็นพิษต่อมนุษย์ต่ำด้วย แต่ก็มีข้อเสียเช่นใช้เวลาในการสกัดนาน ได้ผลผลิตน้อย (แต่ก็ยังคุ้ม) การปนเปื้อน 10-15% ของทองแดงในตลาดโลกมาจากการ extract ด้วย Bioleaching และ 5% ของทองในตลาดโลกมาจาก Bioleaching

ที่ Biomining ยังครองส่วนแบ่งการผลิตในอุตสาหกรรมด้านเหมืองแร่น้อยมากเพราะยังไม่มีวิจัยด้านนี้อย่างจริงจัง ซึ่งข้อมูลส่วนใหญ่เกี่ยวกับการวิจัย Effective method ของ Biomining ยังมีไม่มากนัก เราพยายามหา Thesis หรือ Paper งานวิจัยด้านนี้ทั้งใน Google Scholar, ResearchGate, etc. แล้วแต่ไม่พบ คาดว่าเป็นเพราะว่า Research confidentiality ด้านผลประโยชน์ของงานวิจัย ทำให้ยังไม่มี Publication ในด้านนี้ ต่างบริษัทต่างก็ทำวิจัยของตัวเองแล้วเก็บผลไว้เอง เพื่อป้องกันประโยชน์ได้เสียจากการเผยแพร่งานวิจัย

ในไทยก็ยังไม่มีการอธิบายหรือการวิจัยด้าน Biomining ทั้งในด้านของการวิจัยวิทยาศาสตร์เพื่อการศึกษาหรือเชิงพาณิชย์ก็ตาม ข้อมูล Evidence-based ของ Biomining ในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จึงยังไม่สามารถสรุปได้แน่ชัดในเชิงปฎิบัติ เนื่องจาก Biomining ยังไม่เป็นที่รู้จักในหมู่นักวิจัยมากนัก

Further Prospects ของ Biomining

วิธีใหม่ในการทำ Biomining โดยไม่ต้องใช้ปฎิกิริยา Oxidation กำลังถูกพัฒนาซึ่งจะเปิดโอกาสให้เราได้ทำ Biomining กับแร่ชนิดอื่นที่ไม่ใช้เหล็ก ตัว Biomining เองยังง่ายและคุ้มกว่าการขุดทั่วไปในการแยกแร่เหล็กออกจาก Low-grade ores และ Process ของ Biomining เพราะการทำ Leaching แบบทั่วไปก่อให้เกิดการปล่อย Sulfur dioxide ในขณะที่ Bioleaching ไม่มีการปล่อยมลพิษอย่างนี้เพราะมันใช้ Bacteria ไม่ใช่กรด

Biomining ยังสามารถนำไปใช้ในกระบวนการที่เรียกว่า Bioremediation ซึ่งเป็นกระบวนการในการลดการปนเปื้อนใน media เช่น ในน้ำและในดินด้วยการสร้างสภาวะแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรียและลดสารปนเปื้อนด้วยการทำปฎิกิริยา ซึ่งง่ายกว่าและถูกกว่าวิธีการ Contain แบบทั่วไป

Bioremediation อาศัยปฎิกิริยา Oxidation-Reduction หรือ Redox reaction เมื่อแบคทีเรียทำหน้าที่เป็น Electron donor และสละอิเล็กตรอนให้กับ Acceptor ดังนั้นตัวแบคทีเรียจะถูก Oxidize และตัว Acceptor จะถูก Reduce ซึ่งส่วนใหญ่ Acceptor ก็คือพวก ออกซิเจน ไนเตรท แมงกานีส เหล็ก ซัลไฟด์ รวมถึงพวกสารก่อมลพิษอย่าง คลอรีน สารแผ่รังสี การทำปฎิกิริยา Redox กับสารก่อมลพิษจะทำให้สารมลพิษเหล่านี้มีความเป็นพิษน้อยลงหรือถึงขั้นหมดความเป็นพิษเลย

Bioremediation ยังสามารถนำมาประยุกต์กับการลดการปนเปื้อนของโลหะหนักอย่างเช่น Cadmium Chromium Uranium ได้อีกด้วย ด้วยคุณสมบัติในการ Oxidize แร่จำเพาะของแบคทีเรียทำให้โลหะหนักเหล่านี้มีความเป็นพิษน้อยลง เช่นการทำให้ Uranium มี oxidation state ต่ำลง

Biomining in Space

การทำ Biomining กำลังอยู่ระหว่างการทดลองในรหัสการทดลองชื่อว่า Biorock ซึ่งจุดประสงค์ของการทดลองไม่ใช่การทดลองว่าแบคทีเรียสามารถรู้ได้ถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงแต่จุดประสงค์ที่ทาง ESA บอกไว้มีดังนี้

• เพื่อทดสอบว่าแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกันออกไปเช่น Microgravity หรือ Martian gravity มีผลต่อการเจริญเติบโตและการทำปฎกิริยาของแบคทีเรียหรือไม่
• เพื่อทดสอบว่า Biofilm ที่มีแบคทีเรียอยู่มีการเปลี่ยนแปลงทางสันฐานวิทยาหรือไม่เมื่อถูกย้าย Medium จากบน Biofilm ไปเป็นบนหิน
• แรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกันออกไปทั้งแบบ Microgravity หรือ Martian gravity ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ (Gene Expression Alterations) และอัตราการกลายพันธ์หรือไม่
• Efficiency (ประสิทธิภาพ) ของการทำ Biomining ใน Martian gravity และ Microgravity

การจำลองแรงโน้มถ่วงใช้อุปกรณ์ที่ชื่อว่า KUBIK Centrifuge หรือเครื่องปั่นเหวี่ยงสำหรับจำลองแรงโน้มถ่วงให้ Bioreactor เพื่อจำลองแรงโน้มถ่วงจำเพาะอย่างเช่นแรงโน้มถ่วงบนดาวอังคาร

ซึ่งการทดลองถูก Conduct โดย European Space Agency (ESA) การทดลองนี้จุดประสงค์แท้จริงยังไม่ใช่การลองแยกแร่เหล็กออกมาจากหินแต่เป็นการทดลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างหินกับแบคทีเรียในสภาวะ Microgravity และ Martian gravity เพราะว่านสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำมีการพาความร้อน (thermal convection) ต่ำ และทำให้การคนสารใน Bioreactor มีประสิทธิภาพต่ำลงทำให้แบคทีเรียได้รับสารอาหารและออกซิเจนน้อยลง ทำให้เกิด Proliferation supression หรือการกดการเจริญเติบโต ซึ่งแน่นอนว่ากระทบกับการ Biomining แน่

สุดท้ายนี้เราก็หวังว่าจะได้เห็นการนำเทคโนโลยี Biomining มาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเหมืองแร่ในประเทศไทยและในต่างประเทศรวมถึงในอวกาศอีกด้วย เพื่อนำไปใช้ในการตั้งถื่นฐานนอกโลกในอนาคต เราหวังเป็นอย่างยื่งว่าการศึกษาด้าน Biotechnology จะได้รับการส่งเสริมและนำไปใช้ในสาขา Astrobiology ในอนาคต

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Biorock Space Station Research

CRS-18 SpaceX

Bioleaching Hydrometallurgy MA

Biomining American Geosciences Institute

Microbes Space Station Research

Biomining: metal recovery from ores with microorganisms NCBI

Bioleaching and Biomining

Biomining the elements of the future

Biomining Wikiversity

Biomining: How microbes help to mine copper

Biomining of metals: How to access and exploit natural resource sustainably

How will biomining be applied in future