Khai thác đồng là ngành kinh doanh khổng lồ trên khắp thế giới. Nhưng kim loại thô khai thác từ mỏ chưa thể sử dụng ngay trong thương mại mà phải trải qua một quá trình tổng hợp độc hại.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại vi khuẩn có thể hoàn thành quá trình này mà không gây độc hại.
Phát hiện trong mỏ ở Brazil
Mỏ đồng Kennecott ở Alaska, Mỹ.
Một nghiên cứu nhằm tìm hiểu cách vi khuẩn được tìm thấy trong các mỏ đồng chuyển đổi các ion đồng độc hại thành đồng đơn nguyên tử ổn định đã được tiến hành. Đây là công trình của Giáo sư Debora Rodrigues phối hợp với Giáo sư Francisco C. Robles Hermandez của ĐH Houston và Giáo sư Ellen Aquino Perpetuo tại ĐH Sao Paulo, Brazil.
Trong bài báo đồng tác giả mang tên “Vi khuẩn tạo đồng: Chuyển ion đồng độc hại thành đồng nguyên tử ổn định”, nghiên cứu trên chứng minh cách vi khuẩn kháng đồng trong một mỏ đồng ở Brazil đã chuyển đổi các ion CuSO4 (đồng sunfat) thành Cu hóa trị 0 (đồng kim loại).
Để tìm hiểu, các nhà khoa học đã cho vi khuẩn tiếp xúc với môi trường là đồng sunfat trong 48 giờ. Họ thấy rằng, đồng sunfat với màu xanh lá cây đặc trưng đã chuyển thành màu hổ phách của các nguyên tử đồng.
Sau đó, họ nghiên cứu 13.000 nguyên tử đồng dưới kính hiển vi điện tử đặc biệt và thấy rằng kích thước của các nguyên tử đồng thu được này đúng theo kỳ vọng lý thuyết.
“Ý tưởng có vi khuẩn trong mỏ không phải là mới, nhưng câu hỏi chưa được trả lời là: Chúng làm gì trong đó?” – Giáo sư Robles nói – “Bằng cách đưa vi khuẩn vào kính hiển vi điện tử, chúng tôi có thể tìm ra cơ chế vật lý và phân tích nó.
Chúng tôi thấy vi khuẩn đang phân lập đồng nguyên tử đơn lẻ. Theo con đường hóa học, người ta phải dùng đến các hóa chất độc hại để tạo ra những nguyên tử đơn lẻ của bất kỳ nguyên tố nào. Trong khi đó vi khuẩn này làm điều này một cách tự nhiên rất ấn tượng”.
Đồng rất hữu ích, nhưng quá trình khai thác kim loại này thường dẫn đến sự phơi nhiễm độc hại và thách thức trong việc tạo ra khối lượng đáng kể để sử dụng trong thương mại.
Theo Hiệp hội Phát triển Đồng, ước tính có khoảng 1 tỷ tấn đồng trong trữ lượng toàn cầu, với khoảng 12,5 triệu tấn được khai thác mỗi năm. Con số này cho thấy, chúng ta còn khoảng 65 năm dự trữ còn lại. Một phần thách thức nguồn cung đến từ việc lượng đồng có độ tập trung cao khá hạn chế trong vỏ Trái đất.
Bên cạnh đó là việc tiếp xúc với sulfur dioxide và nitrogen dioxide độc hại trong quá trình sản xuất và nấu chảy đồng để cô đặc kim loại này thành một lượng hữu ích.
Đồng là một kim loại phổ biến được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.
Thân thiện với môi trường
“Đặc điểm mới của khám phá này là các vi sinh vật trong môi trường có thể dễ dàng biến đổi đồng sunfat thành đồng nguyên tử đơn hóa trị 0. Đây là một bước đột phá mới vì quy trình tổng hợp đồng đơn nguyên tử hóa trị 0 thường không sạch, tốn thời gian và công sức” – Giáo sư Rodrigues nói.
“Các vi khuẩn sử dụng một con đường sinh học độc đáo với một loạt các protein để có thể chiết xuất đồng (Cu 2+) và chuyển nó thành đồng nguyên tử không hóa trị (Cu 0). Mục đích của vi khuẩn là tạo ra một môi trường ít độc hại hơn cho chúng bằng cách chuyển đổi đồng ion thành đồng đơn nguyên tử, nhưng đồng thời chúng cũng tạo ra thứ gì đó có lợi cho chúng ta” – Giáo sư Rodrigues nói thêm.
Tập trung vào kính hiển vi điện tử, ông Robles đã kiểm tra các mẫu từ những phát hiện của bà Rodrigues trong các mỏ đồng ở Brazil và ông đã xác định bản chất đơn nguyên tử của đồng. Các nhóm của Giáo sư Rodrigues và Giáo sư Aquino đã xác định thêm quá trình vi khuẩn chuyển đổi đồng sunfat thành đồng nguyên tố.
Kết quả của nghiên cứu chứng minh quy trình chuyển đổi mới này là một giải pháp thay thế để tạo ra các nguyên tử đơn lẻ của đồng kim loại an toàn và hiệu quả hơn so với phương pháp hiện tại.
Trong tương lai, những vi khuẩn này có thể đóng một vai trò thân thiện với môi trường trong việc “xử lý sinh học các khu vực bị ô nhiễm kim loại nặng” và thậm chí có thể sử dụng để tổng hợp các vật liệu khác.
“Chúng tôi mới chỉ làm việc với một loại vi khuẩn, nhưng đây có thể không phải là loại vi khuẩn duy nhất có chức năng tương tự” - bà Rodrigues kết luận – “Bước tiếp theo cho nghiên cứu cụ thể này là thu hoạch đồng từ quá trình này và sử dụng nó vào các ứng dụng thực tế”.
“Rất có thể những con vi khuẩn này cũng hoạt động trên các kim loại khác, bao gồm cả đất hiếm. Không có gì lạ khi các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa linh hoạt và có thể chuyển đổi nhiều hơn một kim loại. Tuy nhiên, hiện chúng tôi vẫn chưa tìm hiểu điều này” – bà nói thêm.