Quelques généralités sur les microorganismes

Elle offre la possibilité de traiter des minerais pauvres (moins de 1 % de cuivre) et des concentrés. Elle n’exige pas le séchage des minerais comme en pyrométallurgie, utilise moins d’énergie et se réalise à des pressions et températures faibles. Les inconvénients majeurs de ce procédé sont la faible vitesse des réactions et l’obtention de solutions diluées.

Initialement, la lixiviation bactérienne était utilisée pour les minerais de cuivre secondaires qui offrent des cinétiques de lixiviation un peu plus rapides que les autres sulfures.

Aujourd’hui, elle est développée pour l’extraction d’autres métaux tels que le zinc, l’uranium, l’or et l’argent des minerais réfractaires… (Steemson et al., 1997). Cette technique de mise en solution des sulfures est même actuellement envisagée par plusieurs chercheurs (Gomez et al., 1997 ; Gomez et al., 1999 ; Deveci et al., 2003 ; Rodriguez et al., 2003 ; Pina et al., 2004 ; Tipre et Dave, 2004, Gericke et al, 2008) comme alternative pour la métallurgie des sulfures complexes qui sont difficiles à traiter par le schéma classique de la flottation différentielle suivi de la pyrométallurgie suite à la dissémination des sulfures valorisables dans la matrice de pyrite.

4.3.2. Quelques généralités sur les microorganismes

Les micro-organismes utilisés dans la biolixiviation des minerais sont constitués d’un noyau composé de deux chaînes d’ADN qui forme une boucle longue et continue. Elles peuvent avoir des formes variées comme la forme cylindrique (bacillus), la forme sphérique (cocci) et même la forme spirale (vibro ou spirochettes). Le noyau sans membrane (bactéries procariotes) est entouré d’une matière claire et visqueuse (cytoplasme) qui contient des enzymes solubles, des nutriments et des précurseurs pour la synthèse des protéines (ARN et ADN). Le cytoplasme est entouré d’un sac membraneux composé d’un complexe lipoprotéique qui forme une barrière semi-perméable qui contrôle l’entrée et la sortie des métabolites de la cellule.

Comme tout organisme, la bactérie a besoin de nutriments pour croître et accomplir ses fonctions métaboliques. Les nutriments sont des substances présentes dans le milieu qui, en passant à travers la membrane cytoplasmique, peuvent être utilisés par la cellule pour la construction du matériel cellulaire ou pour la fourniture d’énergie. Au laboratoire le milieu de

culture utilisé est constitué d’un substrat (minéral sulfuré ou Fe²⁺) sur laquelle les micro-organismes sont cultivés ou d’une solution nutritive comme le milieu 9K

44 (composition chimique : FeSO₄.7H₂O : 43,3, (NH₄)₂SO₄ : 3, MgSO₄.7H₂O : 0,5, K₂HPO₄ : 0,5, KCl : 0,1, Ca(NO₃)₂ : 0,01 avec un pH de 2) utilisé pour la culture des bactéries comme l’Acidithiobacillus ferro-oxydans.

Le fer sert dans la croissance de la bactérie comme donneur d’électron. Lorsque le Fe²⁺ est oxydé, l’électron libéré est reçu directement par la bactérie depuis la surface externe de son enveloppe et transporté à l’intérieur de la membrane où il réagit suivant la réaction 4.26 qui forme de l’eau à partir de l’oxygène et des protons H⁺.

2FeSO₄ + H₂SO₄ + ½ O₂ → Fe2 (SO₄)₃ + H₂O (4.26)

La population bactérienne en culture batch croît par division cellulaire suivant une courbe qui est caractérisée par 4 phases. La première phase appelée « phase de latence » est le temps nécessaire à une population initiale No apportée par l’inoculum de s’adapter au milieu avant de commencer la division cellulaire et sa multiplication. La durée de cette phase dépend de plusieurs facteurs : le type de microorganisme, la composition du milieu de culture, la taille de l’inoculum, les impuretés, la température, etc. La deuxième phase est la « phase exponentielle » qui est caractérisée par la multiplication de la population bactérienne. Chaque cellule se divise en deux cellules identiques, chacune de ces deux cellules produit ensuite deux nouvelles et ainsi de suite. Après un temps t_n, on dénombre N_n cellules = 2ⁿN_o. La multiplication de la population bactérienne modifie dans le temps la composition du milieu de culture (épuisement de nutriments, changement de pH, etc.) et à un certain moment la vitesse de division cellulaire diminue jusqu’ à rendre la croissance bactérienne nulle (phase stationnaire). Dans ces conditions, le milieu de culture doit être renouvelé pour éviter la mort des cellules (phase létale).

Bactéries

45 4.3.3. Caractéristiques des microorganismes utilisés dans la biolixiviation des minerais sulfurés

Les bactéries sont classées selon leur source de carbone qu’elles utilisent pour la synthèse des composés cellulaires. Les bactéries autotrophes assimilent le carbone du CO₂ de l’air et de l’ion HCO₃^- dans un milieu aqueux tandis que les bactéries hétérotrophes ont besoin du carbone des matières organiques.

Tableau 7- Classification des microorganismes

Types de

microorganismes Source d’énergie Source de

Carbone

Donneur d’électron Autotrophes Radiation lumineuse (photo-autotrophes)

Chimique (Chemo-autotrophes) CO₂ de l’air Substances minérales oxydables comme les sulfures Hétérotrophes Radiation lumineuse (photo-hétérotrophes)

Chimique (Chemo-hétérotrophes) C organique Matières organiques oxydables

En hydrométallurgie, les principales espèces bactériennes utilisées sont autotrophes à l’exception des souches travaillant à température élevée. Elles sont classées en trois catégories selon qu’elles agissent à température faible, modérée ou extrême et sont :

- les bactéries mésophiles : les plus connus pour leur activité métabolique à température faible et modérée (30°C à 35°C) sont Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus

Figure 10- Courbe de croissance bactérienne en culture batch (Wiertz, J., 1997)

46 thiooxidans, Leptospirillum ferrooxydans (thermotolerant up to 50°C) et Thiobacillus caldus ;

- les bactéries thermophiles modérés (biolixiviation de 50°C à 55°C) : Thiobacillus caldus, Sulfobacillus (tolérant jusqu’à 63°C), Sulfobacillus thermosulfidooxydans, Sulfobacillus acidophilus et Acidimicrobium ;

- les bactéries thermophiles extrêmes (60°C à 85°C) : Sulfolobus (sulfolobus metallicus, sulfolobus acidocaldarius), Acidianus brierleyi.

Les bactéries mésophiles opérant à moins de 40°C sont les plus employées pour la biolixiviation des sulfures puisque commercialement intéressant (Dew et al., 1997).

Actuellement, ce sont les bactéries thermophiles qui font l’objet de nouveaux procédés industriels développés (procédés BIOCOP^TM) puisqu’elles offrent des cinétiques de lixiviation plus rapides (Deveci et al., 2004 ; Mousavi et al., 2007).

Le pH de croissance des bactéries mésophiles naturelles isolées dans les eaux de drainage minier acide (Acidithiobacillus ferrooxydans, Acidithiobacillus thiooxidans et Leptospirillum ferrooxidans) se situe entre 2 et 2,5 et la température entre 30 et 35°C (Wiertz, 1997). Mais pour éviter la précipitation de fer ferrique sous forme de goethite FeOOH ou de jarosite, la lixiviation bactérienne est effectuée à un pH inférieure à 2 (Deveci et al., 2004; Mousavi et al., 2006).