Van vergif naar potentieel: bacteriën ontsluiten verborgen metalen in toxisch mijnafval
Stortplaatsen met verlaten mijnresidu’s in Europa zijn tegelijk gevaarlijk én waardevol. Mijn masteronderzoek toont aan hoe bacteriën, ondersteund door slimme statistische methoden, essentiële metalen zoals zink en mangaan kunnen terugwinnen uit dit giftige afval.
Statistische optimalisatie maakt het mogelijk om de ideale omstandigheden te bepalen om mijnafval te behandelen en zo snellere, goedkopere en milieuvriendelijkere processen te ontwerpen.
Deze aanpak vermindert niet alleen de vervuiling, maar versterkt ook Europa’s toegang tot essentiële grondstoffen voor de groene transitie.
Waarom dit belangrijk is
Verlaten mijnen zoals São Domingos in Portugal hebben meer dan 25 miljoen m³ afval achtergelaten, dat is 10 keer zoveel als de Grote Piramide van Gizeh*. Regenwater verandert dit afval in zuur mijnafvoerwater, dat rivieren en bodems vervuilt met arseen, lood en andere schadelijke elementen.
* De Grote Piramide van Gizeh heeft een volume van ongeveer 2,5 miljoen m³.
Tegelijkertijd importeert Europa grote hoeveelheden metalen zoals mangaan, zink en kobalt; essentieel voor batterijen, windturbines en zonnepanelen. Afhankelijkheid van instabiele leveranciers, zoals de Democratische Republiek Congo voor kobalt, vormt geopolitieke risico’s.
Wat als we dit giftige afval konden omvormen tot een binnenlandse bron van kritieke metalen — terwijl we tegelijk de vervuiling opruimen en de druk op natuurlijke hulpbronnen in het Globale Zuiden verlichten?
Bacteriën als metaalmijnwerkers
In mijn masterproef onderzocht ik bioleaching: het gebruik van gespecialiseerde bacteriën om mineralen in mijnafval “op te eten” en metalen vrij te maken in oplossing, waar ze verzameld kunnen worden.
Ik werkte met drie bacteriesoorten en optimaliseerde hun leefomstandigheden (zuurtegraad/pH, hoeveelheid afval en ijzerconcentratie).
Om eindeloos vallen en opstaan te vermijden, paste ik Response Surface Methodology (RSM) toe, een statistisch optimalisatie-instrument. Hierdoor kon ik de meest effectieve omstandigheden bepalen met minder experimenten, wat tijd en middelen bespaart.
“In plaats van te gokken, kunnen we voorspellen wat de beste combinatie van fysisch-chemische parameters is zodat bacteriën waardevolle metalen uit afval recupereren.”
Wat is nieuw aan mijn aanpak?
Bio-uitloging is niet nieuw, maar wordt vaak gezien als inefficiënt en te complex. Mijn onderzoek wil dat beeld veranderen en aantonen dat de combinatie van microbiologie en statistiek kan leiden tot operationele modellen die exact aangeven onder welke omstandigheden de terugwinning het hoogst is.
Veel studies gebruiken de one-factor-at-a-time (OFAT) methode: honderden experimenten om de ideale condities te vinden. OFAT toont wel hoe elk parameter de metaalterugwinning beïnvloedt, maar maakt het proces duurder en tijdrovender.
Ik testte een statistische methode die, zonder alle mogelijke combinaties te testen, voorspelt wat de beste combinatie zou zijn. Dit vermindert risico’s en maakt bio-uitloging aantrekkelijker voor commercieel gebruik, van start-ups in stedelijke mijnbouw tot grootschalige industriële toepassingen.
Deze precisie minimaliseert het gebruik van reagentia, maximaliseert de metaalopbrengst en neemt de gok weg, waardoor investeringen minder risicovol worden en het rendement groter.
De methode biedt een krachtige en efficiënte manier om complexe interacties tussen meerdere variabelen tegelijk te verkennen, sleutelfactoren te identificeren en procesparameters te optimaliseren om maximale resultaten te behalen.
Wat de resultaten toonden
Met slakkenafval uit São Domingos presteerden de bacteriën opmerkelijk goed: tot 87% zink, 81% mangaan, 65% koper en 66% kobalt werd teruggewonnen onder geoptimaliseerde omstandigheden.
Het “recept” voor de beste resultaten?
- Lage pH - 1,9
- Matig hoge ijzerconcentratie - 60 mM
- Lage hoeveelheid afval per batch - 2,3% w/v
Bij pyrietafval kon 22,6% mangaan, 13,29% aluminium en 16,4% antimoon worden teruggewonnen. Deze lage waarden tonen aan dat sommige afvalsoorten meer verfijning nodig hebben voor praktische toepassing.
Slakkenafval bevatte aanzienlijk meer ijzer dan vermalen pyriet en pyrietassen, wat waarschijnlijk positief bijdroeg aan de reacties die metalen oplosbaar maken.
“Eenvoudig gezegd: bacteriën kunnen delen van giftige mijnstorten omzetten in schatkisten vol kritieke metalen.”
Wat zijn de voordelen van dit onderzoek?
Milieu: vermindert vast afval en voorkomt de vorming van zuur mijnafvoerwater op mijnsites.
Grondstoffen: levert Europa binnenlandse metalen voor batterijen en hernieuwbare energie. Het proces sluit aan bij de Europese Green Deal en de Critical Raw Materials Act, die de circulaire economie en grondstoffenveiligheid benadrukken.
Economie: verandert afvalbeheer van een kost in een bron van inkomsten. Ook de kosten voor afvalverwerking dalen.
Investeringen: trekt groene financiering aan door emissies te verlagen en efficiëntie te verbeteren.
Grenzen en volgende stappen
Een eerlijk verhaal bevat ook uitdagingen. Niet alle afvalsoorten reageren even goed op bio-uitloging. Pyrietresten leverden bijvoorbeeld slechts kleine hoeveelheden metalen op, wat aantoont dat sommige afvalstromen nog meer onderzoek vragen vooraleer ze praktische bronnen kunnen worden.
Het proces verbruikt bovendien chemicaliën, waardoor gedetailleerde economische en ecologische evaluaties essentieel zijn om echte duurzaamheid te garanderen.
Nauwe samenwerking tussen onderzoekers, industrie en beleidsmakers zal cruciaal zijn om dit van prototypes naar grootschalige toepassingen te brengen.
Slot
Met de juiste bacteriën en de juiste omstandigheden kunnen Europa’s giftige mijnstorten een strategische hulpbron worden. Mijn onderzoek toont dat dit meer is dan recycleren; het is een kans om ecologische littekens om te vormen tot motoren van een duurzame toekomst.
De São Domingos-mijn is niet langer enkel een symbool van uitbuiting en verlatenheid, maar een proeftuin voor innovatie. Als bacteriën Europa kunnen helpen giftig afval om te zetten in waarde, dan kan de vervuiling van gisteren de oplossing van morgen worden.
Het is een vreemde ironie: de kleinste organismen op aarde zouden wel eens de grootste industriële problemen kunnen oplossen.
Maria Victoria Pereira da Luz - Master in Sustainable and Innovative Natural Resource Management (SINReM) (UGent)
Bibliografie
Ahmadi, S., Vafaie Sefti, M., Shadman, M. M., Azimi Dijvejin, Z., & Hosseini, H. (2017). The optimization of Cu and Fe bioleaching from converter slag using Acidithiobacillus ferrooxidans. Journal of Advances in Environmental Health Research, 5(3), 154–162.
Albardeiro, L., Morais, I., Matos, J. X., Solá, R., Salgueiro, R., Pereira, Z., ... & Araújo, V. (2023). Time-space evolution of Iberian Pyrite Belt igneous activity: Volcanic and plutonic lineaments, geochronology, ore horizons and stratigraphic constraints. Gondwana Research, 121, 235–258.
Alin, A. (2010). Minitab. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 2(6), 723–727.
Álvarez-Valero, A. M., Pérez-López, R., Matos, J., Capitán, M. A., Nieto, J. M., Sáez, R., ... & Caraballo, M. (2008). Potential environmental impact at São Domingos mining district (Iberian Pyrite Belt, SW Iberian Peninsula): evidence from a chemical and mineralogical characterization. Environmental Geology, 55, 1797–1809.
Alves Dias, P., Blagoeva, D., Pavel, C., & Arvanitidis, N. (2018). Cobalt: demand-supply balances in the transition to electric mobility. Publications Office of the European Union, 10, 97710.
Chen, L., Ren, Y., Lin, J., Liu, X., Pang, X., & Lin, J. (2012). Acidithiobacillus caldus sulfur oxidation model based on transcriptome analysis between the wild type and sulfur oxygenase reductase-deficient mutant. PLOS ONE, 7(9): e39470. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0039470
Deng, S., Perez-Cardona, J., Huang, A., Yih, Y., Thompson, V. S., Reed, D. W., Jin, H., & Sutherland, J. W. (2020). Applying the design of experiments to evaluate the economic feasibility of rare-earth element recovery. Procedia CIRP, 90, 165–170.
De Windt, L., Chaurand, P., & Rose, J. (2011). Kinetics of steel slag leaching: batch tests and modeling. Waste Management, 31(2), 225–235.
European Commission. (2020). Circular economy action plan: For a cleaner and more competitive Europe. Retrieved July 2025, from Publications Office of the European Union. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0098
European Commission. (2023). Study on the Critical Raw Materials for the EU 2023. Publications Office of the European Union. https://ec.europa.eu/newsroom/cipr/items/787007/en
European Commission. (2025). Assessment of critical raw materials for strategic technologies and sectors in the EU: 2025 update. Retrieved July 2025, from Publications Office of the European Union. https://webgate.ec.europa.eu/circabc-ewpp/d/d/workspace/SpacesStore/41471143-52cd-429f-9c76-c6359286d3aa/download
Falke, A., & Höck, M. (2019). Ex-ante life cycle assessment of bioleaching in indium recovery from LCD-waste. MRS Advances, 4(35), 1949–1955.
Ferreira, S. C., Bruns, R. E., Ferreira, H. S., Matos, G. D., David, J. M., Brandão, G. C., ... & Dos Santos, W. N. L. (2007). Box-Behnken design: An alternative for the optimization of analytical methods. Analytica Chimica Acta, 597(2), 179–186.
Gaspar, O. (1998). História da Mineração dos Depósitos de Sulfuretos Maciços Vulcanogénicos da Faixa Piritosa Portuguesa. Boletim de Minas, 35(4).
GeoHack Toolforge. (n.d.). São Domingos Mine. Retrieved July 2025, from https://geohack.toolforge.org/geohack.php?pagename=S%C3%A3o_Domingos_Mine¶ms=37_40_08_N_007_29_38_W_region:PT_type:landmark
Ghelich, R., Jahannama, M. R., Abdizadeh, H., Torknik, F. S., & Vaezi, M. R. (2019). Central composite design (CCD)-Response surface methodology (RSM) of effective electrospinning parameters on PVP-B-Hf hybrid nanofibrous composites for synthesis of HfB2-based composite nanofibers. Composites Part B: Engineering, 166, 527–541.
Goonan, T. G. (2012). Materials flow of Indium in the United States in 2008 and 2009 (No. 1377, pp. i–12). U.S. Geological Survey.
Hallberg, K. B., & Lindström, E. B. (1994). Characterization of Thiobacillus caldus sp. nov., a moderately thermophilic acidophile. Microbiology, 140(12), 3451–3456.
Hong, M., Wang, X., Wu, L., Fang, C., Huang, X., Liao, R., ... & Wang, J. (2019). Intermediates transformation of bornite bioleaching by Leptospirillum ferriphilum and Acidithiobacillus caldus. Minerals, 9(3), 159.
Igbani, S., Appah, D., & Ogoni, H. A. (2020). The application of response surface methodology in Minitab 16, to identify the optimal, comfort, and adverse zones of compressive strength responses in ferrous oilwell cement sheath systems. International Journal of Engineering and Modern Technology, 6, 20–39.
Ilin, M., & Bohlen, J. (2025). Six Sigma method. In StatPearls. StatPearls Publishing. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36943984
Jankovic, A., Chaudhary, G., & Goia, F. (2021). Designing the design of experiments (DOE)–An investigation on the influence of different factorial designs on the characterization of complex systems. Energy and Buildings, 250, 111298.
Johnson, D. B. (2006). Biohydrometallurgy and the environment: intimate and important interplay. Hydrometallurgy, 83(1–4), 153–166.
Jones, S., & Santini, J. M. (2023). Mechanisms of bioleaching: iron and sulfur oxidation by acidophilic microorganisms. Essays in Biochemistry, 67(4), 685–699.
Kinnunen, P., & Hedrich, S. (2023). Biotechnological strategies to recover value from waste. Hydrometallurgy, 222, 106182.
Komnitsas, K. A. (2019). Editorial for Special Issue “Recent Advances in Hydro-and Biohydrometallurgy”. Minerals, 9(7), 424.
LaPanse, A. J., Krishnan, A., & Posewitz, M. C. (2021). Adaptive Laboratory Evolution for algal strain improvement: Methodologies and applications. Algal Research, 53, 102122.
Leistel, J. M., Marcoux, E., Thiéblemont, D., Quesada, C., Sánchez, A., Almodóvar, G. R., ... & Saez, R. J. M. D. (1997). The volcanic-hosted massive sulphide deposits of the Iberian Pyrite Belt: Review and preface to the Thematic Issue. Mineralium Deposita, 33, 2–30.
Li, Q., Zhu, J., Li, S., Zhang, R., Xiao, T., & Sand, W. (2020). Interactions between cells of Sulfobacillus thermosulfidooxidans and Leptospirillum ferriphilum during pyrite bioleaching. Frontiers in Microbiology, 11, 44.
Lujan-Moreno, G. A., Howard, P. R., Rojas, O. G., & Montgomery, D. C. (2018). Design of experiments and response surface methodology to tune machine learning hyperparameters, with a random forest case study. Expert Systems with Applications, 109, 195–205.
Matos, J. X., Pereira, Z., Rosa, C. J., Rosa, D., Oliveira, J. T., & Relvas, J. M. (2011). Late Strunian age: a key time frame for VMS deposit exploration in the Iberian Pyrite Belt. In 11th SGA Biennial Meeting: Let's Talk Ore Deposits.
Matos, J. X., Pereira, Z., Batista, M. J., & de Oliveira, D. P. S. (2012). Sao Domingos mining site-Iberian Pyrite Belt. In 9th International Symposium on Environmental Geochemistry, Field Guidebook.
Mirazimi, S. M. J., & Rashchi, F. (2011, November). Optimization of bioleaching of a vanadium-containing slag using RSM. In Proceedings of the 7th International Chemical Engineering Congress & Exhibition, Kish, Iran (pp. 21–24).
Mishra, D., Kim, D. J., Ralph, D. E., Ahn, J. G., & Rhee, Y. H. (2008). Bioleaching of spent hydro-processing catalyst using acidophilic bacteria and its kinetics aspect. Journal of Hazardous Materials, 152(3), 1082–1091.
Mokarian, P., Bakhshayeshi, I., Taghikhah, F., Boroumand, Y., Erfani, E., & Razmjou, A. (2022). The advanced design of bioleaching process for metal recovery: A machine learning approach. Separation and Purification Technology, 291, 120919.
Narukulla, S., Bogadi, S., Tallapaneni, V., Sanapalli, B. K. R., Sanju, S., Khan, A. A., ... & Papadakis, M. (2024). Comparative study between the Full Factorial, Box–Behnken, and Central Composite Designs in the optimization of metronidazole immediate release tablet. Microchemical Journal, 207, 111875.
Naseri, T., Pourhossein, F., Mousavi, S. M., Kaksonen, A. H., & Kuchta, K. (2022). Manganese bioleaching: an emerging approach for manganese recovery from spent batteries. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 21(2), 447–468.
Naseri, T., Beiki, V., Mousavi, S. M., & Farnaud, S. (2023). A comprehensive review of bioleaching optimization by statistical approaches: recycling mechanisms, factors affecting, challenges, and sustainability. RSC Advances, 13(34), 23570–23589.
Norgate, T. E., Jahanshahi, S., & Rankin, W. J. (2007). Assessing the environmental impact of metal production processes. Journal of Cleaner Production, 15(8–9), 838–848.
Panda, S., Akcil, A., Mishra, S., & Erust, C. (2017). Synergistic effect of biogenic Fe3+ coupled to S° oxidation on simultaneous bioleaching of Cu, Co, Zn and As from hazardous Pyrite Ash Waste. Journal of Hazardous Materials, 325, 59–70.
Perederiy, I., & Papangelakis, V. G. (2017). Why amorphous FeO-SiO2 slags do not acid-leach at high temperatures. Journal of Hazardous Materials, 321, 737–744.
Pérez-López, R., Álvarez-Valero, A. M., Nieto, J. M., Sáez, R., & Matos, J. X. (2008). Use of sequential extraction procedure for assessing the environmental impact at regional scale of the São Domingos Mine (Iberian Pyrite Belt). Applied Geochemistry, 23(12), 3452–3463.
Qu, X., & Wu, C. J. (2005). One-factor-at-a-time designs of resolution V. Journal of Statistical Planning and Inference, 131(2), 407–416.
Rao, J. S., & Kumar, B. (2012). 3D Blade root shape optimization. In 10th International conference on vibrations in rotating machinery (pp. 173–188). Elsevier.
Rastegar, S. O., Mousavi, S. M., Rezaei, M., & Shojaosadati, S. A. (2014). Statistical evaluation and optimization of effective parameters in bioleaching of metals from molybdenite concentrate using Acidianus brierleyi. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20(5), 3096–3101.
Rawlings, D. E. (2005). Characteristics and adaptability of iron- and sulfur-oxidizing microorganisms used for the recovery of metals from minerals and their concentrates. Microbial Cell Factories, 4(1), 13.
Reed, D. W., Fujita, Y., Daubaras, D. L., Jiao, Y., & Thompson, V. S. (2016). Bioleaching of rare earth elements from waste phosphors and cracking catalysts. Hydrometallurgy, 166, 34–40.
Rodrı́guez, Y., Ballester, A., Blázquez, M. L., Gonzalez, F., & Muñoz, J. A. (2003). New information on the sphalerite bioleaching mechanism at low and high temperatures. Hydrometallurgy, 71(1–2), 57–66.
Sand, W., Rohde, K., Sobotke, B., & Zenneck, C. (1992). Evaluation of Leptospirillum ferrooxidans for leaching. Applied and Environmental Microbiology, 58(1), 85–92.
Schippers, A., & Sand, W. (1999). Bacterial leaching of metal sulfides proceeds by two indirect mechanisms: via thiosulfate or via polysulfides and sulfur. Applied and Environmental Microbiology, 65(1), 319–321.
Schippers, A., Hedrich, S., Vasters, J., Drobe, M., Sand, W., & Willscher, S. (2013). Biomining: metal recovery from ores with microorganisms. Geobiotechnology I: Metal-related Issues, 1–47.
Singh, S. P., & Schwan, A. L. (2011). Sulfur metabolism in plants and related biotechnologies. In M. Moo-Young (Ed.), Comprehensive Biotechnology (2nd ed., pp. 257–271). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-088504-9.00268-3
Spooren, J., Binnemans, K., Björkmalm, J., Breemersch, K., Dams, Y., Folens, K., ... & Kinnunen, P. (2020). Near-zero-waste processing of low-grade, complex primary ores and secondary raw materials in Europe: technology development trends. Resources, Conservation and Recycling, 160, 104919.
Tornos, F. (2006). Environment of formation and styles of volcanogenic massive sulfides: the Iberian Pyrite Belt. Ore Geology Reviews, 28, 259–307. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2004.12.005
Tranvik, E., Becker, M., Pålsson, B. I., Franzidis, J. P., & Bradshaw, D. (2017). Towards cleaner production–Using flotation to recover monazite from a heavy mineral sands zircon waste stream. Minerals Engineering, 101, 30–39.
United Nations Environment Programme (UNEP). (2024). Global Waste Management Outlook 2024: Beyond an age of waste – Turning rubbish into a resource. Nairobi: United Nations Environment Programme.
Vardanyan, N. S., & Akopyan, V. P. (2003). Leptospirillum-like bacteria and evaluation of their role in pyrite oxidation. Microbiology, 72, 438–442.
Vaughan, D. J., & Lennie, A. R. (1991). The iron sulphide minerals: their chemistry and role in nature. Science Progress (1933-), 371–388.
Vera, M., Schippers, A., & Sand, W. (2013a). Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation-part A. Applied Microbiology and Biotechnology, 97(17), 7529–7541. https://doi.org/10.1007/s00253-013-4954-2
Vera, M., Schippers, A., Hedrich, S., & Sand, W. (2022). Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of microbial metal sulfide oxidation–part A. Applied Microbiology and Biotechnology, 106(21), 6933–6952.
Wierzbicka-Wieczorek, M., Lottermoser, B. G., Kiefer, S., Sindern, S., Gronen, L., & Hensler, A. S. (2019). Indium distribution in metalliferous mine wastes of the Iberian Pyrite Belt, Spain–Portugal. Environmental Earth Sciences, 78, 1–14.
XTRACT Project. (2023). Pilot 3: São Domingos – Portugal. Retrieved July 2025, from https://xtract-project.eu/pilot-3-sao-domingos-portugal/
Xu, T. J., & Ting, Y. P. (2004). Optimisation on bioleaching of incinerator fly ash by Aspergillus niger–use of central composite design. Enzyme and Microbial Technology, 35(5), 444–454.
Yang, L., Tang, Y., Cao, D., Yang, M., He, Y., & Lu, C. (2022). Microscopic properties and neutralization mechanism of steel slag in acid mine drainage (AMD) remediation process.
Yu, J. Y., McGenity, T. J., & Coleman, M. L. (2001). Solution chemistry during the lag phase and exponential phase of pyrite oxidation by Thiobacillus ferrooxidans. Chemical Geology, 175(3–4), 307–317.
