Multi-response Optimization of Acidithiobacillus ferrooxidans Cultivation for Enhanced Biomass Growth and Soluble Ferric Iron Production
इस अध्ययन में *Acidithiobacillus ferrooxidans* के संवर्धन को अनुकूलित करने के लिए रिस्पॉन्स सरफेस मेथोडोलॉजी का उपयोग किया गया, जिसमें इनोक्युलम घनत्व और फेरस सल्फेट सांद्रता को प्रमुख कारकों के रूप में पहचाना गया और यह निर्धारित किया गया कि 1.8 का pH, 10% इनोक्युलम और 45 g/L FeSO₄ उन्नत बायोलीचिंग अनुप्रयोगों के लिए बायोमास वृद्धि और घुलनशील फेरिक आयरन उत्पादन को अधिकतम करते हैं।
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पृथ्वी के अम्लीय, खनिज-युक्त जल की गहराइयों में, एक छोटा लेकिन शक्तिशाली जीवाणु पनपता है जहाँ अधिकांश जीवन तुरंत नष्ट हो जाएगा। यह सूक्ष्मजीव, जिसे एसिडिथियोबैसिलस फेरोऑक्सिडन्स (Acidithiobacillus ferrooxidans) के रूप में जाना जाता है, 'बायोलीचिंग' नामक एक प्रक्रिया में विशेषज्ञ है, जहाँ चट्टानों और अयस्कों से मूल्यवान धातुओं को निकालने के लिए जीवित जीवों का उपयोग किया जाता है। चट्टान को तोड़ने के लिए भारी मात्रा में ऊष्मा या कठोर रसायनों का उपयोग करने के बजाय, यह जीवाणु एक जैविक इंजन के रूप में कार्य करता है। यह लोहे पर जीवित रहता है, विशेष रूप से 'फेरस आयरन' (ferrous iron) नामक एक रूप पर, और ऐसा करते हुए यह इसे 'फेरिक आयरन' (ferric iron) नामक एक अलग रूप में परिवर्तित कर देता है। यह परिवर्तन पूरी प्रक्रिया की कुंजी है; नया निर्मित फेरिक आयरन एक शक्तिशाली रासायनिक एजेंट है जो आसपास की चट्टान में मौजूद धातु सल्फाइड पर हमला करता है, जिससे वे घुल जाते हैं ताकि तांबे या सोने जैसी मूल्यवान धातुओं को एकत्र किया जा सके। क्योंकि यह विधि पारंपरिक खनन की तुलना में अधिक स्वच्छ और अक्सर सस्ती होती है, इसलिए वैज्ञानिक लंबे समय से इन जीवाणु संस्कृतियों को तेजी से विकसित करने और इस आवश्यक फेरिक आयरन का अधिक उत्पादन करने के तरीके खोजते रहे हैं। हालाँकि, उनके विकास के लिए सटीक नुस्खा खोजना एक चुनौती रहा है, क्योंकि जीवाणु अपने वातावरण के प्रति संवेदनशील होते हैं, और वे स्थितियाँ जो उन्हें संख्या में बढ़ाने में मदद करती हैं, हमेशा उनके रासायनिक उत्पादन को अधिकतम करने वाली स्थितियों के समान नहीं होती हैं।
एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इन जीवाणुओं के संवर्धन (cultivation) को एक जटिल खाना पकाने की समस्या की तरह मानकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, लेकिन इसमें साधारण परीक्षण और त्रुटि (trial and error) से कहीं अधिक वैज्ञानिक सटीकता थी। उन्होंने तीन मुख्य घटकों पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें उस तरल ब्रथ (broth) में समायोजित किया जा सकता था जिसमें जीवाणु रहते हैं: पानी का अम्लीय स्तर (acidity), भोजन (फेरस सल्फेट) की मात्रा, और शुरू में डाले गए जीवाणुओं की संख्या, जिसे 'इनोकुलम डेंसिटी' (inoculum density) कहा जाता है। केवल एक कारक को एक समय में बदलने के बजाय, जो यह समझने में विफल हो सकता है कि ये तत्व एक साथ कैसे काम करते हैं, टीम ने कई संयोजनों का एक साथ परीक्षण करने के लिए एक परिष्कृत सांख्यिकीय दृष्टिकोण का उपयोग किया। वे एक ऐसी विशिष्ट स्थितियों का समूह खोजना चाहते थे जो जीवाणुओं को एक बड़ी, स्वस्थ आबादी में बढ़ने दें और साथ ही खनन के लिए आवश्यक घुलनशील फेरिक आयरन की उच्च सांद्रता भी उत्पन्न करें, और वह भी बिना लोहे के घोल से ठोस कीचड़ के रूप में बाहर निकले।
शोधकर्ताओं ने पाया कि सफलता के सबसे शक्तिशाली चालक भोजन की मात्रा और शुरुआती जीवाणुओं की संख्या थे। जबकि अम्लता का स्तर मायने रखता था, लेकिन परीक्षण किए गए विशिष्ट दायरे के भीतर इसने छोटी भूमिका निभाई। सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक शुरुआती जनसंख्या आकार का अत्यधिक महत्व था। लंबे समय तक, वैज्ञानिक यह मानकर चलते रहे कि शुरुआत में जोड़े गए जीवाणुओं की संख्या एक मामूली विवरण है, जिसे अक्सर कम स्तर पर स्थिर रखा जाता है। इस अध्ययन ने उस धारणा को गलत साबित कर दिया। शुरुआत में बहुत बड़ी संख्या में जीवाणु डालकर, टीम ने देखा कि उनके कल्चर के बढ़ने की गति और लोहे के रूपांतरण की दक्षता में नाटकीय सुधार हुआ। यह स्पष्ट हुआ कि एक सघन शुरुआती भीड़ जीवाणुओं को तेजी से स्थापित होने में मदद करती है और उन्हें अपने वातावरण के रासायनिक तनावों को बेहतर ढंग से संभालने में सक्षम बनाती है, जिससे एक अधिक मजबूत और उत्पादक कल्चर बनता है।
जब टीम ने सर्वोत्तम ऑपरेटिंग पॉइंट खोजने के लिए अपने सभी डेटा को संयोजित किया, तो उन्होंने उन विशिष्ट स्थितियों की पहचान की जो मिलकर सबसे अच्छा काम करती थीं। उन्होंने पाया कि 1.8 के pH स्तर वाले घोल में जीवाणुओं को उगाना, फेरस सल्फेट की 45 ग्राम प्रति लीटर की उच्च सांद्रता का उपयोग करना, और पहले से विकसित जीवाणुओं के 10 प्रतिशत आयतन के साथ शुरू करना सबसे अच्छे परिणाम देता है। इन स्थितियों के तहत, जीवाणुओं ने 0.05 होकर प्रति घंटा (0.053 per hour) की विशिष्ट वृद्धि दर प्राप्त की और लगभग 8.5 ग्राम प्रति लीटर की घुलनशील फेरिक आयरन सांद्रता बनाए रखी। इस संयोजन ने लोहे को तरल में घुला रहने दिया, न कि एक ठोस खनिज के रूप में अवक्षेपित (precipitate) होने दिया, जो औद्योगिक प्रक्रियाओं में एक आम समस्या है जो दक्षता को कम करती है। अध्ययन बताता है कि इन तीन कारकों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, विशेष रूप से शुरुआती जीवाणुओं की संख्या में कमी न लाकर, बायोलीचिंग संचालन के लिए एक अत्यधिक कुशल प्रणाली बनाना संभव है।
शोध ने यह भी रेखांकित किया कि इन कारकों के बीच संबंध हमेशा सीधा नहीं होता है। उदाहरण के लिए, अधिक भोजन जोड़ने का प्रभाव इस बात पर निर्भर करता था कि वहां पहले से कितने जीवाणु मौजूद थे; जीवाणुओं का एक बड़ा समूह भोजन की उच्च आपूर्ति का बेहतर उपयोग कर सकता है जैसा कि एक छोटे समूह द्वारा किया जा सकता है। इसी तरह, हालांकि जीवाणु परीक्षण किए गए अम्लता स्तरों में अच्छी तरह से बढ़े, लेकिन उनके द्वारा उत्पादित लोहे की रासायनिक स्थिरता उस सीमा के निचले स्तर पर सबसे सुरक्षित थी। अध्ययन ने यह दावा नहीं किया कि इसने संभव चीजों की पूर्ण सीमा खोज ली है, क्योंकि इष्टतम स्थितियाँ उनके द्वारा परीक्षण किए गए विशिष्ट दायरे के ठीक बाहर भी हो सकती हैं, लेकिन इसने परीक्षण किए गए विंडो के भीतर सर्वोत्तम प्रदर्शन के लिए एक स्पष्ट, सांख्यिकीय रूप से समर्थित मानचित्र प्रदान किया। इनोकुलम डेंसिटी को नियंत्रण के एक प्रमुख, अक्सर अनदेखे लीवर के रूप में प्रदर्शित करके, यह कार्य बायोलीचिंग संचालन की दक्षता में सुधार करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जिससे अपशिष्ट और निम्न-श्रेणी के अयस्कों से धातुओं की प्राप्ति को अधिक टिकाऊ और प्रभावी बनाया जा सकता है।
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