به­ طور کلی در روش­های پیرومتالورژی مقادیر زیادی گازهای گوگردی آلاینده محیط زیست تولید می­ شود و لذا از دیدگاه زیست محیطی چندان مطلوب نمی ­باشد. همچنین، این روش نیازمند سرمایه گذاری و تجهیزات بسیار پیشرفته­ای می­باشد. محصول نهایی فلز ناخالص حفره داری می­باشد که بایستی در کوره­های الکتریکی و یا گرمایی پالایش گردد.
روش هیدرومتالورژی:
این روش در مورد معادن کم­عیار^[۹] به­کار می­رود، که در مرحله اول محلول فروشویه را که ممکن است، اسید، باز، نمک و یا میکروارگانیسم­ها باشد فلز موجود در سنگ معدن را به صورت محلول در آورده و از سنگ معدن جدا می­ کند که در ادامه کار با بهره گرفتن از روش­های مختلفی نظیر رسوب دهی^[۱۰] و یا الکترولیز^[۱۱] فلز حل شده را جدا می­ کنند (Escobar, 2010)، استخراج فلزات به روش هیدرومتالورژی شامل دو مرحله است:

1. 1. حل کردن کانی­های معدنی به کمک حلال مناسب به نحوی که در این فرایند قسمت بیشتر فلز موردنظر به صورت محلول و یا رسوب درآمده و از باطله خود جدا می­ شود.

1. 1. جداسازی مجدد فلز حل یا ته­نشین شده با بهره گرفتن از روش­هایی مانند استفاده از حلال­های آلی، رسوب دهی جانشینی و الکترولیز.

مشکلات ناشی از روش­های رایج استخراج فلزات
در روش­های رایج استخراج فلزات، از مواد شیمیایی زیادی استفاده می­گردد، مثلا درآبشویه میکروبی^[۱۲] اسیدی برای استخراج فلز از اثر اسید بر روی سنگ معدن استفاده می­گردد، همچنین گازهای تولید شده در این روش­ها از جمله گاز(SO) باعث تولید باران­های اسیدی می­گردد (Mishra, 2005). مشکلات زیادی را می­توان در حوزه عمومی صنایع معدنی بر شمرد، بعضی از مهمترین این مسائل عبارتند از:

1. 1. کاهش منابع غنی سنگ معدن در سطح زمین و افزایش مصرف که باعث روی آوردن معدن­کاران به منابع فقیر در سطح زمین شده است.

1. 1. وجود منابع نسبتا فقیر در اعماق زمین که استخراج معدنی این سنگ­ها با روش­های کلاسیک مقرون به صرفه نیست.

1. 1. وجود دور ریزهای منابع غنی قبلی که حاوی مقادیر کمی از فلزات بوده و بازیابی این مقادیر به طرق کلاسیک غیرمقدور بوده و یا از نظر اقتصادی توجیه پذیر نیست.

1. 1. مصرف انرژی زیاد، به خصوص در متالورژی حرارتی

1. 1. نیاز به سرمایه ­گذاری زیاد که این صنایع با کمبود آن روبرو می­باشند.

1. 1. آلوده کردن محیط زیست که صنایع متالورژی سهم قابل توجهی در آن دارند و استانداردهای محیط زیست که جلوگیری از آلودگی را بسیار پرهزینه کرده است

1. 1. وجود فلزات سنگین در پساب کارخانه­ها که رهاسازی پساب در طبیعت بدون تصفیه و حذف فلزات آن طبق قوانین موجود ممنوع است و تصفیه این پساب­ها نیز به روش های کلاسیک بسیار گران بوده و یا مقدور نیست.

باطله­ها عموما با کانسنگ همراه می­باشند، و به باطله­های همراه با کانسنگ گانگ^[۱۳] می­گویند، جنس باطله­ها به طریقه تشکیل آنها بستگی دارد. مثلا باطله­های مگنتیت و هماتیت به طریقه جداسازی و پرعیارسازی آنها بستگی دارد.
جایگاه استفاده از روش­های زیستی در استخراج فلزات
صنایع معدنی امروزه با مشکلات زیادی روبرو است، از جمله: کاهش منابع غنی سنگ معدنی در سطح زمین و افزایش مصرف محصولات این صنایع، وجود منابع نسبتا فقیر در اعماق زمین، که استخراج معدنی این سنگ­ها با تکنولوژی فعلی مقرون به صرفه نیست، مصرف انرژی زیاد بخصوص در متالورژی حرارتی و آلوده کردن محیط زیست و همچنین گرانی­ها از جمله مشکلات پیش روی صنعت استخراج فلزات می­باشند.
استفاده از میکروارگانیسم­ها در استخراج فلزات دارای مزایایی است(سلامیان،۱۳۹۱) از جمله اینکه:

• • استخراج فلزات با عیار پایین، بدلیل کم بودن هزینه­هایی استفاده از میکروارگانیسم­ها، این روش توجیه اقتصادی پیدا می­ کند.

• • توان بازیابی فلزات از باطله­ها و ضایعات صنعتی

• • این روش احتیاج به مصرف انرژی سوختی و انرژی انسانی کمتری دارد

• • استفاده از میکروارگانیسم­ها که کلید اصلی این روش بوده و اجزای اصلی محیط می­باشند، بنابراین پس­ماندهای حاصل از آبشویه میکروبی فعالیت شیمیایی کمی بر روی محیط می­گذارند.

زیست شیمی آهن در زمین
آهن جزء عناصر فراوان زمین، و دومین فلز فراوان بعد از آلومینیوم در لیتوسفر^[۱۴] با تراکم ۵% می­باشد (Amoric, 2011). آهن در اشکال معدنی متفاوتی از جمله اکسیدها، کربناتها، سیلیکاتها و سولفیدها می­باشد.لاتریتها^[۱۵]رسوبات سطحی اکسیدهای آهن، بعنوان یک کشف مهم و با اهمیت در حوضه معدنی و با ارزش اقتصادی(مانند نیکل و کبالت) می­باشد(۱۶). آهن یک ماده ضروری برای همه اشکال شناخته شده زیستی است. در بعضی موارد موجود زنده احتیاجی به آهن ندارد در بعضی موارد استثنا مانند باکتریهای مغناطیس گرد^[۱۶]، مقادیر آهن سلولی بیشتر از ۱۱٫۵ برابر باکتریهای معمول می­باشد (Amoric, 2011).
در طبیعت آهن معمولاً به دوحالت اکسیداسیون وجود دارد، آهن دو ظرفیتی یا فروس(Fe⁺²)وآهن سه ظرفیتی یا فریک(Fe⁺³) که شکل غالب آن عمدتا به پارامترهای محیطی مانند pH، غلظت اکسیژن و پتانسیل اکسید و احیاء بستگی دارد. آهن به شکل پایدار خود در محیط­های بدون اکسیژن وجود دارد اما در حضور اکسیژن اکسایش شیمیایی می­یابد. که میزان اکسایش آن به درجه حرارت، غلظت پروتون و اکسیژن محلول بستگی دارد (Stum, 1996)
در بیشتر محیط ها سرعت اکسیداسیون شیمیایی خودبخودی آهن فروس(دو ظرفیتی) در pH های زیر ۴ خیلی پایین است. گرچه آهن فریک (سه ظرفیتی) در آبها بصورت ترمودینامیکی پایدار است، اما شدیدا تمایل به هیدرولیز شدن دارد، به این معنی که در قسمتهای مختلف آب در غلظت­های پایین وجود دارد، هرچند در حضور عوامل کمپلکس شونده، غلظت آهن فریک به صورت محلول بیشتر است. با این حال حلالیت آهن فریک در حالتی که به صورت کمپلکس نمی ­باشد به pH بستگی دارد(آبهای فوق العاده اسیدی،pH حدود ۲٫۵ و یا کمتر) در این محیط­ها میزان یون فریک بالا بوده، که خود یک عامل اکسایش قوی می­باشد.
اهمیت بعدی شیمی آهن که به طور عمده بعنوان یک منبع تغذیه برای برخی از انواع پروکاریوت­های شیمیولیتوتروف است، اختلاف پتانسیل اکسید و احیاء^[۱۷] جفت آهن فروس به فریک (Fe⁺²/Fe⁺³) می­باشد،که توسط pH محلول، بر روی هر دو شکل آهن تأثیرگذار است(روی آهن فریک به میزان کمتری نسبت به آهن فروس اثر می­ گذارد). همچنین حضور مواد کمپلکس شونده در محیط نیز بر روی شیمی آهن موثر است. بیشترین حالت اکسیداسیون زیستی جفت آهن فروس به فریک در مایعاتی با pH اسیدی می­باشد، که هر دو شکل به صورت محلول وجود دارند، در صورتیکه در pH خنثی پتانسیل اکسید و احیاءکمتر از شرایط اسیدی بوده و فروس و فریک به صورت نامحلول(کربنات فروس و هیدروکسید فریک) می­باشد (Ingledew, 1992).
عواملی همچون اکسیداسیون آهن فروس، انحلال پذیری آهن و پتانسیل اکسید و احیاء جفت آهن فروس به فریک تاثیر زیادی بر روی بیواکسیداسیون میکروبی آهن دارد. میکروارگانیسم­هایی که در محیط­های بشدت اسیدی زندگی می­ کنند با محدودیت­های ترمودینامیکی برای کسب انرژی از اکسیداسیون آهن مواجه هستند، به این معنا که فقط اکسیژن مولکولی می ­تواند بعنوان گیرنده الکترون برای اکسیداسیون آهن عمل کند. گرچه پرکلرات می ­تواند بعنوان یک پذیرنده میانی الکترون برای اکسیداسیون آهن در محیط های خیلی اسیدی عمل کند، اما عموما این ترکیب در محیط کمیاب است و عمدتا سمیت آنیونی را برای اسیددوست­ها به همراه دارد (Ingledew, 1992). پتانسیل اکسید و احیاء برای جفت اکسیژن/آب وابسته به pH می­باشد.
در ۲pH پتانسیل اکسید و احیاء جفت، اکسیژن/آب حدود ۳۰۰ میلی ولت مثبت تر از مقدار ان در ۷pH است که اکسیژن را بعنوان یک پذیرنده الکترون مناسبتر در اسیدوفیلها، نسبت به انواع نوتروفیلها می­سازد. اکسیداسیون آهن فروس از نظر میزان انرژی یک واکنش با بازدهی پایین می­باشد(حدود ۳۰ کیلوژول برمول در اسیدیته ۲) و باکتری اسیدوفیل Acidithiobacillus ferrooxidans برای تثبیت یک مول CO₂ بطور میانگین ۷۱ مول آهن فروس را اکسید می­ کند. اکسیداسیون آهن در pH خنثی، می ­تواند بوسیله باکتریهای فتوتروف ارغوانی نیز انجام گیرد، به این صورت که در تضاد با محیط­های اسیدی، اکسیداسیون متفاوتی از آهن، در محیط­های بدون اکسیژن بخوبی در pH خنثی رخ می­دهد. جفت شدن اکسایش آهن با احیاء اکسیژن در۷pH از نظر انرژیتیک مطلوب است.

شکل ۲-۱) شیب الکترونی جفت اکسیداسیون احیاء فروس به فریک و پذیرنده­های الکترونی مناسب (Hedrich, 2011)
میکروارگانیسم­ها می­توانند از دامنه وسیعی از الکترون دهنده­ها و الکترون گیرنده ها به منظور تولید انرژی برای متابولیسم استفاده کنند. قوی­ترین دهندگان الکترون در بالای برج و قوی­تری گیرندگان الکترون در پایین برج الکترونی نشان داده شده ­اند، جانوران قادرند تنها از کربن به­عنوان دهنده الکترون و از اکسیژن به­عنوان گیرنده الکترون استفاده کنند. در صورتیکه میکروارگانیسم­ها توانایی جفت کردن دهنده و گیرنده الکترون را دارا می­باشند. در برج الکترونی دهندگان الکترون بالاتر از گیرنگان الکترون قرار دارند (HedrichSabrina, 2011).
اهمیت میکروارگانیسم­ها در استخراج فلزات
بیش از۷۰­مطالعه میکروبیولوژی­از معادن سولفیدی منتشر شده است. فرآیندهای میکروبیولوژی و بیوژئوشیمیایی مربوط به فروشویی مورد مطالعه قرار گرفته است. اکسیداسیون پیریت ^[۱۸]و یا پیروتیت ^[۱۹]بیشتر به فرآیندهای بیوژئوشیمیایی^[۲۰] در ضایعات معادن سولفیدی مربوط می­ شود، و تکنیک­های متفاوتی برای اندازه ­گیری سرعت واکنش بکار برده شده است (Diaby, 2007) (Schippers, 2010)از جمله: ستون آزمایشگاهی، سلولهای رطوبتی، اندازه ­گیری جریان هوای گرم و اندازه ­گیری اکسیژن مصرفی. میکروارگانیسم­های اسیددوست اکسیدکننده آهن و سولفور عمدتا اکسیداسیون فلزات سولفیدی را انجام می­ دهند. فرآیندهای بیوژئوشیمیایی بی­هوازی در معادن سولفیدی به احیاء آهن فریک و سولفات مربوط می­شوند، اما در مورد سرعت واکنش این فرایند مطلب زیادی وجود ندارد. میکروارگانیسم­های احیاء کننده آهن فریک، ترکیب آهن فریک اکسیده(هیدراته) را حل کرده، که احتمالا از این طریق مانع از جذب آن شده و یا اینکه آن را رسوب می­ دهند. میکروارگانیسم­های احیاء کننده سولفات بعضی فلزات را رسوب می­ دهند و یا اینکه آنها را از چرخه خارج می­ کنند^[۲۱]. اخیرا تکنیکهای بیولوژی مولکولی برای بررسی تنوع میکروبی و سنجیدن و پردازش خصوصیات میکروارگانیسم­ها بکار برده شده است. تا کنون باکتری­ ها و آرکی­های اسیددوست اکسیدکننده آهن، بیشترین ارتباط را به اکسیداسیون فلزات سولفیدی دارند و نقش مهم و عمده­ای را در آن بازی می­ کنند (Schippers, 2010)
میکروبیولوژی معادن سولفیدی
از آنجا که میکروارگانیسم­ها فرآیندهای اکسید و احیاء ترکیبات فلزی را در معادن کاتالیز می­ کنند، آنالیز جمعیت­های میکروبی اطلاعات مهمی را برای دانستن اینکه این موجودات مسئول انجام چه فرآیندهایی هستند را در اختیار می­ گذارد.
تنوع میکروبیولوژی در معادن سولفیدی، شامل گونه­ های هوازی و بیهوازی است،که می­توانند اتوتروف^[۲۲]،یا هتروتروف^[۲۳] باشند (Bosecker, 1997).یک لیست جامعی از میکروارگانیسم­هایی با جنس­های مختلف از سه شاخه: باکتری­ ها، آرکی­ها و یوکاریاها که از معادن با روش های کشت و شناسایی مولکولی جدا شده ­اند، در جدول زیر آمده است
جدول( ۲-۱) میکروارگانیسم­های اکسیدکننده آهن وسولفور جدا شده در جهان(۲۰۱۰