juin/juillet 2016

Les microbes au service de l’extraction minière

L’émergence des micro-organismes dans l’industrie minière

Par Kate Sheridan

Bioremediation
La bioremédiation fait partie des diverses applications de la biotechnologie, qui s'appuie sur les micro-organismes, dans l'industrie minière | Avec l'aimable autorisation de Contango Strategies

Monique Haakensen, scientifique principale et présidente de Contango Strategies, a souvent l’occasion d’observer les micro-organismes. S’appuyant sur la technique de séquençage de l’ADN, la société Contango Strategies propose un service de profilage de la communauté microbienne qui identifie la population microbiologique dans des projets miniers et fournit des résultats de laboratoire, des conseils sur les stratégies de remédiation ou encore des suggestions quant aux végétaux vivants que l’on pourrait ajouter à un écosystème de manière à créer un environnement propice au bon développement des micro-organismes. D’après Mme Haakensen, les micro-organismes reçoivent enfin le respect qu’ils méritent pour leur rôle dans la remédiation.

« Jusqu’à l’apparition de ce type de technologie, nous estimions au jugé, ce qui explique bien des échecs en matière de traitement passif des eaux dans l’histoire car nos décisions ne reposaient sur rien de fondé », indiquait Mme Haakensen. À l’aide des outils dont nous disposons désormais, expliquait-elle, nous pouvons enfin comprendre comment fonctionne le système environnemental au sein d’un projet, ce qui l’influence, et développer un projet de remédiation plus solide.

La remédiation fait partie des diverses applications de la biotechnologie, qui s’appuie sur la microbiologie et les micro-organismes que l’on trouve dans l’environnement pour extraire le métal des corps minéralisés ou neutraliser les contaminants provenant des déchets. On peut aussi déployer des micro-organismes dans des applications hydrométallurgiques afin de contribuer au processus de lixiviation.

Ces dernières années, les avantages financiers et environnementaux potentiels de la biotechnologie, ainsi que la précision croissante avec laquelle est appliquée cette discipline, en ont fait une option intéressante pour les sociétés minières qui sont à la recherche de nouvelles approches envers les problèmes techniques. Cette discipline est amenée à se développer, et de nouveaux efforts sont déployés pour comprendre quels microbes constitueront les partenaires les plus performants pour une exploitation minière spécifique à leur niveau génétique fondamental.

Petits microbes, grandes récompenses

La biolixiviation (ou lixiviation biologique) et la bio-oxydation (ou oxydation biologique) sont deux techniques couramment utilisées en biohydrométallurgie, expliquait Corale Brierley, conseillère et vice-présidente de la National Academy of Engineering (NAE, l’académie nationale d’ingénierie) des États-Unis. Ce sont des procédés de production des métaux mettant en jeu des micro-organismes qui utilisent une solution aqueuse. L’ajout de micro-organismes spécifiques à un système classique de lixiviation en tas permet d’extraire par biolixiviation des métaux communs tels que le cuivre, le nickel et le zinc. La bio-oxydation est un système identique que l’on applique généralement au minerai d’or réfractaire avant la lixiviation par cyanuration. La principale différence est qu’avec la biolixiviation, les métaux ciblés sont mis en solution alors qu’avec la bio-oxydation, ils restent à l’état solide.

Les micro-organismes intervenant dans le procédé de biolixiviation catalysent la réaction chimique d’oxydoréduction par lixiviation, ce qui aide les électrons à se déplacer entre divers types de fer pendant une réaction chimique d’où ils tirent l’énergie dont ils ont besoin pour se développer. Le mouvement de ces électrons transforme les minéraux sulfurés en soufre, sulfate ou les deux, libérant ainsi les métaux du gisement environnant dans une solution et relançant le procédé d’oxydation. Ce procédé donne lieu à des taux de récupération plus élevés qui pourraient être difficiles à atteindre pour un minerai à faible teneur dans des gisements sulfurés.

D’après Mme Brierley, on extrait aujourd’hui entre 18 et 20 % du cuivre par biolixiviation à l’échelle mondiale, et environ 26 installations de biolixiviation en tas du cuivre ont été construites depuis les années 1980. BHP Billiton a eu recours à cette technique à sa mine Cerro Colorado au Chili en 1993 ; quant à Teck, Freeport-McMoRan, Anglo American et Vale, elles ont toutes de l’expérience avec ce procédé.

Comme l’expliquait Barrie Johnson, professeur à l’université de Bangor, la biohydrométallurgie présente des avantages indéniables du point de vue de l’environnement par rapport au traitement classique des minerais, notamment lorsqu’on tente d’éviter la libération d’arsenic dans l’atmosphère durant la fusion. Traiter le minerai à l’aide de techniques biologiques permet d’éliminer ce risque car on évite les températures élevées qui pourraient entraîner la volatilisation de l’arsenic et le transformer en gaz. Au contraire, on peut traiter le minerai à des températures situées entre 20 et 50° Celsius. « Nul besoin de se préoccuper de la séparation ou du mélange des concentrés à haute teneur en arsenic ; en outre, le danger de l’évaporation des gaz riches en arsenic dans l’atmosphère est éliminé », expliquait M. Johnson. « Il finit dans le liquide et est ensuite immobilisé sous forme d’élément inerte. L’impact sur l’environnement est donc maîtrisé. »

La biohydrométallurgie affiche en outre un meilleur rendement énergétique qu’une fonderie classique. « La fusion implique généralement de recourir à de très hautes températures, aussi les besoins énergétiques et les émissions de CO2 sont élevés », indiquait M. Johnson.

Les micro-organismes offrent par ailleurs un avantage supplémentaire à cette technique, non négligeable du point de vue environnemental. En effet, les organismes utilisés dans le procédé ont besoin de dioxyde de carbone pour survivre ; ainsi, au lieu de produire des gaz à effet de serre (GES), ils les consomment.

Wetlands at Minto mine

Contango Strategies aide la société Capstone Mining Corp. à développer des zones humides dans le cadre de sa stratégie de remédiation sur le long terme à la mine Minto, dans le Yukon | Avec l'aimable autorisation de Contango Strategies

Équation économique

L’extraction de minerais qui repose sur des processus biologiques, ou bioextraction minière, a vu le jour au milieu des années 1990 alors que certaines sociétés minières commençaient à chercher des moyens de réduire leurs coûts de production du cuivre. Les prix et les teneurs étaient à la baisse, « un peu comme la situation actuelle », faisait remarquer Mme Brierley. La plupart des gisements facilement accessibles et érodés avaient été découverts et exploités, laissant aux mains des sociétés minières des gisements supergènes plus grands mais moins érodés (et donc plus difficiles à exploiter).

L’exploitation de ces gisements n’a pas été une mince affaire dans un contexte économique plus que sombre, expliquait Mme Brierley, notamment si l’on tient compte du coût du concassage, du broyage, de la flottation et de la fusion des métaux. « Le coût de ces procédés était supérieur à la valeur du minerai », déclarait-elle. « Ainsi, la biolixiviation était une option qui tombait sous le sens. » L’association de la lixiviation en tas et de quelques micro-organismes utiles constituait une option financièrement viable permettant d’augmenter les taux de récupération sans pour autant décupler les coûts d’investissement.

Contrairement aux fonderies et aux circuits de flottation, il n’était pas nécessaire d’amener les micro-organismes dans des régions isolées ou de les entasser dans un site de petite taille. « On trouve ces micro-organismes spécifiques partout dans le monde », déclarait Mme Brierley. « Il suffit de créer des conditions qui permettront aux organismes de bien se développer, de manière à ce qu’ils se multiplient et se divisent rapidement, puis qu’ils décomposent le minerai aussi vite que possible. »

D’après M. Johnson, qui dirige également l’équipe de recherche sur les organismes acidophiles de l’université de Bangor, plusieurs micro-organismes sont adaptés à ce type de procédé. On appelle acidophiles tous les micro-organismes utilisés dans la biolixiviation et la bio-oxydation, car ils parviennent à survivre dans les conditions de faible pH nécessaires aux réactions chimiques qui séparent les métaux précieux des déchets.

Tous les micro-organismes utilisés dans la bioextraction minière présentent cette caractéristique, mais chacun est doté d’une fonction spécifique et s’adapte mieux à certains environnements qu’à d’autres, faisait remarquer M. Johnson. « La plupart du temps, ils occupent des niches différentes. Certains prospéreront à température élevée, parfois jusqu’à 80° [Celsius] ; d’autres seront optimaux à des températures situées entre 10, voire même 5° Celsius », ajoutait-il.

Toute exploitation procédant à l’extraction de minerai à partir d’un gisement sulfuré peut envisager la bioextraction minière, indiquait Mme Brierley, mais dans certaines situations, elle représente un choix bien plus adapté. L’espace que l’on peut affecter à un remblai biologique de lixiviation en tas pourrait ne pas être une option réalisable dans des zones montagneuses par exemple, en raison des limitations techniques quant à la hauteur de ces remblais. La bioextraction minière est également une solution plus adaptée aux sites se trouvant dans des zones isolées. « Lorsque l’accessibilité au site est un problème, il est difficile d’y amener des autoclaves et des pièces de la fonderie », indiquait Mme Brierley. Si la présence d’une main-d’œuvre qualifiée n’est pas forcément nécessaire, la qualité de l’eau sur le site devra par contre être correcte, précisait-elle.

Fermeture intégrale

Dans la province du Yukon, Mme Haakensen et Contango Strategies aident la société Capstone Mining Corp. à développer des zones humides dans le cadre de sa stratégie de

remédiation sur le long terme à la mine Minto afin d’éliminer le cuivre, le sélénium et le cadmium présents dans ses eaux usées (la mine dispose d’une usine de traitement des eaux usées pour ses besoins locaux de traitement de l’eau pendant la phase opérationnelle). « C’est au moment de la fermeture d’un site minier que l’on constate les véritables avantages de la bioremédiation », déclarait Ryan Herbert, gestionnaire de l’environnement à Minto.

L’un des avantages de cette technique concerne la réduction des coûts opérationnels, indiquait M. Herbert. « Les effectifs nécessaires pour exploiter les zones humides ne sont pas exactement les mêmes que ceux dont on pourrait avoir besoin pour gérer une usine de traitement. Il faut certes assurer un certain contrôle et entretien, mais ce n’est pas comparable à un système de traitement qui requiert une présence humaine 24h/24 », indiquait M. Herbert.

Capstone s’intéresse également à la recherche sur la bioremédiation spécifique à chaque site à Minto et fait équipe avec Contango. Une partie des travaux de recherche consiste à déterminer l’impact d’un climat froid et d’un cycle de gel et dégel sur les végétaux dans les zones humides et sur la relibération des contaminants. M. Herbert indiquait que les premiers résultats concernant une zone pilote sur le site seront recueillis dans le courant de l’été.

Aujourd’hui, la productivité potentielle des micro-organismes fait l’objet d’un intérêt croissant, notamment pour leur utilisation dans des systèmes de remédiation ou de traitement de l’eau. L’université Laurentienne a annoncé en mai qu’elle prévoit d’octroyer 630 000 $ au financement d’une chaire de recherche dédiée à la bioextraction minière et à la bioremédiation. Cette chaire de recherche collaborera avec Vale, Glencore et d’autres partenaires de l’industrie.

moving bed biofilm reactor
Le bioréacteur à biofilm à lit mobile (photo ci-dessous) ajoute une intégrité structurale à l'environnement des micro-organismes dans l'usine de traitement des eaux usées de la mine LaRonde d'Agnico Eagle au Québec | Avec l'aimable autorisation d'Agnico Eagle

Études de cas 

Les micro-organismes ont beaucoup aidé les ingénieurs de la mine d’or LaRonde d’Agnico Eagle au Québec. En 2000, la mine a arrêté de rejeter son effluent final dans l’environnement lorsque la société y a identifié des niveaux élevés de thiocyanate (SCN). Il a fallu procéder au traitement de l’effluent, aussi la société a transféré l’eau dans des bassins de décantation des résidus et s’est tournée vers une technique de remédiation biologique en utilisant les micro-organismes pour décomposer les composés toxiques en des substances chimiques inoffensives.

« Cette technologie représentait pour nous la solution la plus sûre », indiquait Patrick Laporte, coordinateur du traitement de l’eau. « De nombreux éléments sont responsables de la toxicité [à LaRonde] », déclarait-il, dont le SCN, le cyanate (CNO), le nitrite (NO2) et l’ammoniac (NH3).  « Les traitements biologiques sont les seuls à pouvoir tous les traiter. D’autres technologies se sont avérées positives dans un ou deux tests de toxicité avec nos eaux usées, mais pas toutes. »

En 2004, LaRonde a installé une usine de traitement biologique séparée en deux sections, l’une contenant des bactéries appartenant au genre Thiobacillus pour hydrolyser le CNO et le SCN, et l’autre des bactéries appartenant aux genres Nitrosomonas et Nitrobacter pour maîtriser le NO2 et le NH3. Les techniciens de la société ont perfectionné le procédé au travers d’expériences empiriques menées sur trois ans, jusqu’à son déploiement à grande échelle en 2008.

« Nous devions approfondir nos connaissances sur ces bactéries », indiquait M. Laporte. « Il nous a fallu déterminer les limites de ces bactéries et optimiser les conditions dans l’usine. »

Cette approche par tâtonnement permet d’intégrer de nouvelles techniques telles que la biotechnologie sur le terrain et le marché, expliquait Mme Brierley, notamment car le lien entre les personnes travaillant en laboratoire et celles sur le terrain n’est pas toujours facile à établir. « Dans la plupart des réunions techniques que l’on organise, on ne parvient pas à promouvoir une bonne collaboration entre les personnes travaillant dans le domaine de la recherche et faisant des découvertes et celles qui peuvent utiliser ces découvertes et les mettre en pratique ou qui sont capables de déceler les techniques nécessaires pour qu’elles fonctionnent », indiquait-elle.

Cette dynamique est également évidente sur le terrain, expliquait Marja Riekkola-Vanhanen, scientifique et experte en biolixiviation. « Ces processus requièrent l’intervention d’une multitude de spécialistes, notamment des métallurgistes, des biohydrométallurgistes, des biologistes, des géologues et autres », expliquait Mme Riekkola-Vanhanen, qui a récemment travaillé sur un projet de biolixiviation du nickel en Finlande.

Commercialisation de la chimie       

Pour les sociétés ne souhaitant pas concevoir leur propre système de bioextraction minière en interne, comme c’est le cas pour Agnico Eagle, il existe des options commerciales pouvant être adaptées à leur site. La société sud-africaine BIOMIN est à l’origine de BIOX, le système utilisé dans la plupart des exploitations de bio-oxydation commerciales. Ce procédé agit sur les sulfures dans les minéraux, les oxyde et expose l’or avant qu’il ne subisse la lixiviation par cyanuration. Les bactéries catalysent la réaction, régénérant l’acide ferrique nécessaire à la décomposition de la pyrite en s’attachant à la surface du minéral et en créant un micro-environnement, expliquait Jan van Niekerk, directeur exécutif de BIOMIN.

On observe aussi des nouveaux venus sur la scène de cette technologie reposant sur la biologie, notamment EnviraMet, une société canadienne qui a présenté une recherche sur la bioremédiation à l’occasion du congrès de l’ICM 2016 en mai (la société a développé une technologie qui cible un certain nombre de contaminants courants, dont le sélénium). « L’approche adoptée par EnviraMet implique de récupérer le sélénium élémentaire dans les boues du bioréacteur, permettant d’utiliser les déchets dans la terre comme engrais non dangereux », expliquait Altair Ioffe, président d’Ioffe Biotechnologies et conseiller en biotechnologie pour EnviraMet.

Il n’est pas évident d’accorder une plus grande place à la science sur le terrain, et gérer correctement la situation peut prendre du temps. Mme Brierley a beaucoup travaillé sur de nouveaux projets ; cependant, elle se concentre principalement sur les usines reposant sur la biotechnologie qui sont déjà en service mais pourraient avoir besoin d’un petit coup de pouce, indiquait-elle. « C’est presque universel. On tente de concevoir des usines aussi performantes que possible, mais on ne peut éviter certains problèmes. »

L’usine de traitement de LaRonde n’a pas fait exception à la règle. Il fallait laisser se former une pellicule biologique (un biofilm) dans le réacteur pour que les micro-organismes puissent agir ; malheureusement, cette pellicule était si lourde dans la première section de l’usine qu’elle a cassé l’équipement, déjà abîmé par les micro-organismes. Le problème a été résolu en remplaçant le biodisque pivotant cylindrique par un bioréacteur à lit mobile, qui a, à son tour, généré plus d’ammoniac que ne pouvait le supporter la deuxième section de l’usine (leur solution consistait à le placer dans un bassin d’assèchement, lequel a depuis été vidé).

Approche difficile, lixiviation difficile           

La biotechnologie continue d’évoluer, tout comme les difficultés. Les gisements supergènes sont exploités, aussi certains se tournent déjà vers des gisements hypogènes plus profonds renfermant de la chalcopyrite et de l’énargite, pour lesquels la lixiviation est difficile. « À l’avenir, on trouvera 80 % du cuivre à l’échelle mondiale dans ce genre de minerais », expliquait Mme Brierley. « Le problème avec ce type de minerais est qu’il est difficile de procéder à leur lixiviation, qu’ils sont de teneurs très faibles et sont dans certains cas enfouis très profonds. »

De nouvelles techniques et applications pour la bioextraction minière pourraient s’avérer utiles pour les sociétés alors qu’elles envisagent d’exploiter ces gisements et d’autres, ainsi que d’autres types de minerais. C’est en 2008 que la mine à ciel ouvert de nickel de Talvivaara Mining Company, dans le nord de la Finlande, a pour la première fois eu recours à la lixiviation en tas utilisant les micro-organismes, activités auxquelles Mme Riekkola-Vanhanen a contribué ; l’exploitation a expédié son premier concentré de nickel en 2009.

Sur le site de Talvivaara, le minerai est concassé et empilé sur le remblai de lixiviation puis irrigué avec de l’eau acide pendant 13 à 14 mois, ce qui permet aux bactéries de réagir et de catalyser les réactions chimiques.

Grâce à la bioextraction minière, l’exploitation a pu atteindre un taux de récupération de 85 % pour le nickel, et de 80 % pour le zinc et ce, malgré que la composition minérale du gisement comprenne de la chalcopyrite. Mme Riekkola-Vanhanen expliquait que c’est en raison des faibles coûts d’investissement et d’exploitation que cette technique a été choisie.

« C’est un minerai spécial que l’on trouvait dans les fonds océaniques il y a deux milliards d’années », indiquait Mme Riekkola-Vanhanen, et le gisement présente des niveaux élevés de graphite. « Ainsi, il est possible d’obtenir un concentré, mais il contient 1,5 % de nickel. Personne n’achètera ce genre de concentré. »

« Si l’on tente d’enrichir un minerai contenant autant de graphite par flottation, ce graphite remontera à la surface pendant le procédé de flottation », expliquait-elle, ce qui fait de la biolixiviation l’option la plus économique pour traiter le minerai. De nombreux procédés sont menés ; on retire tout d’abord le nickel et le cobalt, puis le cuivre et le zinc.

« La biolixiviation fonctionne bien, mais il ne s’agit que d’une partie du procédé complet », indiquait-elle. « Par exemple, on peut avoir des sulfures métalliques insolubles dans l’eau, puis après la biolixiviation, on trouve dans la solution des sulfates solubles dans l’eau, aussi il faut disposer de procédés hydrométallurgiques (ou chimiques) efficaces pour produire des métaux à partir de la solution. »

On peut utiliser la technique d’exploitation minière in situ pour chercher des gisements profonds, indiquait Mme Brierley, éventuellement avec une aide sur le plan biologique. « L’exploitation minière in situ est fort susceptible de constituer une étape extrêmement importante car elle fera appel à de grandes connaissances en matière de génie et également de savoir-faire scientifique ; cependant, nous n’y sommes pas encore », ajoutait-elle.

L’Union européenne (UE) finance une partie de ces recherches techniques et scientifiques au titre du projet BioMOre, faisait remarquer M. Johnson. Le projet se trouve actuellement en phase pilote, mais se concentre sur l’exploitation minière profonde in situ simple et « aidée par les bactéries. »

L’exploitation profonde in situ a déjà été testée dans des mines d’uranium canadiennes, mais ces gisements présentent un socle rocheux qui n’existe pas dans les gisements de cuivre, indiquait Mme Brierley. Ce socle rocheux est essentiel pour garantir que la solution utilisée pour la lixiviation du minerai ne se répande pas involontairement dans des zones non concernées par cette technique. 

LaRonde mine

Les usines reposant sur la biotechnologie de la mine LaRonde d’Agnico Eagle au Québec (ci-dessus) traitent leurs eaux usées afin d’éliminer des contaminants tels que le thiocyanate, le cyanate, le nitrite et l’ammoniac | Avec l'aimable autorisation d'Agnico Eagle

Génie génétique

Dans un contexte où les micro-organismes continuent de prouver leur utilité, la technologie et la recherche nécessaires pour optimiser leur utilisation bénéficient d’un soutien croissant. Mme Haakensen indiquait que des fonds fédéraux ont été mis à disposition par l’intermédiaire de Génome Canada. La génomique étudie la composition génétique des espèces et des organismes, et de nombreux projets espèrent pouvoir mettre à profit ces nouvelles connaissances sur la composition génétique des plantes et des micro-organismes pour adapter les organismes utilisés dans des environnements spécifiques tels que des cellules de réacteurs ou dans des projets de remédiation en vue de maîtriser certains contaminants spécifiques. Un concours de Génome Canada visant à octroyer un financement à des projets de génomique pour des applications minières est en cours. L’un des projets à la recherche d’un financement souhaite établir la séquence des génomes de 800 arbres pour trouver des espèces qui seront bien adaptées à la restauration des sites miniers. Un autre projet s’intéresse spécifiquement aux génomes des bactéries se trouvant dans les eaux usées issues des activités minières.

« Le nombre de personnes s’intéressant à [ce genre de technologies et de procédés] ne cesse de croître », déclarait Mme Haakensen. « On s’y est toujours intéressé, mais on ne disposait souvent pas des outils nécessaires. On voit maintenant grandir le nombre d’outils à notre disposition, et le corpus de recherches universitaires consacrées à ce sujet ne cesse de s’étoffer. »

Au vu des nombreux développements qui voient le jour et de l’impact de la biotechnologie, il est clair que les micro-organismes ont beau être minuscules, ils pourraient avoir d’importantes répercussions sur le traitement des minerais et les projets de restauration des sites miniers.

Traduit par Karen Rolland


Retour à la table des matières | Section technologie | Profil de projet : la mine Renard

Publier un commentaire

Commentaires

Version PDF