Biotecnología microbiana aplicada a la minería
Albert Saavedra y Eduardo Cortón
Laboratorio de Biosensores y Bioanálisis (LABB)
Departamento de Química Biológica e IQUIBICEN-CONICET. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Buenos Aires. Argentina
asaavedra@qb.fcen.uba.ar, eduardo@qb.fcen.uba.ar
Resumen
Se denomina biohidrometalurgía al tratamiento de recuperación de metales de interés económico a partir de minerales sulfurados, utilizando microorganismos. Es una tecnología que ha cobrado mayor importancia en las últimas décadas, tanto desde el punto de vista científico como tecnológico por sus aplicaciones actuales, y mayores oportunidades futuras, para varios procesos industriales. Los microorganismos acidófilos que son utilizados en estos procesos tienen capacidad de oxidar minerales de hierro y azufre. Es una de las pocas tecnologías basadas en el uso de microbios que ha llegado a ser implementada industrialmente con éxito en el procesamiento de minerales de baja ley. En este trabajo realizaremos un análisis sintético del origen histórico de esta tecnología, las bases químicas y microbiológicas del proceso, así como sus aplicaciones industriales. Además introduciremos nuevas áreas de investigación y desarrollo, en las que nuestro grupo se ha enfocado recientemente, de tal manera de optimizar y ampliar los campos de aplicación de esta tecnología minera de bajo impacto ambiental.
Palabras clave: Biolixiviación, biooxidación, microorganismos acidófilos
Microbial biotechnology applied to mining
Summary
Biohydrometallurgy
is known as a microbial treatment, which allows the recovery of high value
metals from sulphide minerals. It is a technology that has attracted
attention in the last two decades from the point of view of both, scientific
studies and technological applications. This technology involves the
participation of acidophilic microorganisms, capable of iron and sulfur
oxidation. It is one of the few microbiology-based technologies that has
become industrially successfully in processing low-grade ores. In the
present work we will summarize and analyze how this technology emerged,
their progress, industrial applications, and future prospects.
Keywords: bioleaching, biooxidation, acidophilic microorganisms.
Un poco de historia….
En sí, la solubilización de metales a partir de minerales por intermedio de microorganismos es un proceso natural. Dadas las condiciones necesarias de temperatura y humedad, en un ambiente natural y en presencia de minerales, se observará la aparición de una coloración rojiza por el aumento del ion férrico y un descenso del pH por la oxidación de hierro y azufre; de esta manera se origina un drenaje ácido en forma natural (Figura 1). Este proceso natural se relaciona con la colonización y crecimiento de bacterias, y otros microorganismos que utilizan los minerales como fuente de energía, solubilizando los metales de interés económico. Si bien este proceso es (en la naturaleza) muy lento, y puede durar años en desarrollarse, desde los primeros reportes de la existencia de este tipo de microorganismos mediante investigaciones multidisciplinarias (metalúrgicas, química, biológicas, microbiología, electroquímica, etc.) se ha podido incrementar la velocidad de solubilización del proceso natural y poder aplicarlo a nivel industrial de manera exitosa.
En la década de 1950 se desconocía la presencia de microorganismos a pH extremadamente ácidos (entre 1.4 y 2.9), es así como Colmer y Hinkle, [1] en un estudio de análisis ambientales realizado en 1947 en una mina de carbón, al dejar una muestra mal cerrada observaron un cambio de coloración (tomó un color rojizo), lo que evidenció la oxidación del hierro. Estos investigadores descartaron en primer lugar la oxidación mediada por oxígeno, ya que es una oxidación lenta en un medio a pH muy ácido. Al realizar un examen más exhaustivo de tipo microbiológico, llegaron a la sorpresiva conclusión de que la oxidación del hierro se debía a una actividad bacteriana. En este estudio se reportó por primera vez al microorganismo Acidithiobacillus ferrooxidans (antes llamado Thiobacillus ferrooxidans o Ferroobacillus sp.). Se trata de una bacteria quimiolitoautrotofa, que utiliza el CO2como su fuente de carbono, mientras que a partir de la oxidación del hierro y azufre obtiene la energía necesaria para sus procesos metabólicos. Junto a A ferrooxidans se reportó otro tipo de microorganismo, A. thiooxidans que tiene la capacidad producir ácido sulfúrico a partir del azufre [2]. Si bien A. thiooxidans fue descubierto antes, se aisló de un ambiente no tan ácido como A. ferrooxidans. Estos dos microorganismos son hasta el momento los más estudiados, y los que usualmente se toman como modelos para estudios biohidrometalúrgicos.
Figura 1.
Drenaje ácido minero ubicado en Andacollo, IV región, Chile. El DAM presenta
un pH 2,01 y 491 mV de potencial rédox (fotografía de uno de los
autores, A.S.).
Conforme los estudios fueron avanzando se descubrió una compleja comunidad
microbiana acidófila involucrada en la solubilización de metales. En estos
ambientes podemos encontrar bacterias, arqueas, mohos, entre otros. Están
presentes microorganismos con metabolismo autótrofo y heterótrofo, los
microorganismos más importantes con capacidad biooxidante que usualmente se
puede encontrar en estos ambientes son aquellos con capacidad de oxidar
hierro como Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillium
ferrooxidans, Ferroplasma acidiphilum
entre otros. También podemos encontrar microorganismos con
capacidad de oxidar azufre, como
A. thiooxidans, A.
ferrooxidans y A. caldus.
Es interesante resaltar que la mayoría de los microorganismos
quimiolitoautótrofos que participan en el proceso de solubilización de
metales presentes en este ecosistema pueden ser fácilmente inhibidos por la
presencia de compuestos orgánicos. En presencia de suficientes compuestos
orgánicos, aumenta la abundancia en la comunidad de los microorganismos
heterótrofos; un microorganismos acidófilo heterótrofo que podemos encontrar
es Acidiphiliium sp, que
se presume que es uno de los encargados de mantener en bajas concentraciones
los compuestos orgánicos para evitar inhibición.
Luego del descubrimiento de A. ferrooxidans y dada su novedosa (para
la comunidad científica) capacidad hierro-oxidante, se publicaron los
primeros estudios relacionados a su participación en la solubilización de
metales a partir de rocas minerales en situaciones controladas. En una
muestra del líquido percolante de una pila de lixiviación de minerales se
evidenció la presencia del microorganismo y se evaluó la solubilización de
diferentes minerales. Bryner y col.
[3] comprobaron que en
presencia de microorganismos la solubilización de los metales asociados a
minerales sulfurados se incrementaba fuertemente. A partir de este estudio
se inició el interés en entender los procesos microbiológicos y bioquímicos
que hacen posible el proceso, tanto desde el punto de vista de la
investigación básica, como de la aplicada. Una ventaja que ha tenido este
proceso a comparación de otros procesos biotecnológicos es el interés
multidisciplinario, así como la inversión de entidades estatales y privadas
para la investigación, ello explica el rápido avance y su fuerte aplicación
industrial. Sólo en aproximadamente 30 años luego de su descubrimiento los
microorganismos quimiolitoautótrofos ya son aplicados con éxito en la
gran minería.
Biofilms
(Biopelículas) en la naturaleza
Los biofilms, también llamados biopelículas, son una forma de
crecimiento y agregación que utilizan los microorganismos, como las
bacterias, pero no solo ellas. En la naturaleza, las biopelículas están
formadas generalmente por una asociación de diferentes microorganismos, que
incluye muchos tipos de bacterias, hongos, algas, levaduras, protistas y
otros organismos, que se encuentran adheridos a una superficie. Estos
organismos están asociados y embebidos en productos de secreción, excreción,
y residuos metabólicos, incluyendo células muertas. Uno de los productos de
secreción que mantiene unidas las biopelículas a las superficies, se
denomina sustancias poliméricas extracelulares (o EPS por su sigla en
inglés). El EPS es una denominación genérica para un grupo de sustancias
extracelulares, fundamentales en la formación y mantenimiento del biofilm;
estas sustancias son de naturaleza polisacárida.
Actualmente se interpreta a las biopelículas como una forma de crecimiento
de los microorganismos relacionada con condiciones desfavorables en el medio
ambiente donde esos organismos se desarrollan. Los microorganismos en
condiciones favorables (como por ejemplo alta concentración de nutrientes,
baja concentración de elementos tóxicos), suelen desplazarse libremente en
el medio líquido, y se las denomina planctónicas. Pero cuando las
condiciones del medio se vuelven desfavorables, las células microbianas
planctónicas tienden a abandonar esta forma de vida, y asociarse a
superficies, originando de esta manera la formación de biopelículas. Se ha
probado que cuando las células se asocian en una biopelícula, son mucho más
resistentes a los agentes químicos que podrían causarles daño, como por
ejemplo los antibióticos. Durante mucho tiempo se creyó que la formación de
biopelículas era un evento individual, pero luego se observó que dependía de
la densidad celular, y se llamó a este fenómeno autoinducción (más tarde
rebautizado como quorum sensing), y definido como el mecanismo de
comunicación intercelular que controla la expresión génica en función de la
densidad celular. Esta expresión génica diferencial es la que lleva a la
formación de biopelículas, o a la permanencia como células planctónicas. Uno
de los primeros fenómenos de quorum sensing estudiados fue la emisión
de luz por bacterias marinas bioluminiscentes; hoy se sabe que también está
relacionado con la formación de biopelículas, la producción de EPS,
producción de metabólitos secundarios (como los antibióticos o los
pigmentos), y otros.
El proceso de quorum sensing
es fundamental para el conjunto de procesos que terminan en la
solubilización del metal de interés por los microorganismos, como se verá en
la sección siguiente. En él, determinadas moléculas son secretadas por las
bacterias (u otros organismos, las bacterias son los organismos más
estudiados al respecto), como por ejemplo la acil-homoseril lactona, que
actúa como un autoinductor; esto es, cuando la concentración de esta
molécula sencilla sobrepasa un nivel umbral (lo que depende de la
concentración microbiana en el medio de cultivo), se dispara una respuesta.
En general, las bacterias Gram-negativas usan acil-homoserina lactonas como
inductores, mientras que las bacterias Gram-positivas se valen de
oligopéptidos, que son más variados, y permiten una comunicación más
selectiva. Esta inducción dependiente de la concentración se describe en la
próxima sección para organismos relacionados con el proceso biominero.
Tanto para las bacterias Gram positivas o negativas, así como en otros
procesos relacionados con el quorum sensing, la respuesta (en nuestro
caso en particular la formación de biopelícula sobre los minerales)
dependerá no sólo de la especie o grupos de especies microbianas
involucradas, y de su concentración, sino también de las condiciones
ambientales. Cuando las condiciones del ambiente se alejan del óptimo para
la supervivencia, se verá favorecida la formación de biopelículas. Las
investigaciones sobre biopelículas son de gran importancia en múltiples
aspectos relacionados con la salud humana, animal y vegetal; afectan también
de diversa manera a muchas industrias, en general causando problemas, como
la biocorrosión y el biofouling, por lo que su estudio es de gran
importancia en la actualidad; la literatura especializada ha revisado sus
características exhaustivamente
[4, 5]. En el caso de la biomineria, la formación de biopelículas y
el rápido ataque al mineral son los efectos positivos buscados.
¿Cómo es el proceso de solubilización del metal por los microorganismos?
La biolixiviación de minerales es aplicada mayormente en minerales
sulfurados como la pirita (FeS2), esfalerita (ZnS), galena (PbS),
calcopirita (CuFeS2) entre otros. Estos minerales, luego de un
ataque con iones férrico liberan azufre y ion ferroso que son oxidados por
las bacterias en presencia de oxígeno, proceso que utilizan como fuente de
energía.
Se han propuesto diferentes mecanismos de la interacción bacteria-mineral.
Sand et al.
[6] y Tributsch
[7] mencionan dos tipos de
mecanismos, uno directo y otro indirecto. El mecanismo directo propone que
el microorganismo y el mineral interactúan directamente, la hipótesis
sostiene que existe una proteína en la membrana de la bacteria que
solubiliza directamente el mineral de interés; sin embargo hasta el momento
no se ha identificado (si es que existe) la proteína que cumpla aquel rol,
por lo que esta hipótesis es la menos aceptada. Por otro lado, el mecanismo
indirecto propone que el microorganismo no interactúa directamente con el
mineral, sino que el proceso de solubilización se llevaría a cabo a partir
de la oxidación del hierro por la bacteria y el ataque del ion férrico
(un ion altamente corrosivo) al mineral, liberando el metal de interés y
oxidando el azufre a ácido sulfúrico. La oxidación (bacteriana) y reducción
(ataque al mineral) del hierro sería un evento cíclico, contribuyendo así al
continuo ataque al mineral (Figura 2A).
Si bien, el mecanismo indirecto es el más aceptado, se ha propuesto un
mecanismo adicional basado en el mismo principio, denominado mecanismo por
contacto, el que propone que el microorganismo al estar en presencia
de un mineral sulfurado es atraído al mineral, y secreta EPS (Figura 2B) que
son importantes en la forman de la biopelícula (como se destacó en la
sección anterior), sobre el mineral. En dicho microambiente, se han
identificado compuestos químicos emparentados con la comunicación celular
(N-acil homoserina lactonas) correspondientes al fenómeno de quorum
sensing [8, 9]. La
presencia de este fenómeno sugiere que la biopelícula sobre el mineral es un
sistema complejo y coordinado. La hipótesis sostiene que la biopelícula se
forma directamente sobre un mineral sulfurado y que el EPS que lo rodea
compleja el ion férrico, produciendo una alta concentración de estos iones,
que se encontrarían estabilizados en el EPS; dada la alta concentración de
hierro en el microambiente el mineral seria atacado fuertemente. Este evento
ha sido corroborado por la huella corrosiva dejada por los microorganismos
en el mineral. En el EPS se han reportado concentraciones de hierro de hasta
53 gL-1 las que al ser
tan altas facilitan el ataque del ion férrico en el mineral
[10].
Figura 2.
(A) Mecanismos de biolixiviación. Directo, indirecto y por contacto. (B)
Microfotografías por CLSM de A. ferrooxidans marcada con ioduro de
propidio (izquierda) y el EPS marcada con WGA (derecha). (Esquemático y
microfotografías de uno de los autores, A.S.)
En el ataque del mineral, el microorganismo oxida el hierro y el azufre. El
azufre puede ser solubilizado del mineral por dos diferentes mecanismos, el
mecanismo de tiosulfato y el del polisulfuro. El mecanismo del tiosulfato
sostiene que el azufre extraído del mineral es convertido en tiosulfato por
un ataque de los iones férricos y éste es oxidado por los microorganismos
formando iones sulfatos, que complejan el metal de interés, y ácido
sulfúrico que acidifica el medio. El mecanismo del polisulfuro sostiene que
el azufre extraído del mineral pasa por diferentes compuestos azufrados
antes de llegar a ser convertido a sulfato, esto tras un ataque al mineral
de iones férrico y protones (Figura 3).
El mecanismo de solubilización del azufre en los minerales va a depender de
su estructura cristalina, en sulfuros como la pirita (FeS2) y la
molibdenita (MoS2) su nivel energético (banda de valencia) se
centra en los enlaces entre los átomos metálicos (enlace metal-metal,
mientras que en otros sulfuros metálicos como la calcopirita (CuFeS2)
y la esfalerita (ZnS) son importantes los enlaces entre el azufre y el
metal), lo que hace que posean un nivel energético menor. Los minerales
donde la unión metal-metal es predominante son más resistentes ante un
ataque ácido, por ellos son poco solubles en ese medio; en dichos minerales
la solubilización del azufre se realiza por el mecanismo del tiosulfato. En
comparación, en los sulfuros que presentan una unión fuerte entre el azufre
y el metal, este último puede ser desestabilizado por un ataque adicional de
protones, razón por la cual son más solubles en medio ácido y se acepta que
la solubilización ocurre por el mecanismo de polisulfuro
[11].
Figura 3.
Mecanismos de oxidación química y biológica del azufre a partir de minerales
sulfurados (Esquema modificado de
Sand et al., 2001).
Por lo tanto, en la biolixiviación de un mineral sulfurado (MS), el producto
será el metal de interés solubilizado, más el sulfuro oxidado en forma de
sulfato y producción de ácido sulfúrico en el sistema, mediado por un ataque
de ion férrico. La ecuación correspondiente a la solubilización de un
mineral sulfurado es:
Donde la solubilización se llevará a cabo dependiendo de diferentes factores
como,
(lixiviación
ácida),
(lixiviación
férrica) y
(involucrando
al mecanismo de polisulfuro).
Considerando los mecanismos de ataque químico y biológico al mineral
descrito anteriormente, describiremos el proceso de solubilización del
mineral de interés. Blight et
al., [12] considera que la biolixiviación de la pirita (FeS2)
por A. ferrooxidans
se realiza en diferentes etapas. La primera, cuando las células se
adhieren al mineral, se multiplican, comienzan a producir EPS y se inicia la
formación de oxihidróxidos de hierro. En la segunda etapa las especies de
hierro como mediador son oxidados en el EPS a la altura de las células y son
reducidas en contacto con el mineral. Por último, las especies de sulfuro
son liberadas por acción del mediador y son oxidadas por los
microorganismos, o pasan a solubilizarse en la solución. Las reacciones
pueden darse de la siguiente manera:
Interfase sulfuro
En el biopelícula
Reacciones reductivas en la biopelícula
Reacción mediadora
Como ecuación general de la solubilización de hierro a partir de la pirita
por acción de una bacteria azufre y hierro oxidante como
A. ferrooxidans, se tiene:
El mecanismo de solubilización es discutible aún, y depende de muchos factores tanto químicos, físicos y biológicos (Figura 4). Son importantes en este sentido los estudios que buscan caracterizar metabólicamente los microorganismos utilizados en biomineria, así como describir y caracterizar la funcionalidad de las proteínas involucradas en estos procesos. Recientemente muchas de estas proteínas han sido descriptas, así como su localización celular; remitimos al lector a la literatura especializada en estos aspectos más relacionados a la genética molecular de algunas de estas bacterias [13].
Figura 4.
Biolixiviación de cobre por A.
ferrooxidans (Esquema modificado de Valdés et al., 2008 [19]).
Si bien es cierto que las reacciones de solubilización suceden sin problemas
en condiciones normales, existen algunos factores que afectan negativamente
la cinética en el proceso. Uno de aquellos factores es la pasivación. La
pasivación es la formación de una película relativamente inerte sobre la
superficie de un material (frecuentemente un metal), que lo enmascara o
protege de la acción de agentes externos. Es así como en el ataque y
oxidación de azufre en la calcopirita pasa por una fase de S0
(vía del polisulfuro), sin embargo la cinética de oxidación de S0
a SO4-
es muy lenta, entonces la concentración de S0
se incrementa en la superficie del mineral, formando una capa
pasivante sobre ella, evitando el ataque del ion férrico y la adherencia de
los microorganismos sobre el mineral. En la lixiviación química este
problema es latente, y de difícil solución, ya que la re-disolución de esta
capa pasivante es muy difícil; en cierta medida la utilización de
microorganismos puede contrarrestar la formación de la capa pasivante, pero
solo hasta un cierto punto. Esta es la principal razón por lo que muchas
veces se consiguen tan bajas recuperaciones de cobre (25-45%) a partir de
minerales en la industria minera.
Otro problema es la formación de jarosita en el sistema, la jarosita son
complejos básicos de hierro, que pueden también pasivar al mineral y además
precipitar. La formación de jarosita ejerce inhibición sobre los
microorganismos, ocasionando también, bajos rendimientos en el proceso.
Estos eventos son catastróficos en la industria minera, dado que inutilizan
de manera permanente pilas de lixiviación con mineral aún por lixiviar; la
aplicación de la biohidrometalurgía está contribuyendo a contrarrestar el
problema, pero se está aún muy lejos de solucionarlo.
¿Cómo
fue el paso del laboratorio a la aplicación industrial?
Desde la década del 1950 a 1980 se había realizado estudios a un nivel
multidisciplinario en laboratorio y a escala piloto que permitió conocer la
base teórica para su pronta aplicación industrial. Esta situación ocurrió
por primera vez en Chile. La primera aplicación industrial fue en la década
del 1980, cuando la mina Lo Aguirre, ubicada a 30 Km de Santiago de Chile,
se vio frente a un problema en su yacimiento de cobre. El yacimiento
presentaba una mineralogía muy compleja, tenía una alta proporción de
sulfuros y de óxidos de cobre. Además los sulfuros eran de baja ley,
entonces la lixiviación utilizando los métodos convencionales no era
rentable [14].
En la década de 1980 se extraía el cobre en gran proporción de minerales
oxidados, dado que los óxidos son muy fáciles de atacar (y entonces liberar
el cobre), en contraste con los sulfuros que son muy difíciles de
solubilizar y se debe realizar mediante el ataque de un agente corrosivo (Fe3+).
La empresa minera se enfrentó a la decisión de solubilizar el cobre de su
mineral con ácido, proceso que podría prolongarse por un largo periodo,
además de ocasionar pérdidas para la mina o utilizar una tecnología
alternativa. La elección fue la biolixiviación en pilas. La operación fue
exitosa y se prolongó desde 1980-2001, año en que se agotó el mineral y la
mina cerro. La producción de cobre de esta mina fue de 15.000 toneladas/año,
a partir de un mineral de una ley de 1,5%; todo el cobre fue recuperado
netamente por este proceso biotecnológico
[15].
Tras el éxito, esta tecnología fue aplicada a otras mineras. La industria
minera del cobre la está tomando porque también la ley del cobre a nivel
mundial ha ido decreciendo razón por la que se busca nuevas tecnologías
rentables para su extracción (Figura 5), en la actualidad la tecnología
mediada por microorganismos es las más exitosa.
Figura 5.
Tendencia de la ley del cobre en minerales procesadas en la industria
minera. (Figura modificada de
http://www.oracleminingcorp.com/copper/)
Algunas experiencias industriales
En la industria minera se ha realizado hasta el momento dos tipos de
procesos industriales utilizando los microorganismos descriptos, uno
es la biolixiviación y otra la bio-oxidación de minerales. Mientras que la
biolixiviación es el proceso en el cual se solubiliza el metal, la
bio-oxidación es un pre-tratamiento realizado a minerales que presentan el
metal encapsulado, como es el caso del oro. El oro usualmente se encuentra
encapsulado en un mineral de arsenopirita (FeAsS), en este caso los
microorganismos solubilizan la arsenopirita con el fin de dejar libre al
oro, el oro luego es lixiviado por cianuración, este proceso también se
realiza para la extracción de la plata, uranio, etc.
A nivel industrial los dos procesos han sido implementados. La
biolixiviación se aplica en pilas de lixiviación, donde el mineral ha sido
previamente triturado, y mediante la recirculación de una solución
lixiviante enriquecida con microorganismos biolixiviantes (consorcios
microbianas con capacidad hierro y azufre oxidante) es percolada en la pila.
Esta solución percolante sirve como dispersor de las bacterias en la pila,
para acelerar el ataque y a la vez arrastra el metal solubilizado. El metal
de interés puede recuperarse por otros métodos a partir de la solución
percolante. En pilas de lixiviación se obtienen recuperaciones relativamente
bajas (25-45%), pero exitosas en comparación con el proceso químico. La baja
recuperación puede deberse a que el proceso no es controlado, ya que se
realiza al aire libre [16].
El proceso de bio-oxidación también ha sido llevado a la industria, este
proceso se realiza en condiciones más controladas (reactores agitados),
permitiéndole una mayor eficiencia en la recuperación del proceso. Se han
obtenido recuperaciones hasta del 90% de oro, en un corto periodo de tiempo.
La razón principal del porque uno se procesa en pilas y otro en reactores es
porque el mayor costo de extracción de oro se contrarresta con las altas
ganancias obtenidas por la venta de este metal noble
Una particularidad que existe en esta tecnología, son las condiciones del
proceso, condiciones que presentan altas concentración de metales y
operaciones tan agresivas que los microorganismos pueden ser inhibidos
fácilmente. Por ello la actividad microbiana depende exclusivamente de la
composición mineralógica del sistema y ambientales donde se realiza el
proceso, por esta razón en general los microorganismos que se utilizan son
consorcios microbianos nativos, ya que se encuentran adaptados a estos
sistemas particulares.
Se ha observado en algunos casos que consorcios microbianos aislados, que
presentan una excelente capacidad biolixiviante de una mina con una
composición mineralógica definida, se han inhibido completamente cuando se
han aplicado en un yacimiento donde la composición mineralógica es
diferente. Esto puede deberse a que el yacimiento al que fue inoculado
presentaba una alta concentración de algún metal tóxico para el consorcio en
particular. Es por ello la importancia de utilizar consorcios nativos en un
sistema.
Podría decirse que un gran porcentaje de las puestas en marcha de procesos
industriales en la minería del cobre y otros metales se ha realizado
inoculando consorcios nativos. Sin embargo en el último año (2013) se ha
presentado un nuevo sistema de biolixiviación para la recuperación de cobre,
que se basa en la inoculación continua de consorcios mejorados; este proceso
ha sido realizado por la empresa estatal chilena BIOSIGMA que según los
primeros reportes indican que lograron incrementar la extracción de cobre de
20 a 35% en comparación del método convencional
[17].
El laboratorio de Biosensores y Bioanalísis (LABB), perteneciente al
Departamento de Química Biológica y al CONICET-IQUIBICEN (en Facultad de
Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires), ha iniciado
recientemente trabajos en este campo de desarrollo tecnológico.
Específicamente, el laboratorio está interesado en el diseño y desarrollo de
biosensores, bioensayos y/o otros métodos analíticos que permitan monitorear
y optimizar los procesos biomineros. En los últimos meses se ha desarrollado
un sensor amperométrico de especiación y cuantificación de hierro que puede
ser utilizado en las duras condiciones de los establecimientos mineros, y
que puede realizar cuantificaciones de forma continua. Este sensor podría
monitorear los procesos de biolixiviación, bio-oxidación, además de
monitorear la solubilización de hierro a partir de los minerales. También se
está trabajando en el desarrollo de sensores en que se puedan medir la
capacidad bio-oxidante de hierro y azufre de microorganismos y también su
capacidad biolixiviante.
El desarrollo de biosensores puede permitir monitorear el proceso
respondiendo rápidamente a sucesos o fenómenos poco habituales o inesperados
para un tipo de mineral o proceso, que pueden disminuir su velocidad de
solubilización. Actualmente el monitoreo de los procesos es muy deficiente,
dado que un análisis de hierro, azufre, cuantificación bacteriana y
actividad microbiana puede durar de días a semanas, ya que las muestras
deben ser trasladadas a un laboratorio equipado. Con el desarrollo de
biosensores, se prevé que estos tiempos se reduzcan para hacer más eficiente
el proceso, y lo más importante, que los análisis se puedan realizar in
situ. Nuestro laboratorio ha
tenido la fortuna de poder comenzar a compartir estos trabajos con el grupo
de mayor experiencia en biomineria en la región, dirigido por el Dr. Edgardo
Donati, quien también es director del CINDEFI (CONICET) y profesor de la
Universidad Nacional de la Plata. Esta asociación permitirá no solo la
producción de conocimiento científico nuevo y relevante, sino incursionar en
áreas de gran potencial tecnológico, áreas que se revelan en la interfase de
las especialidades de estos dos grupos.
El sensor de hierro que desarrollamos y que se encuentra en etapa de patentamiento [18] puede realizar la especiación y cuantificación de una muestra en 1 min. (Figura 6), mientras que el método colorimétrico convencional mínimamente necesita entre 20-30 minutos para realizar la cuantificación, entre otras ventajas.
Figura 6.
Cuantificación de una cinética de oxidación de hierro por A. ferrooxidans
medido por el sensor de hierro desarrollado por nuestro laboratorio y
el método convencional. A la izquierda se muestra un cultivo en medio 9K de A.
ferrooxidans a t=0 y luego de
101 horas de incubación. A la derecha, cuantificación de ion ferroso (●,○)
y férrico (■ , □) con el sensor electroquímico (●, ■ ) y el método
convencional colorimétrico (○, □).
En la actualidad el 20% del cobre producido en Chile es obtenido por
biolixiviación y se prevé que se incremente en un futuro. La
investigación y desarrollo en esta tecnología es muy importante, dado que
permite la extracción de manera económica de metales valiosos a partir de
minerales de muy baja ley, que no podrían ser explotados comercialmente de
otra manera. El método no utiliza reactivos peligrosos, por lo que se puede
considerar que es un tipo de minería poco contaminante, dado que el agua se
recicla y no se producen compuestos tóxicos volátiles. Aunque la biolixiviación se
encuentra en la actualidad aplicada industrialmente, aún hay muchos factores
o etapas del proceso que no están bien descriptos, y es necesaria la
investigación interdisciplinaria para poder optimizar el proceso, de manera
de evitar la pasivación de los minerales, y lograr una rápida, eficiente y
completa extracción de los metales de interés. Finalmente,
aunque se trate de un proceso lento, en comparación con la pirometalurgia y
la hidrometalurgia, es menos costoso, más eficaz, más fácil de controlar y
afecta en menor medida al medio ambiente.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer a la Dra. Carmen Sánchez de Rivas por sus
sugerencias, que sin duda mejoraron la calidad de este artículo.
Referencias:
1. Colmer AR, Hinkle ME (1947)
The role of microorganisms in acid mine drainage: a preliminary report. Science 06:253-256.
2. Waksman SA, Starkey RL (1922)
On the growth and respiration of sulfur oxidizing bacteria. The
Journal of General Physiology 5:285-310.
3. Bryner LC, Beck JV, Davis DB, Wilson DG (1954)
Microorganisms in leaching sulfide minerals.
Industrial & Engineering Chemistry Research
46:2587-2592.
4. Costerton JW, Lewandowski Z, Caldwell DE, Korber DR, Lappin-Scott HM (1995)
Microbial biofilms. Annual
Review of Microbiology 49:711-745.
5.O’Toole G, Kaplan HB, Kolte R (2000)
Biofilm formation as microbial development. Annual
Review of Microbiology 54:49-79.
6. Sand
W,
Gehrke T, Jozsa P,
Schippers A
(2001) (Bio)chemistry of bacterial leaching—direct vs. indirect bioleaching. Hydrometallurgy 59:159–175.
7. Tributsch H (2001)
Direct versus indirect bioleaching. Hidrometallurgy 59:177–185.
8. Ruiz LM, Valenzuela S, Castro M, Gonzalez A, Frezza M, Soulère L,
Rohwerder T, Queneau Y, Doutheau A, Sand W, Jerez C, Guiliani N (2008)
AHL communication is a widespread phenomenon in biomining bacteria and seems
to be involved in mineral-adhesion efficiency. Hydrometallurgy 94:133–137.
9. Rivas M, Seeger M, Holmes D, Jedlicki E (2005)
A lux-like quorum sensing system in the extreme acidophile Acidithiobacillus
ferrooxidans. Journal of
Biological Research38:283-297.
10.Sand W, Gehrke T (2006)
Extracellular polymeric substances mediate bioleaching/biocorrosion via
interfacial processes involving iron(III) ions and acidophilic bacteria.
Research in Microbiology 157:49-56.
11. Ballester A
(2005) Mecanismos de biolixiviación. En: Acevedo F, Gentina JC (Editores).
Fundamentos y perspectivas de las tecnologías biomineras pp. 25-43.
12. Blight K, Ralph DE, Thurgate S (2000)
Pyrite surfaces after bio-leaching: a mechanism for bio-oxidation
Hydrometallurgy 58:227-237.
13. Yin H, Zhang X, Li X, He Z, Liang Y, Guo X, Hu Q, Xiao Y, Cong J, Ma L,
Niu J, Liu X (2014)
Whole-genome sequencing reveals novel insights into sulfur oxidation in the
extremophile Acidithiobacillus
thiooxidans. BMC
Microbiology 14:179-192.
14. Bustos S, Castro S, Montealegre R (1993)
The Sociedad Minera Pudahuel bacterial thin-layer leaching process at Lo
Aguirre. FEMS Microbiology
Reviews 11:231-236.
15. Gentina JC, Acevedo F (2013)
Application of bioleaching to copper mining in Chile. Electronic
Journal of Biotechnology 16:1-13.
http://www.oracleminingcorp.com/copper/. Ultima vez consultado,
13/10/2014.
16. Donati E, Sand W (2007)
Microbial Processing of metal sulfides, Springer, USA.
17. Parada P, Morales P, Collao
R, Bobadilla
R, Badilla
R
(2013) Biomass production and
inoculation of industrial bioleaching processes.
Advanced Materials Research
825:296-300.
18. Oficina de propiedad intelectual del CONICET (2014)
Evaluando la solicitud de patente denominada: “Sensor electroquímico para la
especiación química y cuantificación de hierro aplicados a procesos
bio-hidrometalúrgicos y otros”.
19. Valdés J, Pedroso I, Quatrini R, Dodson R, Tettelin H, Blake R, Eisen J,
Holmes D (2008) Acidithiobacillus
ferrooxidans metabolism: From
genome sequence to industrial applications. BMC
Genomics 9:597.
E.Cortón es Investigador de CONICET. A. Saavedra es Becario de CONICET
|
Revista QuímicaViva Número 3, año 13, Abril 2014 quimicaviva@qb.fcen.uba.ar |
