Por Edgardo Donati

CINDEFI (UNLP-CONICET), Facultad de Ciencias Exactas,

Calle 50 entre 115 y 116, (1900) La Plata, Argentina

TE/FAX: 0221-4833794. E-mail: Esta dirección electrónica esta protegida contra spambots. Es necesario activar Javascript para visualizarla

Introducción

Desde tiempos remotos, los microorganismos han desempeñado un papel relevante en diferentes procesos de interés para la humanidad, desde su intermediación en la producción de alimentos y bebidas hasta su participación en las enfermedades infecciosas, aunque sólo en los últimos 150 años la ciencia ha permitido comprender, al menos parcialmente, la naturaleza de la acción microbiana. Obviamente, tampoco la minería es completamente ajena a la intervención de microorganismos aunque sólo en el último medio siglo y a partir del aislamiento de una bacteria en una explotación minera (específicamente en las minas de Río Tinto, Huelva, España), se ha comprendido la importancia de su participación. Actualmente, el reconocimiento de dicha participación ha originado una nueva especialidad denominada biominería que describe esencialmente a la tecnología de explotación de minerales utilizando la acción de microorganismos.

Bajo el término biominería se enmarcan diferentes procesos de la explotación de los minerales abarcando desde la concentración de las especies de interés (a través de la bioflotación), de la recuperación de los elementos presentes en ellas o facilitando su recuperación (biolixiviación y biooxidación respectivamente) hasta su acción en tareas de remediación ambiental (biorremediación).

Biolixiviación

Se denomina así al proceso de catálisis, directo o indirecto, que producen ciertos microorganismos sobre el proceso de solubilización de algunos componentes de una matriz insoluble, tal cual es el caso de un mineral. El término es suficientemente amplio para incluir un amplio espectro de especies que pudieran recuperarse aunque es sin dudas la recuperación de metales a partir de minerales sulfurados de baja ley, el proceso que se asocia inequívocamente al término biolixiviación. Este proceso consiste básicamente en la transformación de sulfuros insolubles en sulfatos solubles y queda expresado a través de la siguiente ecuación:

En la actualidad se sabe que este proceso puede ser catalizado por un elevado número de microorganismos entre los cuales se encuentran levaduras, hongos y bacterias pero son ciertos géneros de estas últimas las más eficientes. Por esa razón, suelen utilizarse como sinónimos los términos biolixiviación y lixiviación bacteriana aunque el último sólo se refiere a la catálisis producido por bacterias.

La lixiviación bacteriana es un proceso que ocurre naturalmente ya que las bacterias involucradas se encuentran fundamentalmente asociadas a los minerales sulfurados. Es así que, previamente al descubrimiento de dichas bacterias, existen fuertes indicios de su participación en procesos hidrometalúrgicos para la explotación de sulfuros. En 1947, se aisló la primera bacteria de clara participación en la disolución de sulfuros; dicho microorganismo recibe el nombre actual de Acidithiobacillus ferrooxidans (A. ferrooxidans). Actualmente se sabe que participan una variedad de microorganismos de los cuales los más importantes son las de especies acidófilas capaces de oxidar azufre y/o hierro; entre ellos se destacan las bacterias pertenecientes al género Acidithiobacillus y al Leptospirillum. Más recientemente se ha comprobado que también existe una rica variedad de otros microorganismos, tanto dentro del dominio de las bacterias como del de las arqueas.

Estos microorganismos acidófilos, ya que son activos a pH por debajo de 3, han sido clasificados utilizando un variado número de criterios tales como temperatura (mesófilos, termófilos moderados y termófilos), pH óptimo y también sobre la base del modo de adquisición de carbono: autótrofos (asimilan directamente CO2), heterótrofos (utilizan fuentes orgánicas de carbono) y mixótrofos que usan ambos. En general, los microorganismos incluidos dentro de las arqueas resultan extremófilos en términos de temperatura respecto de las bacterias.

Dentro de la especie Acidithiobacillus, además de A. ferrooxidans, se encuentran A. thiooxidans y A. caldus. A. ferrooxidans (figura 1), como su nombre lo indica, es un bacilo de aproximadamente 1 x 0,4 micrones, capaz de obtener energía de la catálisis oxidativa de hierro(II) y de compuestos reducidos de azufre, mesófilo (su temperatura óptima de crecimiento es 30-35 oC) y aeróbico (utiliza oxígeno como último aceptor de electrones. Esta bacteria es autótrofa aunque también es capaz de crecer sobre ácido fórmico; usa hierro(II) y toda una variedad de compuestos reducidos de azufre como dadores de electrones siendo el oxígeno generalmente el aceptor final de dichos electrones aunque ha sido documentada su capacidad para utilizar hierro(III) como alternativa al oxígeno bajo condiciones anaeróbicas y también por debajo de pH 1,3 donde el mecanismo enzimático de oxidación de hierro(II) está inhibido. Hasta hace relativamente poco tiempo, esta bacteria era considerada la de mayor actividad en procesos de biolixiviación que ocurrían por debajo de 40 C; sin embargo, se ha comprobado que su desarrollo no está favorecido en condiciones de alto potencial redox (elevadas relaciones de hierro(III)/hierro(II)). A. thiooxidans es similar a At. ferrooxidans, salvo que no es capaz de crecer sobre hierro(II) y sobre algunos sulfuros insolubles y además el rango de pH en el que puede crecer es más amplio (0,5-5,0). Suele ser el microorganismo dominante en operaciones mineras a temperaturas moderadas cuando la concentración de sulfatos es muy grande y el pH muy bajo. Su similitud en ADN con At. ferrooxidans es el orden de 20 % o menos. A. caldus es absolutamente semejante a A. thiooxidans salvo que su temperatura óptima de crecimiento es del orden de 45 C. Muchas de las cepas de esta bacteria (a diferencia de A. thiooxidans) son capaces de crecer mixotróficamente en presencia de levadura o glucosa. En la figura 2 pueden observarse células de A. thiooxidans adheridas sobre azufre.

Leptospirillum incluye bacterias altamente tolerantes al ácido, gram-negativas y quimilitoautotróficas. A diferencia de los Acidithiobacillus que son miembros de las Proteobacterias, los Leptospirillum pertenecen a la división Nitrospira. Sólo son capaces de utilizar hierro(II) como fuente de energía, siendo menos inhibidos que A. ferrooxidans por elevadas concentraciones de hierro(III). Suele ser dominante en muchas operaciones mineras en combinación con A. caldus o A. thiooxidans. Recientemente varias especies de Leptospirillum han podido ser diferenciadas: L. ferrooxidans (figura 3), L. thermoferrooxidans (que crecería a 45 C por lo menos), L. ferriphilum (también capaz de crecer a 45 C) y una cuarta especie detectada por secuencia de 16S rRNA pero no aislada aún en el laboratorio. Otros investigadores han podido diferenciar 5 subgrupos diferentes por DGGE para bacterias que aparentemente están comprendidos en el género Leptospirillum.

Figura 1. Células de At. ferrooxidans

Figura 2. Células de At. thiooxidans adheridos sobre azufre

Figura 3. Células de L. ferrooxidans

Dentro de los microorganismos capaces de crecer a temperaturas mayores, se encuentran los Sulfobacillus que son moderados termófilos (40-60 C), gram-positivos y con capacidad de formar endosporas. Pueden crecer autotróficamente (usando hierro(II) y compuestos reducidos de azufre) o heterotróficamente. Su capacidad de fijar CO2 es baja por lo que necesitan altas cantidades de CO2 en la atmósfera, pequeñas cantidades de extracto de levadura o el crecimiento asociado a bacterias heterotróficas hierro-oxidantes como Acidimicrobium ferrooxidans. Pueden crecer en ausencia de oxígeno, utilizando hierro(III) como aceptor final de electrones y diferentes compuestos inorgánicos (de azufre) y orgánicos como dadores. Las dos especies caracterizadas son Sulfobacillus thermosulfidooxidans (activo en la oxidación de hierro y minerales sulfurados) y Sulfobacillus acidophilus que es mas activo en la oxidación de azufre.

Dentro de las arqueas, suelen encontrarse los microorganismos del género Ferroplasma; son pleomórficas y no tienen paredes celulares. Ferroplasma acidiphilum oxida hierro pero no azufre y es aeróbica obligada. Es mesófila y su pH óptimo es 1,7. Ferroplasma acidarmanus es similar pero mixotrófica.

Una especie muy importante de Sulfolobus es Sulfolobus metallicus, arqueas capaces de oxidar hierro(II), compuestos reducidos de azufre y sulfuros metálicos. Esta especie es altamente capaz de oxidar compuestos como calcopirita y arsenopirita en aire enriquecido con CO2. Otro grupo de arqueas importantes son las Metallosphaera que son hierro ya azufre oxidantes pero que son también capaces de crecer sobre compuestos orgánicos complejos como extracto de levadura pero no sobre azúcares. Metallosphera sedula es la más conocida que crece a pH entre 1,0 y 4,5 y a temperaturas entre 80 y 85 C y que es la más eficiente para lixiviar minerales refractarios de calcopirita a altas temperaturas. Un último grupo de arqueas, aparentemente menos importante en la biolixiviación que Sulfolobus o Metallosphaera, es Acidianus. Acidianus brierleyi puede crecer autotróficamente oxidando hierro(II) o azufre y también heterotróficamente sobre compuestos orgánicos complejos. Su temperatura óptima es 70 C. Acidianus infernus y Acidianus ambivalens son quimiolitótrofos que pueden crecer aeróbica o anaeróbicamente por la oxidación o reducción de compuestos inorgánicos de azufre. Para el primero, 90 C es la temperatura óptima de crecimiento a un pH de 2.

Durante mucho tiempo, se planteó un serio debate sobre los mecanismos mediante los cuales los microorganismos participaban en la lixiviación de minerales sulfurados. Históricamente se dividieron estos mecanismos en directos (donde se planteaba un ataque enzimático directo de los microorganismos sobre los sulfuros) e indirectos (donde la disolución de los minerales se producía por acción de hierro(III) que era generado en forma cíclica por acción bacteriana). Actualmente se distinguen mecanismos de contacto y de no contacto. En el primero, los microorganismos hierro oxidantes están adheridos a la superficie a través de una capa de exopolímeros (EPS) dentro de la cual encontramos hierro completado el cual es oxidado por la bacteria y reducido por acción sobre el sulfuro.

En el mecanismo de contacto, las bacterias azufre oxidantes son capaces de consumir el azufre y otros intermediarios de azufre producidos en el proceso de ataque del hierro(III) sobre el mineral. En el mecanismo de no contacto, la extracción de electrones del mineral se produce por el ataque del hierro(III) sobre sulfuros insolubles en ácido o por el ataque de hierro(III) y protones sobre los sulfuros solubles en ácido. Estos últimos dos mecanismos son denominados “mecanismo vía tiosulfato” y “mecanismo vía polisulfuro”. Estos mecanismos actúan de acuerdo a la capacidad de los sulfuros de ser disueltos por ácidos lo cual está vinculado con las bandas de valencia de las cuales pueden ser extraídos los electrones durante el ataque. Aquellos sulfuros que sólo pueden ceder electrones desde bandas de valencia del metal (sin afectar, en principio, el enlace azufre-metal) son denominados no solubles en ácido y en ellos actúa el mecanismo vía tiosulfato (entre ellos, encontramos la pirita FeS2, molibdenita MoS2 y tungstenita WS2). Estos sulfuros no dan azufre como principal producto en la oxidación sino tiosulfato que es el primer intermediario liberado por el sulfuro luego de seis pasos sucesivos de oxidación. Luego el tiosulfato es oxidado vía tetrationato y otros politionatos hasta sulfato (si no hay bacterias azufre oxidantes, durante este proceso puede producirse azufre). Este mecanismo (vía tiosulfato) sólo puede ser producido por las bacterias hierro-oxidantes.

El segundo mecanismo (vía polisulfuro) es importante para los sulfuros “solubles en ácido”, como ZnS, PbS, CuFeS2, CuS, FeAsS entre otros. En ellos el ataque de hierro(III) o protones produce la transferencia de electrones desde el sulfuro provocando la ruptura de la unión entre el azufre y el metal. Durante este proceso, la mayor parte del sulfuro es oxidado a azufre elemental el que puede ser posteriormente oxidado por las células azufre-oxidantes.

La biolixiviación es usada a escala industrial para el tratamiento de minerales de baja ley que generalmente contienen metales en concentraciones menores al 0,5 % p/p. A escala comercial sólo se está aplicando a la recuperación de cobre aunque existen ya aplicaciones a escala piloto para níquel, cobalto y cinc. En general, los tres procedimientos más importantes son: lixiviación “dump”, lixiviación “heap” o irrigación “in situ”. La posibilidad de aplicar procesos en tanques agitados para la extracción de cobre a partir de concentrados está en una fase avanzada de desarrollo aunque todavía no es económicamente rentable.

La lixiviación “dump” consiste en mineral apilado sin demasiado regularidad en tamaño de partícula o forma de la pila y posteriormente sometido a ciclos de irrigación; la solución es recolectada en la parte inferior de la pila y dirigida a plantas de recuperación de cobre (extracción por solventes o electrorecuperación). La lixiviación “heap” es muy similar a la anterior salvo por su diseño más cuidadoso. El mineral es triturado, acidificado con ácido sulfúrico y aglomerado para unir partículas finas. Las pilas son de 2 a 10 m de altura y se montan sobre una base de polietileno de alta densidad para evitar la perdida de solución. Algunos aireadores se intercalan durante la construcción para garantizar la entrada de aire en las pilas. Durante el proceso de irrigación, pueden agregarse algunos nutrientes como fosfatos y amonio. La cuidadosa construcción de la pila permite una mayor eficiencia que la lixiviación “dump”.

Existen muchas aplicaciones comerciales de esta metodología para la recuperación de cobre en el mundo: USA, Chile, México, etc. Solamente en Chile, el mayor productor y exportador mundial, aproximadamente el 30 % del cobre se recupera por biolixiviación. Entre otras, Quebrada Blanca, Zaldívar y Cerro Colorado recuperan parte del cobre que producen por biolixiviación “heap” mientras que Chuquicamata y Los Bronces entre otros, lo hacen por biolixiviación “dump”. En la figura 4 se observa la explotación de Quebrada Blanca en Chile.

Figura 4. Lixiviación bacteriana

Algunos procesos de biolixiviación se realizan mediante irrigación “in situ”; entre ellos, pueden mencionarse San Manuel (Arizona ) y Gunpowder’s Mammoth mine (Australia). En este caso, se aprovechan fracturas y rajaduras naturales en el cuerpo del mineral o, si es necesario, se realizan fracturas mediante explosiones controladas, y luego se irriga el mineral; la solución cae por gravedad y luego es bombeada para la recuperación del metal. Esta metodología ha sido utilizada también para la recuperación de uranio.

Biooxidación

El oro suele encontrarse en forma metálica asociado a minerales sulfurados o arsenosulfurados. La extracción del oro se realiza por el proceso de cianuración (oxidación y complejación del oro con cianuro en medio alcalino). Cuando el tamaño de partícula del oro en la matriz es demasiado pequeño (generalmente menor a 60 micrones), antes del proceso de cianuración debe realizarse un pre-tratamiento que libere parcialmente al oro. En caso contrario, la cianuración sólo permite recuperar una parte pequeña del oro y los consumos de cianuro son demasiado elevados. Una de las alternativas para el pre-tratamiento es precisamente el uso de las bacterias descriptas en la sección anterior y que pueden destruir parcial o totalmente la matriz en la cual está retenido el oro permitiendo que el acceso de cianuro y la extracción casi total del oro a partir del mineral.

Esta variante al proceso de biolixiviación se denomina biooxidación; el término es aplicado cuando el elemento a recuperar no puede ser solubilizado por los microorganismos pero su presencia beneficia la recuperación del mismo, a través de la degradación de la matriz mineral en la que está ocluido el elemento de interés. Si bien las mayores aplicaciones de esta metodología son para minerales de oro, potencialmente es aplicable a plata (cuando se encuentra nativa e incluso como sulfuro) y posiblemente al molibdeno (cuando se encuentra bajo la forma de sulfuros como la molibdenita que es muy refractario al ataque bacteriano).

Debido precisamente a los valores de los metales que pueden ser recuperados por biooxidación, esta metodología puede realizarse en tanques agitados en lugar de pilas o bateas. El uso de tanques agitados altamente aireados aumenta sustancialmente la eficacia y la velocidad del proceso de biooxidación. Habitualmente estos biorreactores funcionan en serie y en modo continuo, siendo alimentado permanentemente el primer reactor (o más de uno en una variante que implica el uso de tanques en paralelo en el primer paso para dar suficiente tiempo de retención y que las bacterias alcancen altos niveles que impidan su lavado). El mineral es alimentado suspendido en agua y con pequeñas cantidades de amonio y fosfato adicionadas. La biooxidación es exotérmica por lo que debe removerse el exceso de calor o dejar que comiencen a prevalecer las comunidades bacterianas termófilas. A través del agregado de aire el mineral se mantiene en suspensión. El tratamiento en tanques casi está limitado al pretratamiento de concentrados refractarios de arsenopirita para la recuperación posterior de oro. Muchas de las plantas de biooxidación fueron construidas por Gencor y operan a 40 C aunque las construidas por BacTech en Australia operan a 50 C. Existen muchas plantas en la actualidad en Australia, Brasil, Sudáfrica y Perú entre otras, aunque probablemente la planta de Sansu en Ghana es la más grande procesando a través de 24 tanques de un millón de litros de capacidad, hasta 1000 toneladas diarias de concentrados (figura 5). El proceso de lixiviación por tanques agitados se aplica a escala industrial para la recuperación de cobalto en Uganda y ya existe una planta piloto para la recuperación de níquel en Sudáfrica. Hay ya un elevado grado de avance para utilizar esta metodología en forma rentable para la recuperación de cobre a partir de calcopirita pero operando a temperaturas mayores a 75 C.

Figura 5. Lixiviación bacteriana en tanques agitados.

Conclusiones

La lixiviación bacteriana de sulfuros metálicos a partir de minerales sulfurados de baja ley ya es un proceso rentable para la recuperación de ciertos metales y aparece como una metodología potencialmente rentable para la recuperación de otros. Presenta varias ventajas respecto de los procesos tradicionales como la pirometalurgia fundamentalmente desde el punto de vista económico y ambiental por sus menores requerimientos energéticos y por no generar emisiones gaseosas contaminantes, en particular, de SO2. Una variante del proceso que implica el uso de microorganismos en el pre-tratamiento de minerales refractarios de oro, se ha comenzado a aplicar en forma masiva en el mundo. Si bien este último no evita el uso de cianuro, es un proceso menos contaminante que otros procesos de pre-tratamiento como la tostación o la oxidación a altas presiones, y además, disminuye sustancialmente el consumo de cianuro al eliminar otros metales que pueden complejarse durante el proceso. Ambas metodologías son potencialmente aplicables a muchas explotaciones mineras de nuestro país.

Referencias

- Acevedo F. Present and future of bioleaching in developing countries. Electronic Journal of Biotechnology 5, 196-199, 2002.

- Falco L., Pogliani C., Curutchet G. and Donati E. A comparison of bioleaching of covellite using pure cultures of Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans or a mixed culture of Leptospirillum ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans. Hydrometallurgy 71, 31-36, 2003.

- Rohwerder T., Gehrke T., Kinsler K. and Sand W. (2003) Bioleaching review part A: Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63, 239-248, 2003

- Suzuki I. Microbial leaching of metals from sulfide minerals. Biotechnol. Adv. 19, 119-132, 2001