5. resultados · con base en observaciones de secciones pulidas al microscopio óptico de luz plana...

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5. RESULTADOS

5.1. Caracterización inicial del mineral

5.1.1. Arsenopirita (FeAsS)

En la figura 8 se observa el análisis petrográfico mediante microscopía óptica de luz reflejada del

concentrado de arsenopirita obtenido. Se pudo observar que los cristales de arsenopirita presentan

finas inclusiones de pirita y pirrotita incluidas dentro del grano y en ninguno de los casos

observados rellenando fracturas; también se observaron pequeñas inclusiones y granos individuales

de minerales de la ganga. Los granos de arsenopirita se observaron totalmente angulosos e

irregulares, con formas romboedrales, diámetros máximos entre 1000 a 2000 m y mínimos

menores de que 10 m. Se observaron algunas veces fragmentos de minerales de la ganga con

inclusiones de arsenopirita, no expuestos o parcialmente expuestos. También fueron eventualmente

observados cristales de pirrotita incluidos en la arsenopirita.

El grado de liberación de la arsenopirita es bastante alto (>90%), evidenciado por la observación

predominante de granos mono-mineralicos. Como una característica importante se puede anotar

que la observación al óptico no mostró la presencia de granos de oro libres o como inclusiones en

los sulfuros presentes en el concentrado o en la ganga.

Con base en observaciones de secciones pulidas al microscopio óptico de luz plana polarizada,

modo luz reflejada, método de conteo de puntos norma ASTM D 2799, se constato que las fases

minerales predominantes, luego del proceso de concentración gravimétrica, son arsenopirita

(>90%), pirita (3%), y cuarzo.

Figura 8. Imágenes de microscopía óptica de luz plana polarizada, modo luz reflejada (MOLPP/LR), para granos individuales de

arsenopirita (Aspy) con pequeñas inclusiones y fases acompañantes. (A) cristal euhedral de arsenopirita con pequeñas inclusiones de

pirita (Py) y una textura porosa. (B) cristal subedral de arsenopirita con inclusiones de pirrotita (Po) al borde del grano. (C) cristal

anedral de arsenopirita, con una textura fracturada y algo porosa y pequeñas inclusiones de minerales de la ganga. (D) cristal de

arsenopirita euedral de forma romboedral y pequeñas inclusiones de pirita en forma de gotículas. (E) cristal euedral de arsenopirita

con inclusiones de pirita ~ 80 m. (F) cristal subedral de arsenopirita muy fracturado.

A

E

B

F

Ganga

D

C

Fracturas

Poros

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Figura 9. Imágenes de SEM/EDS, modo de electrones retro proyectados (BEC) para granos individuales de arsenopirita (Aspy) con

pequeñas inclusiones y fases acompañantes. (A) cristal euhedral de Aspy, acompañado de su análisis microquímico, donde se

observa una textura porosa, bordes definidos y perfilados. (B) cristal subedral de Aspy, donde se observa su topografía accidentada

(fracturas y poros a través de todo el grano). (C) cristal de Aspy, con pequeñas inclusiones de pirrotita y monacita (Moc) (en

análisis microquímico de esta imagen es realizado sobre el grano de monacita). (D) cristal de Aspy euedral con pequeñas

inclusiones de pirita en forma de gotículas (el análisis microquímico es para el grano de pirita). (E) cristal euedral de arsenopirita

con níquel y cobalto, como se observa en el espectro de EDS, en solución sólida. (F) cristales de Aspy muy fracturado y más

inclusiones de monacita.

De acuerdo a los análisis microquímicos realizados con SEM/EDX, figura 9, las proporciones de

hierro y arsénico, en promedio, en la arsenopirita varían entre 36 y 30% atómico. Los granos de

arsenopirita muestran pequeñas inclusiones de piritas (FeS2), pirrotitas (Fe1-xS), rutilos (TiO2) y

monacitas ((Ce,La,Y,Th)PO4). Los granos del mineral incorporan hasta 2% y 4% atómico de

níquel y cobalto, respectivamente; aunque las proporciones de estos elementos en solución sólida

son bajos, éstos también podrían lixiviarse durante el proceso de disolución del concentrado. Con

base en los análisis microquímicos realizados al concentrado y realizando un recálculo en términos

de las proporciones atómicas se calculó que la cantidad de arsénico presente en solución para un

100% de biooxidación sería de aproximadamente 36.44g/L.

Difractogramas de rayos-X de las muestras molidas a pasante malla Tyler 200 y 325 como material

de partida para el proceso de biooxidación fueron identificados como minerales principales

arsenopirita monoclínica, pirrotita hexagonal y pirita cubica, siendo la arsenopirita la fase cristalina

predominante en ambos concentrados pero en mayor proporción en la malla Tyler 325. Los

minerales de la ganga identificados fueron: silicatos - cuarzo en cantidades mayores y moscovita

en cantidades menores.

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Figura 10. Difractogramas de rayos-X para las muestras de arsenopiritas molidas. A) malla Tyler -200 y B) malla Tyler -325.

Arsenopirita (Aspy) y cuarzo (Qz) con pequeñas cantidades de pirita (Py) y moscovita (Msc).

5.1.2. Pirita (FeS2)

En la figura 11 se observa el análisis petrográfico mediante microscopía óptica de luz reflejada del

concentrado de pirita obtenido. Se pudo observar que a estos tamaños (~500 μm) los cristales de

pirita son bien definidos y presentan finas inclusiones de calcopirita y galena, también se observa

cristales de esfalerita intercrecida con los granos de pirita. Algunas veces se observan estos

acompañantes de la pirita rellenando fracturas; también se observaron pequeñas inclusiones y

granos individuales de minerales de la ganga. Los granos de pirita se observaron con varias formas

texturales, desde completamente euedrales hasta anedrales, en algunos casos la superficie del

mineral presenta fracturas y poros a través de toda el área superficial, con formas cubicas y

diámetros máximos entre 1000 a 1500 m y mínimos menores de que 40 m. Se observaron

algunas veces fragmentos de minerales de la ganga con inclusiones de pirita, no expuestos o

parcialmente expuestos.

Figura 11. Imágenes de microscopía óptica de luz plana polarizada, modo luz reflejada (MOLPP/LR), para granos individuales de

pirita (Py) con pequeñas inclusiones y fases acompañantes. (A) cristal anedral de pirita con pequeñas inclusiones de calcopirita

(Cpy) y material de la ganga (material gris)) y una textura porosa y fracturada. (B) cristal anedral de pirita con inclusiones de

esfalerita (Sph) al borde del grano y granos de la ganga intercrecidos con los cristales de pirita. (C) cristales euedrales de pirita con

una textura muy poco fracturada y casi sin porosa; se observan cristales de pirita crecidos dentro de material de la ganga.

El grado de liberación de la pirita es bastante alto (>90%), evidenciado por la observación

predominante de granos mono-mineralicos. Como una característica importante se puede anotar

que la observación al óptico no mostró la presencia de granos de oro libres o como inclusiones en

los sulfuros presentes en el concentrado o en la ganga.

Con base en observaciones de secciones pulidas al microscopio óptico de luz plana polarizada,

modo luz reflejada, método de conteo de puntos norma ASTM D 2799, se constato que las fases

A B

A B A C

Poros

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minerales predominantes, luego del proceso de concentración gravimétrica, son pirita (>90%),

esfalerita (3%), galena (2%), calcopirita (2%) y cuarzo.

Figura 12. Imágenes de SEM/EDS, modo de electrones retro proyectados (BEC) para granos individuales de pirita (Py) con

pequeñas inclusiones y fases acompañantes. (A) cristales euhedral, subedrales y anedrales de Py, acompañado de pequeñas

inclusiones de esfalerita (Sph), donde se observa una textura porosa, bordes definidos y perfilados. (B) cristales subedral de Py,

donde se observa su intercrecimiento en una matriz de ganga, principalmente cuarzo. (C) cristal de Py crecido en una fractura de

esfalerita e intercrecido con un cristal hexagonal de sílice. (D) cristal de Py anedral, muy fracturado y con intercrecimientos de

esfalerita al interior del grano y al borde del mismo. (E) cristales euedrales y subedrales de Py en una matriz de ganga (F) cristales

de Py con intercrecimiento de galena y esfalerita inmersos en una matriz de cuarzo.

Figura 13. Izquierda. Imagen de SEM de un cristal de pirita, modo de electrones retro proyectados (BEC). Derecha, Mapa

composicional del cristal donde se observa la zonación causada por la entrada de arsénico en solución sólida.

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De acuerdo a los análisis microquímicos realizados con SEM/EDX, figura 12, las proporciones de

hierro y azufre, en promedio, en la pirita varían entre 38 y 62% atómico. Los granos de pirita

muestran pequeñas inclusiones de calcopirita (CuFeS2), esfalerita desease (ZnS), galena (PbS),

feldespato potásico (Si3O8AlK) y algunos óxidos de hierro. Algunos granos de pirita incorporan

hasta 0,5% atómico de arsénico, figura 13; aunque las proporciones de estos elementos en solución

sólida son bajos, éstos también podrían lixiviarse durante el proceso de disolución del concentrado.

Con base en los análisis microquímicos realizados al concentrado y realizando un recálculo en

términos de las proporciones atómicas se calculó que la cantidad de hierro presente en solución

para un 100% de biooxidación sería de aproximadamente 41.38g/L.

Difractogramas de rayos-X de las muestras molidas a pasante malla Tyler 200 y 325 como material

de partida para el proceso de biooxidación fueron identificados como minerales principales pirita

cubica, galena cubica, arsenopirita monoclínica, esfalerita cubica y calcopirita tetragonal, siendo la

pirita la fase cristalina predominante en ambos concentrados, pero la arsenopirita estuvo presente

en mayor proporción en la malla Tyler 325. Los minerales de la ganga identificados fueron:

silicatos - cuarzo en cantidades mayores.

Figura 14. Difractogramas de rayos-X para las muestras molidas de pirita. A) malla Tyler 200. B) malla Tyler 325. Símbolos:

Pirita (Py) cuarzo (Qz) y arsenopirita (Aspy) con pequeñas cantidades de galena (Gn).

5.2. Purificación y adaptación de microorganismos

Para la purificación de los microorganismos acidófilos, provenientes del Laboratorio de Bio-

Mineralogía, de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, se tomaron muestras de

lixiviado y muestras sólidas que habían sido recolectadas en trabajos anteriores (Ossa 2004) en

zonas conocidas como ―caparrosa‖ las cuales presentan una tonalidad anaranjada en la superficie a

lo largo de las paredes de la zona de recolecta, figura 15.

Las muestras fueron cultivadas en erlenmeyers de 500ml conteniendo, ya sea, medio 9k o T&K

(Tuovinen & Kelly 1973; Fowler et al., 1999; Kelly & Wood 2000), los cuales son selectivos para

el aislamiento y crecimiento aerobio de Acidithiobacillus, difiriendo entre sí por variaciones en las

cantidades de algunos elementos de las sales basales y por el pH.

Dichos medios selectivos para estos microorganismos, contienen sales esenciales como sulfato de

amonio, fosfato de potasio, sulfato de magnesio, y como principal nutriente el azufre elemental o el

sulfato ferroso. Para este fin se tomaron, ya sean, 10gr o 10ml de muestra y se agregaron 90 ml de

medio. Posteriormente se incubaron a 30ºC durante 7 a 15 días, en los que hubo un crecimiento

representativo. Dicho crecimiento bacteriano en el medio líquido se monitoreo por turbidez y/o

cambio de color, y por las mediciones diarias de pH y potencial de oxido-reducción, los cuales

A B

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demuestran indirectamente la fase de crecimiento en la que se encuentran dichos microorganismos,

se asumió que estas bacterias se encontraban en fase exponencial cuando los valores de pH

estuvieron alrededor de 1,8–2,0 dependiendo de la especie y el potencial redox por encima de

400mV. Las muestras fueron trasferidas a medio líquido fresco por varios periodos sucesivos con

el fin de garantizar una alta concentración bacteriana y separar los microorganismos de interés de

la microbiota acompañante. Solo dos de las muestras seleccionadas se eligieron por presentar la

mejor actividad bacteriana para realizar el crecimiento en medio sólido, figura 16.

Figura 15. De izquierda a derecha: Recubrimiento de ―Caparrosa‖ en las paredes de la mina. Zona de toma de muestra sólida con

oxidación intensa y formación de hidróxidos de hierro, cruzada principal 500mt. Zona de toma de de lixiviado en poza pequeña con

alta acumulación de óxidos, la colmena guía 200mt (Tomado de Ossa 2004).

Figura 16. Crecimiento de colonias individuales de Acidithiobacillus ferrooxidans sobre agar.

Figura 17. De izquierda a derecha: Izquierda. Enriquecimiento de bacterias, acidófilas, en medio líquido, donde los tres primeros

erlenmeyers, con coloración amarillosa, son para A. thiooxidans y los dos erlenmeyers siguientes, con coloración rojiza, son para A.

ferrooxidans y el erlenmeyer final con tonalidad verdosa es un cultivo inicial para A. ferrooxidans. Derecha. Pruebas bioquímicas

positivas para sulfato ferroso de los microorganismos compatibles con A. ferrooxidans.

Posteriormente, a partir de los enriquecimientos líquidos, se inoculó, ya sea por estría con asa

metálica o agregando 1ml de cultivo, en medio sólido en cajas de Petri, conteniendo las mismas

sales de los medios líquidos más agar-agar como gelificante. En estos medios, el crecimiento

bacteriano es evidenciado por la formación de colonias o biofilms, sobre la superficie del agar

(Paponetti et al., 1991; Reddy, 1991). Este procedimiento es repetido dos veces, para finalmente

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tener un medio líquido enriquecido con microorganismos compatibles con A. ferrooxidans y A.

thiooxidans. Aquellas colonias bacterianas, que crecieron en medio sólido, que presentaron

morfología compatible con las especies bacterianas de interés se identificaron bioquímicamente y

por coloración diferencial de Gram.

El ensayo en medio sólido, permitió aislar microorganismos, acidófilos, compatibles con A.

ferrooxidans, la presencia de este tipo de bacterias fue evidenciada por la formación de colonias

individuales de coloración anaranjado, circulares con formación de relieve y borde liso, figura 16.

Del medio sólido se tomaron colonias individuales y se transfirieron a medio líquido enriquecido,

el cual después de 5 días mostró cambio en la coloración, turbidez y aumento en el potencial de

oxido reducción, figura 17. Además, un alícuota tomada de este ensayo permitió verificar la

presencia de bacterias de morfología bacilar con afinidad Gram negativa, con una población de

aproximadamente 108 células por mililitro, de carácter acidófilos, por su desarrollo en medios con

pH alrededor de 2,0; por otra parte, las pruebas bioquímicas realizadas dieron positivas para este

tipo de microorganismos, figura 17. Cabe anotar que mediante este protocolo de crecimiento no

fue posible aislar en medio solido los microorganismos compatibles con, así que para el desarrollo

de esta tesis se tomo una cepa, de A. thiooxidans, ya asilada proveniente de una mina de carbón

(Cardona 2008).

5.2.1. Adaptación sobre concentrados de arsenopirita

5.2.1.1. Malla Tyler 200

El potencial de oxido-reducción alcanzo valores altos para el porcentaje de pulpa inicial, 2,5%,

mostrando un crecimiento hasta el día seis para luego estabilizarse alrededor de 590mV. Al

incremental el porcentaje de pulpa y disminuir la concentración de fuente externa de energía

externa, se observo una disminución en los valores de potencial siendo más bajo para 10% de

pulpa sin adición de fuente de energía, alrededor de 400mV, figura 18. Sin embargo, la coloración

y turbidez de las muestras da indicios de una buena actividad oxidativa así como la concentración

celular alcanzada luego de 15 días para cada etapa del proceso ~108 células/mililitro. Los valores

de pH muestran un incremento hasta el día 6 del proceso, para descender y estabilizarse alrededor

del día 12, figura 18.

Figura 18. Izquierda, medidas de potencial redox. Derecha, medidas de pH. Para A. ferrooxidans crecidas en concentrados de

arsenopirita. Símbolos 2,5% de sólidos y 100% de Fe2+. 5,0% de sólidos y 75% de Fe2+. 7,0% de sólidos y 50% de Fe2+.

9,0% de sólidos y 25% de Fe2+ y 10,0% de sólidos y 0,0% de Fe2+.


El comportamiento de este sustrato es muy similar al alcanzado en la mala pasante 200 Tyler, sin

embargo al disminuir totalmente la fuente de energía adicional y aumentar a 10% el contiendo de

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pulpa se observa que el potencial de oxido reducción alcanza valores muy bajos, alrededor de

350mV, figura 19. Además, la turbidez de estas muestras es menor a la observada en la malla Tyler

200 y la concentración celular alcanzada luego de 15 días de proceso es ~107 células/mililitro.




5.2.2. Adaptación sobre concentrados de pirita


El potencial redox vs tiempo para todos los subcultivos realizados para la malla Tyler 200, se

puede observar en la figura 20. Se aprecia un comportamiento similar para todas las etapas,

mostrando un fuerte incremento asía el día cuatro del proceso ~540mV, para finalmente

estabilizarse alrededor de 600mV. El comportamiento del pH es muy estable mostrando un

descenso hasta el día cuatro para finalmente estabilizarse alrededor de 1,5. La concentración

celular alcanzada al final de todos los subcultivos ~108 células por mililitro, figura 20.





El comportamiento de los subcultivos realizados para este tipo de este sustrato es muy similar al

alcanzado en la malla Tyler 200. Sin embargo los valores de potencial alcanzado son un poco

menores, alrededor de 550mV. Es importante anotar que, aunque, el comportamiento del pH es

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muy similar la acides alcanzada en estos sustratos es menor alrededor de 1,3; generando un

ambiente más difícil para el crecimiento microbiano, figura 21.




5.3. Arsenopirita (FeAsS)

5.3.1. Seguimiento de la dinámica del proceso

Para la malla Tyler 200, los valores de pH, correspondientes a los ensayos de biooxidación

empleando Acidithiobacillus ferrooxidans, muestran pequeños incrementos al principio del

proceso para luego estabilizarse en valores cercanos a 1,8. El potencial redox, acompañante del

pH, es relativamente bajo aproximadamente 470 mV vs Ag°/AgCl como electrodo de referencia.

Figura 22. (A) Cambios en el potencial redox y (B) Cambios en el pH durante el proceso de disolución oxidativa de la arsenopirita

en la presencia de Acidithiobacillus ferrooxidans. Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y

controles estériles para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Para la malla Tyler 325, los valores de pH presentan un incremento drástico en las etapas

tempranas del proceso, al sistema le toma casi cinco días en controlar este incremento, para luego

mostrar una paulatina tendencia hacia la baja, sugiriendo una continua producción de ácido en esta

malla. El potencia redox, para estas condiciones, presenta un descenso fuerte al mismo tiempo que

el pH se incrementa, sugiriendo una estrecha relación, para luego aumentar y estabilizarse en

valores que no difieren de los observados en los controles ~350 mV vs Ag°/AgCl como electrodo

de referencia, figura 22.

B A

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Cuando se utilizo un cultivo mixto de A. ferrooxidans y A. thiooxidans y la malla Tyler 200, figura

23, los valores de pH mostraron una tendencia dispersa, con un pequeño incremento en las

primeras etapas del proceso, para luego estabilizarse en un pH más bajo que para el cultivo de A.

ferrooxidans ~1,6; el potencial redox, en esta malla, mostró una tendencia similar en escala de

valores pero no en dinámica a cuando se utilizó solo A. ferrooxidans. Para la malla Tyler 325, la

tendía que se observo en el comportamiento del pH es similar a la observada en el cultivo de A.

ferrooxidans, pero en este caso al sistema le tomó casi ocho días en controlar este incremento, para

luego permanecer intermitente en ~1,8. El potencial redox de este sistema también tiene una

tendencia similar a la del cultivo solo pero su dispersión aumento y el promedio de los valores fue

menor ~ 320 mV vs Ag°/AgCl como electrodo de referencia.

El potencial redox y los valores de pH para los controles estériles del proceso mostraron pequeños

cambios a través del experimento, figuras 22 y 23. En ambos casos, tanto para el ensayo con A.

ferrooxidans como el ensayo con el cultivo mixto, el tamaño de partícula más fino mostró un

incremento mayor en los valores de pH en las etapas tempranas del proceso, sugiriendo un proceso

controlado por el área superficial y, posiblemente, por la disolución por esta vía de algunos

elementos acompañantes del mineral, que como carbonatos, pueden generar la disminución en los

valores de acidez del sistema.

Figura 23. (A) Cambios en el potencial redox y (B) Cambios en el pH durante el proceso de disolución oxidativa de la

arsenopirita en la presencia de Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans. Símbolos: and arsenopirita

malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Las variaciones en las concentraciones de arsénico (Astotal) y en el crecimiento de microorganismos

no adheridos al sustrato mineral para todas las condiciones evaluadas se muestran en las figuras 24

y 25. Las curvas de concentración celular para la malla Tyler 200, en ambos sistemas bacterianos,

presentan una velocidad de crecimiento mucho mayor comparada con la malla Tyler 325, aunque

el total de la población determinada no difiere mucho para ninguna de las condiciones evaluadas

en este trabajo, solo cambia la dinámica de crecimiento poblacional.

Es importante anotar además que, para el cultivo con A. ferrooxidans, luego de 24 horas de

iniciado el proceso, la concentración de arsénico, en solución, para la malla Tyler 200 fue de 840

mgL-1

, 2% del total, y para la malla Tyler 325 fue de 1635 mgL-1

, 4% del total, lo que implica el

doble de la cantidad de arsénico en solución. Este comportamiento también se presentó cuando se

utilizó el cultivo mixto, figuras 24 y 25. También, para el cultivo de A. ferrooxidans, la

concentración de arsénico se iguala en ambas mallas para el día seis del proceso, 2150 mgL-1

5%

del total de arsénico. Para el cultivo mixto este comportamiento no fue observado. Sugiriendo dos

cinéticas de disolución diferentes determinadas por el área superficial, lo que implica que los

A B

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microorganismos se deben adaptar no solo a condiciones adversas diferentes si no también a

mecanismos de detoxicación dictaminados por la concentración de iones metálicos en el medio.

Después de treinta días de proceso, la disolución de arsénico a la solución para la malla Tyler 200

fue de 7550 mgL-1

, lo que implica un 18,7% del total de arsénico lixiviable, y para la malla Tyler

325 fue de 2850 mgL-1

, para un 7,1% del arsénico total lixiviable. Valores similares se obtuvieron

con el cultivo mixto, lo que sugiere que A. thiooxidans se inhibió o su actividad durante el proceso

no fue determinante. Los controles estériles mostraron pequeños cambios durante el curso del

proceso, con una máxima tasa de disolución de arsénico de 2190 mgL-1

, 5,4%, y 1060 mgL-1

,

2,6%, para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Figura 24. Concentración de arsénico (gráfico externo) y curva de concentración celular (gráfico interno) para Acidithiobacillus

ferrooxidans. Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles las mallas Tyler

200 y 325 respectivamente.

Figura 25. Concentración de arsénico (gráfico externo) y curva de concentración celular (gráfico interno) para Acidithiobacillus

ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans. Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y

controles estériles las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

El comportamiento de ambos cultivos bacterianos frente a la concentración de hierro, Fetotal,

después de los treinta días de proceso fue: para A. ferrooxidans, 8047 mgL-1

, 26,8%, y 2948 mgL-1

,

9,8%, para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente y para el consorcio, 7482 mgL-1

, 24,9%, y

3367 mgL-1

, 11,2%, para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente. Los controles estériles

mostraron pequeños cambios durante el curso del proceso, con una tasa máxima de disolución de

hierro de 1124 mgL-1

, 3,8%, y 2783 mgL-1

, 9,3%, para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente,

figuras 26 y 28.

42

Para el caso de hierro ferroso y A. ferrooxidans, figura 27A, los datos muestran que la

concentración de este elemento se incrementa constantemente, esto indica que el potencial de

oxidación del mineral disminuye y que la eficacia de los microorganismos para la transformación

de ferroso a férrico se ve inhibida o disminuida. Este crecimiento en la concentración del ion

ferroso es proporcional a la salida de arsénico a la solución y con la disminución del Eh. La tasa

máxima de disolución de hierro ferroso es de 7061 mgL-1

y 2854 mgL-1

para las mallas Tyler 200 y

325 respectivamente. En comparación, la concentración del ion férrico, figura 27B, presenta varias

dinámicas diferentes. Primero hasta el día 21 muestra un fuerte incremento de la concentración en

solución, luego de esta etapa se ve un marcado descenso lo que nos da un indicio de la cantidad de

hierro precipitado a la fase sólida. El crecimiento paulatino y marcado de este elemento también

influencia la disminución del potencial de oxidación, la tasa máxima de disolución de hierro

férrico es de 2641 mgL-1

y 320 mgL-1

para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Figura 26. Cambios en la concentración de hierro total para el ensayo con Acidithiobacillus ferrooxidans. Símbolos: and

arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Figura 27. Cambios en la concentración de hierro ferroso (A) y hierro férrico (B) para el ensayo con Acidithiobacillus ferrooxidans.

Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles las mallas Tyler 200 y 325

respectivamente.

43

Cuando se empleo el cultivo mixto, los datos muestran que la concentración de hierro ferroso,

figura 29A, se incrementa constantemente pero con dos tendencias marcadas; la primera, muy

parecida a la tendencia de crecimiento del cultivo de A. ferrooxidans, es una etapa lenta para luego

incrementarse rápidamente, esto indica que el potencial de oxidación del mineral se incrementa

lentamente en las etapas tempranas del proceso y que luego disminuye drásticamente, además, la

eficacia de los microorganismos para la transformación de ferroso a férrico se ve afectada. Este

crecimiento en la concentración del ion ferroso es proporcional a la salida de arsénico a la solución

e influencia fuertemente la disminución del Eh. La tasa máxima de disolución de hierro ferroso es

de 4688 mgL-1

y 2526 mgL-1

para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente. En contraste, la

concentración del ion férrico, figura 29B, presenta dinámicas diferentes, siempre de crecimiento,

sugiriendo que la precipitación de este elemento a la fase sólida no es tan marcada como el cultivo

de A. ferrooxidans. El crecimiento paulatino y marcado de este elemento también influencia la

disminución del potencial de oxidación, la tasa máxima de disolución de hierro férrico es de 2775

mgL-1

y 1251 mgL-1

para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Figura 28. Cambios en la concentración de hierro total para el ensayo con Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus

thiooxidans. Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles las mallas Tyler

200 y 325 respectivamente.

A B

44

Figura 29. Cambios en la concentración de hierro ferroso (A) y hierro férrico (B) para el ensayo con Acidithiobacillus ferrooxidans

y Acidithiobacillus thiooxidans. Símbolos: and arsenopirita malla Tyler 200 y 325 respectivamente. y controles estériles

las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Los controles muestran una tendencia similar al incrementar paulatinamente la concentración del

ion ferroso lo que nos sugiere que son dos los mecanismos de generación de este elemento, uno por

la reducción del Fe3+

en la superficie del mineral y otro influenciado por la acción de los

microorganismos, la tasa máxima de disolución de hierro ferroso en los controles es de 1078 mgL-1

y 2753 mgL-1

para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente. Para el caso del hierro férrico la

tasa máxima de disolución de hierro ferroso en los controles es de 34 mgL-1

y 139 mgL-1

para las

mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

5.3.2. Microscopía electrónica de barrido con analizador de estados sólido (SEM/EDS)

5.3.2.1. Acidithiobacillus ferrooxidans

Para los 5 primeros días del proceso se puede observar que la oxidación del sustrato malla Tyler

200 es marcada, pues como puede verse en la figura 30, se observan golfos de corrosión, pits y la

formación incipiente de una película, posiblemente jarosita de aproximadamente 0,75μm de

espesor recubriendo los granos, ésta incorpora arsénico hasta 12% atómico o 26% en peso. Se

observan la mayoría de los granos con sus bordes no muy bien definidos. También fue posible

observar minerales de la ganga, como cuarzos, sin evidencias de disolución, figura 30.

Figura 30. Imágenes de SEM, modo de electrones retroproyectados (BEC). Malla Tyler 200, donde se observan granos individuales

de mineral después de cinco días de iniciado el proceso. (A) se aprecia un grano de Aspy con golfos y pits de corrosión, algunas

fracturas y la aparición de una película que recubre el grano, los EDS realizados a ésta película (imagen a su derecha) sugieren ser

una jarosita con arsénico en solución sólida o pequeñas partículas de arsenato dentro de la película (Márquez 1999). (B) Cristal

anedral de Aspy muy fracturado. También se sugiere la formación de una película. Se observan cristalitos de cuarzo sin disolución y

agregados individuales de jarositas con arsénico (fase JAs). El EDS es realizado sobre la película. (C) Cristal de Aspy subedral con

las misma topografía observada en los cristales anteriores pero la película que recubre este grano no se forma por uno de los lados

del cristal lo que se puede deber a un proceso de precipitación y no a la formación in situ de la capa. (D) Cristal anedral de Aspy

con surcos y fracturas profundas y un golfo de corrosión en el que se deposita material precipitado. El EDS sugiere la formación de

la fase JAs con calcio en solución posiblemente debida a la disolución de carbonatos de calcio, responsables por el incremento del

pH en las etapas tempranas del proceso. (E) Cristal anedral de Aspy con surcos de corrosión muy marcados y rectos, posiblemente a

través de planos de clivaje. (F) Cristal anedral de Aspy recubierto totalmente por una película, el EDS muestra la misma

composición química de la fase JAs.

45

Para el sustrato malla Tyler 325, figura 31, a pesar de que los patrones de oxidación son similares,

la cantidad de material precipitado y el espesor de la capa desarrollada sobre el borde de los granos

es mucho menor. Adicional a esto, es evidente que los granos de menor tamaño presentan mayor

disolución, lo que puede ser respaldo a las curvas de disolución obtenidas para esta distribución de

tamaños de partículas, donde en las etapas tempranas, posiblemente debido a la mayor área

superficial expuesta, hubo mayor disolución de arsénico.


de mineral después de cinco días de iniciado el proceso. (A) se aprecia un grano de Aspy, euedral, con la aparición de algunos

surcos y pits de corrosión, los EDS realizados a la película sobre el cristal de cuarzo (imagen a su derecha) sugieren ser una jarosita

con arsénico en solución sólida o pequeñas partículas de arsenato dentro de la película (Márquez 1999). (B) Cristal subedral de

Aspy con fracturas y surcos de corrosión. Se observan agregados individuales de jarositas con arsénico (fase JAs). El EDS es

realizado sobre la película. (C) Cristal de Aspy subedral con las misma topografía observada en los cristales anteriores sin la

presencia definida de películas recubriendo el grano. (D) Cristal subedral de Aspy con un golfo de corrosión muy marcado en el que

se deposita material precipitado. El EDS sugiere la formación de la fase JAs. (E) Cristal subedral de Aspy con surcos de corrosión.

(F) Cristal anedral de Aspy con pequeñas cantidades de precipitados sobre él.

Luego de 15 días de proceso para la malla Tyler 200, figura 32, los rasgos de oxidación son muy

marcados, evidenciándose la aparición de golfos pronunciados de corrosión y bordes más

irregulares. También la formación de jarosita (fase JAs) se hace más marcada, presentándose como

granos aislados de formas anedrales que no superan 20μm, además de encontrarse mezclada con

los sulfuros presentes, conformando aglomerados. Las imágenes evidencian la formación de la fase

JAs en dos tonalidades diferentes, una más brillante, con más arsénico en su estructura ya sea en

solución sólida o como pequeños cristales como contaminantes, y una fase menos brillante, con

una cantidad menor de arsénico. Las imágenes de SEM sugieren un proceso de disolución irregular

y focalizada en ciertos puntos del cristal donde se puede presentar mayor cantidad de defectos o

inclusiones, favoreciendo el proceso de disolución. Durante los primero quince días del proceso de

disolución no se observa, o no es clara, la formación de seudomorfos.

Para la malla Tyler 325, figura 33, los patrones de oxidación son muy similares a los de la malla

Tyler 200 para los cinco días de oxidación y solo en algunos casos los surcos, golfos y pits de

corrosión son un poco más marcados. Se sugiere un proceso de disolución controlado por el área

46

superficial, donde las partículas más pequeñas son disueltas por el propio medio y no,

necesariamente, por la acción de las bacterias cuya accionar en esta etapa del proceso, para esta

malla, era bajo, con potenciales redox ~300mV y niveles de acidez ~1,5. En comparación con las

figuras observadas el día cinco del proceso, se han hecho muy evidentes los surcos y pits de

corrosión y en casos muy aislados se sugiere la formación de pequeñas películas que recubre solo

partes del grano.


de mineral después de quince días de iniciado el proceso. (A) se aprecia un grano de Aspy en la que los EDS realizados a ésta

película (imagen a su derecha) sugieren ser una jarosita con arsénico en solución sólida o pequeñas partículas de arsenato dentro de

la película (Márquez 1999). También se sugiere la precipitación por capas durante el desarrollo del proceso. (B) Cristal anedral de

Aspy en el que la precipitación por pulsos es más evidente y la composición del material interno a la capa de color gris brillante se

ajusta a la de un sulfo-arsenato férrico (C) Cristal de Aspy anedral con la misma topografía observada en los cristales anteriores, se

conservan los golfos de corrosión lo que da injerencia en que el proceso de disolución continua a pesar de la formación de esta

película. (D) panorama general de la cantidad de precipitados aislados, de formas circulares, formados durante el proceso de

disolución oxidativa del mineral. (E) Cristal anedral de Aspy donde se reflejan dos películas, la película A es un material con mayor

contenido de arsénico y la película B presenta menor cantidad de arsénico y su composición es similar a la de un sulfo-arsenato

férrico. (F) Cristal subedral de cuarzo con pequeños indicios de disolución debido a la geometría irregular mostrada.

Para el día 30 del proceso, en la malla Tyler 200, figura 34, la gran mayoría de los granos de

arsenopirita no conservan ninguna de las características observadas al inicio del proceso.

Desaparecen los surcos (flechas), los cuales pueden ser interpretados como oxidación preferencial

a lo largo de zonas energéticamente más favorables para transformarse en golfos muy grandes de

corrosión. Las imágenes a nivel general muestran un estado muy avanzado de oxidación,

observándose aún gran cantidad de precipitados tanto en forma de agregados anedrales

individuales como recubriendo núcleos remantes de mineral. Cabe anotar que, a este momento, las

condiciones de pH en el sustrato eran de ~1,8 mientras que el Eh ~370mV; sugiriendo una entorno

oxidativo con un potencial bajo. El grosor de las películas observadas fue alrededor de 2,5–3,33µm

para los tamaños más pequeños y alrededor de 30µm para los tamaños más grandes. También se

observan granos individuales de jarosita muy similares a los observados durante todo el proceso,

granos circulares y en algunos casos con doble precipitación de jarosita. Una fase adicional

observada, rica en hierro y arsénico, no pudo ser identificada por esta técnica.

47


de mineral después de quince días de iniciado el proceso. (A) se aprecia un grano subedral de Aspy con algunos surcos de

oxidación, rodeado de pequeños agregados de material precipitado, los EDS realizados sobre este material (imagen a su derecha)

sugieren ser la fase JAs antes descrita. (B) Cristal subedral de Aspy en el que se manifiestan surcos de corrosión a través de todo el

grano. (C) Cristal anedral de Aspy con la misma topografía observada en los cristales anteriores, pero se aprecia mejor la cantidad

de la fase JAs precipitada alrededor del grano. (D) Grano subedral de Aspy en el que se puede observar cómo se van disolviendo

algunos bordes del material, círculo rojo. (E) Cristal anedral de Aspy donde sobre una de sus borde empieza a depositarse una

película de la fase JAs, también se manifiesta el proceso de disolución en la generación de surcos prolongados de corrosión. (F)

Cristal subedral de Aspy donde se manifiesta el desarrollo del proceso de disolución localizada en forma de surcos y algunos pits de

corrosión.


de mineral después de treinta días de iniciado el proceso. (A) Grano de Aspy, completamente anedral, con golfos y pits de corrosión

48

muy marcados, sin fracturas y película que recubre el grano, los EDS realizados a ésta película sugieren ser la fase JAs antes

mencionada. (B) Cristal anedral de Aspy. Se observa el desarrollo de una película gruesa de jarosita ~30μm. (C) Cristal de Aspy

anedral con la misma topografía observada en los cristales anteriores pero la película que recubre este grano cambia de tonalidad en

la parte más externa, sugiriendo una composición química diferente. (D) Cristales anedrales de Aspy recubiertos por películas

gruesas de jarosita. (E) Cristal anedral de Aspy donde se evidencia la formación de dos películas de composición química similar,

solo varía el contenido de arsénico. La presencia de estas dos capas sugiere la precipitación por pulsos de este material. (F) Cristal

anedral de Aspy recubierto totalmente por una película, el EDS muestra la misma composición química de la fase JAs y algunos

precipitados de aluminio dentro de esta capa.

Para el día 30 del proceso y la malla Tyler 325, figura 35, se puede observar un estado de

oxidación más avanzado, mostrado la formación de surcos más prolongados, golfos de corrosiones

de mayor tamaño, éste estado avanzado de oxidación es comparable a lo presentado por la malla

Tyler 200 para los primero días de proceso, pero es evidente la gran diferencia en el proceso

comparando ambas mallas. Además, también se puede observar la formación de películas

discontinuas de jarosita sobre algunos de los granos de arsenopirita y la formación de una mayor

cantidad e precipitados de la fase JAS.


de mineral después de treinta días de iniciado el proceso. (A) Grano de Aspy, anedral, con golfos y pits de corrosión muy marcados,

los EDS realizados a éste material no sugieren cambios significativos. (B) Cristal anedral de Aspy. Se observa el desarrollo de una

película discontinua de la fase JAs ~0,45μm. (C) Cristal de Aspy anedral con las misma topografía observada en los cristales

anteriores pero las fracturas y surcos de corrosión son más pronunciados. (D) Cristal anedral de Aspy recubiertos por una pequeña

película de JAs. (E) Cristal anedral de Aspy donde se evidencia la precipitación de JAs sobre cristales de la ganga. (F) Cristales

anedrales de Aspy donde se observa la precipitación preferencial sobre los granos.

La precipitación de compuestos de Fe férrico como sulfatos, principalmente jarosita se ve

mezclada con precipitados de Al y Si indicando también la solubilización y precipitación de éstos

desde los aluminosilicatos acompañantes de la arsenopirita. Debido al tamaño fino de estas fases y

a la heterogeneidad de la misma se hace difícil diferenciar si alguno de estos elementos puede estar

haciendo parte de los sulfatos de hierro como tal, o si se están precipitando como fases aparte. En

la figura 30 puede verse un aglomerado de este tipo, los cuales envuelven sulfuros de tamaños

menores a 1μm. También, éstos precipitados, se caracterizan por tener un aspecto poco compacto y

las variaciones en las tonalidades grises dentro de un mismo aglomerado, indican la variación

49

química que estos presentan. En la mayoría de los casos se puede observar que los granos de

arsenopirita rodeados por estos sulfatos presentan golfos corroídos. Los precipitados que se

observan no presentan formas cristalinas definidas, presentándose como aglomerados de granos

anedrales, de bordes redondeados y en algunas partes, conformando una especie de matriz porosa

embebiendo remanentes de sulfuros.

Las figuras 36 y 37 muestran los controles estériles para el día 30 del proceso. En las imágenes no

se aprecian cambios drásticos en el mineral.

Figura 36. Imágenes de SEM, modo de electrones retroproyectados (BEC), malla Tyler 200, para los controles estériles después de

30 días de proceso.

Figura 37. Imágenes de SEM, modo de electrones retroproyectados (BEC), malla Tyler 325, para los controles estériles después de

30 días de proceso.

5.3.2.2. Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans

Las diferencias en la dinámica del comportamiento del pH y el Eh, entre A. ferrooxidans y el

cultivo mixto, durante todo el proceso no fueron muy marcadas, salvo el comportamiento un poco

disperso de los datos durante el curso del experimento. Es importante anotar que la fuente principal

de energía para A. thiooxidans es el azufre elemental, material que no fue adicionado a ninguno de

los experimentos.

Las texturas observadas en las muestras oxidadas con el cultivo mixto, 50% de Acidithiobacillus

ferrooxidans y 50% de Acidithiobacillus thiooxidans, tanto la malla Tyler 200 como la malla Tyler

325 presentan características variadas y complicadas pero, en esencia, similares a las descritas para

el proceso de A. ferrooxidans.

Las principales características observadas en las muestras, figura 38 y 39, desde el punto de vista

de la composición química (EDS) son dos diferentes tipos de productos de oxidación, uno de

composición química similar a la de una jarosita, algunas veces con potasio, otras veces con

aluminio o calcio y un compuesto rico en arsénico, hierro, azufre y oxigeno parecido a un sulfo-

arsenato férrico, ambos como principales productos de la oxidación del mineral. En ellos se pudo

analizar que el primero es rico en As (fase JAs), de tonalidades más clara y brillante y el otro con

una cantidad menor de arsénico (película B), menos brillante. Las tonalidades más claras

corresponden a jarositas altas en As (JAs), siendo que, cuanto mayor es el contenido de arsénico

más clara es la tonalidad de la imagen (Márquez 1999). Los sulfo-arsenatos férricos presentaron

tonalidades intermedias.

Fueron, también, identificados algunos cristales de pirita sin un proceso de oxidación evidente,

cristales de arsenopirita en una variedad de estados de oxidación, desde granos completamente

50

euedrales hasta granos completamente corroídos, y eventualmente granos de calcopirita. No fue

observado oro libre en las muestras de oxidación con bacterias. Las texturas observadas en los

hidroxisulfatos férricos (fase JAs) y en el sulfo arsenato férrico (película B) hacen referencia a

granos anedrales, poco compactos (fase JAs) con cantidades variables de As. Los tamaños medios

de las películas oscilan entre 35 m para los tamaños más grandes y 0,5 m para los grosores de

películas menores observadas.

Se observaron, también, granos redondeados, con tamaños promedios entre 1 y 15µm, casi siempre

presentado dos tonalidades diferentes, más claro hacia el exterior del grano y más opaco hacia el

interior, sugiriendo la generación de un compuesto inicial y luego la precipitación de la fase JAs

sobre él.

Figura 38. Imágenes de SEM, modo de electrones retroproyectados (BEC) para la malla Tyler 200 durante la evolución del proceso

de oxidación. Donde se desglosa el primer conjunto de seis imágenes para los cinco primeros días del proceso. el segundo conjunto de

seis imágenes muestra los patrones de oxidación para el día 15 del proceso y el tercer grupo de seis imágenes muestra la evolución del

proceso para el día 30 del proceso.

51

Figura 39. Imágenes de SEM, modo de electrones retroproyectados (BEC) para la malla Tyler 325 durante la evolución del proceso

de oxidación. Donde se desglosa el primer conjunto de seis imágenes para los cinco primeros días del proceso. El segundo conjunto

de seis imágenes muestra los patrones de oxidación para el día 15 del proceso y el tercer grupo de seis imágenes muestra la

evolución del proceso para el día 30 del proceso.

5.3.3. Difracción de rayos-X (DRX)

5.3.3.1. Acidithiobacillus ferrooxidans

Como se puede apreciar en la tabla 1, en las muestras del primer grupo, malla Tyler 200, fueron

detectadas fases como sulfatos, arsenatos, sulfo-arsenatos, óxidos y oxihidróxidos de hierro. Estas

fases detectadas, como productos de la oxidación del mineral, resistieron, de mayor o menor

manera, la acción combinada de las bacterias y el ambiente ácido generado, pH < 2, en el sistema.

Como se puede observar en la tabla 1, los principales productos de la oxidación bacteriana de la

arsenopirita son: (i) amoniojarosita, cuyas intensidades relativas inician desde el día cinco del

proceso y van en aumento hasta el final del mismo. El ion amonio es un nutriente esencial para los

52

microorganismos y la precipitación de este compuesto, aparte de generar una berrera difusiva al

proceso de disolución del mineral, también, disminuye la cantidad de nutrientes disponibles en la

solución; (ii) potasiojarosita, al igual que en la amoniojarosita, el potasio también es un nutriente

esencial. Las intensidades de este mineral son bajas durante todo el proceso debido a que,

posiblemente, el ion amonio fue más afín a los iones sulfatos que el ion potasio lo que se ve

reflejado en una mayor generación de del componente amónico de la jarosita en lugar del

componente potásico. (iii) azufre elemental, las intensidades relativas de este elemento son muy

bajas durante todo el proceso, pero es posible que la cantidad detectada no fuera mayor debido a la

oxidación hasta sulfato por parte de la acción combinada de los microorganismos y el medio. De

todas estas fases, es la amoniojarosita la de mayores proporciones relativas y la única que aumenta

con el tiempo.

Tabla 1. Minerales identificados durante el proceso de disolución de la arsenopirita, pasante malla Tyler 200, y sus abundancias

relativas. Intensidades de los picos: (*****) muy alta; (****) alta; (***) media; (**) media - baja; (*) baja; (t) trazas, (nd) no

detectado. El día 0 significa el mineral original, el día 5 significa el mineral después de ser sometido a oxidación con bacterias

durante cinco días y así sucesivamente.

Otros productos de oxidación detectados son: (i) fibroferrita (FeSO4(OH) 5H2O), presente desde el

día 5 del proceso y a pesar que sus cantidades son bajas se observa una tendencia a aumentar para

el final del proceso; (ii) zykaita (Fe4(AsO4)3(SO4)(OH) 15H2O), este material es observado desde

el día 5 del proceso en cantidades traza y crece en proporción relativa para el día 10 y continuo

hasta el final del proceso en la proporción alcanzada para el decimo día; (iv) sarmientita

(Fe2(AsO4)(SO4)OH·5H2O), presenta el mismo comportamiento observado para la zykaita; (c)

tooeleita (Fe8(AsO4)6(OH)6·5H2O), es uno de los principales productos de la oxidación de la

arsenopirita, uno de los más estables, se observó el mismo comportamiento que para la zykaita,

posiblemente debido a que para su formación se requieren de potencial redox altos durante

periodos prolongados, y los potenciales alcanzados durante el proceso de oxidación de la

arsenopirita fueron bajos ~470mV vs Ag0/AgCl como electrodo de referencia; (v) Bukovskyita

(Fe2(AsO4)(SO4)(OH)·7H2O), es uno de los sulfo-arsenatos detectados desde el día 5 de proceso,

aunque sus proporciones relativas no aumentaron se lograron mantener constante durante todo el

(vi) hematita (Fe2O3) y goetita (FeO(OH)), aunque son detectadas trazas desde el día 5 del proceso

y sus proporciones relativas no se incrementan son los únicos óxidos de hierro generados en el

proceso; (vii) pequeñas cantidades de alunita (KAl3(SO4)2(OH)6) fueron identificadas durante el

Compuesto Mineral Símbolo DÍA 0 DÍA 5 DÍA 10 DÍA 15 DÍA 20 DÍA 25 DÍA 30

Cuarzo Qz ***** ***** ***** ***** ***** ***** *****

Arsenopirita Aspy **** *** ** ** * * *

Pirita Py t t * * * * *

Potasio jarosita K-Ja nd t * * * * *

Amino jarosita NH4-Ja nd t * * * * **

Escorodita Esc nd t * * * * *

Azufre elemental S0

nd t * * * * *

Bukovskyita Buk nd * * * * * *

Zykaita Zyk nd t * * * * *

Fibroferrita Fib nd t * * ** ** **

Sarmientita Sar nd t * * * * *

Tooeleita Too nd t * * * * *

Hematita Hem nd t * * * * *

Goetita Goe nd t t * * * *

Alunita Alu nd t * * * * *

53

proceso producto, posiblemente, de la disolución de los aluminosilicatos acompañantes de la

arsenopirita por la acidez del medio.

En la tabla 2, se puede observar que para las muestras del segundo grupo, malla Tyler 325, los

minerales encontrados durante el proceso de oxidación del sustrato son los mismos pero la

cantidad encontrada varió en relación a la cantidad hallada en la malla Tyler 200. Las variaciones

son de la siguiente manera: (i) es importante notar que la proporción relativa de la arsenopirita en

esta malla es mayor comparada con la malla Tyler 200 lo que pudo generar que, en las etapas

tempranas del proceso, los microorganismos fueran sometidos a un ambiente más agresivo,

generando un estrés adicional al que estaban sometidos por las concentraciones de arsénico

presente en los sistemas de disolución. La disminución en las intensidades en los picos de esta

malla disminuye intensamente al inicio del proceso, día 5, y conserva esta proporción durante el

resto del proceso. (ii) la pirita, un material con un potencial de reposo mayor que el de la

arsenopirita, mostró unas intensidades relativas casi invariantes durante el proceso lo que implica

que el proceso de disolución es preferencial en la arsenopirita; (iii) moscovita solo fue detectada en

las etapas tempranas del proceso y en cantidades muy pequeñas, después del día 10 no fue

detectada; (iv) la potasiojarosita y la amoniojarosita mostraron un comportamiento muy similar

durante todo el proceso pero la diferencia significativa es para el día 30 donde se incrementa la

cantidad del componente amónico de la jarosita; las jarositas producto del proceso de oxidación

bacteriana presentaron una composición intermedia entre amoniojarosita, con mayores y menores

cantidades de arsénico, y potasiojarosita; (v) escorodita, azufre elemental y Bukovskyita

presentaron un comportamiento similar entre ellos y similar en relación a la malla Tyler 200

aunque sus intensidades fueron muy bajas; (vi) la zykaita es un sulfo arsenato que para el final del

proceso presento una disminución en las intensidades de sus reflexiones debido, posiblemente, al

incremento de la acidez para las etapas finales del proceso al igual que sarmientita y la goetita.






Cuarzo Qz ***** ***** ***** ***** ***** ***** *****

Arsenopirita Aspy ***** *** *** *** *** *** ***

Pirita Py * * * * * * *

Moscovita Mos * t t nd nd nd nd

Potasio jarosita K-Ja nd t * * * * *

Amino jarosita NH4-Ja nd t * * * * **

Escorodita Esc nd t * * * * *

Azufre elemental S0

nd t * * * * *

Bukovskyita Buk nd t * * * * *

Zykaita Zyk nd t * * * ** *

Fibroferrita Fib nd t * * ** ** **

Sarmientita Sar nd t * * * * t

Tooeleita Too nd t t * * * *

Hematita Hem t t * * * * *

Goetita Goe t t t t * * t


54

5.3.3.2. Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans

Como pudo verse tanto en los análisis de arsénico en solución como en las observaciones mediante

SEM/EDS, para el sistema utilizando mezcla de microorganismos, la eficiencia del proceso no fue

muy alta, especialmente para el caso del sustrato pasante malla Tyler 325 en donde la cinética del

proceso de disolución fue lenta. A pesar que desde el día 5 fue evidenciada la formación de

jarositas por SEM/EDS, en ambos sustratos, y éstas fueron aumentando a medida que el proceso

fue avanzando, proceso bajo condiciones de potencial redox y acidez que logran generar la

precipitación de fases ricas en Al, Si y P, las abundancias relativas de estos compuestos

permanecieron siempre bajas, tablas 3 y 4, debido, posiblemente, a la baja cristalinidad de los

compuestos formados.





Los principales cambios observados en el proceso de disolución de la arsenopirita pasante malla

Tyler 200 son: (i) las proporciones relativas de la arsenopirita disminuyen paulatinamente durante

todo el proceso, como se evidencio en las imágenes de SEM para esta distribución granulométrica;

mientras que la pirita aumenta en proporción a la arsenopirita, lo que significa que la perdida de

cristalinidad es debida al proceso de disolución de la arsenopirita mientras que la pirita no se ve

muy afectada durante el proceso; (ii) la moscovita presenta un rápido proceso de disolución, lo que

se ve reflejado en los precipitados ricos en Al, Si y K observados en el SEM durante el proceso;

(iii) la potasio y amonio jarosita aumenta durante el proceso como principal producto de la

oxidación del sustrato, aunque es el componente amónico el que generó una mayor reflexión para

el final del proceso, como lo sugieren los espectros de FTIR; (iv) también fue posible detectar

reflexiones de azufre elemental el cual presenta un comportamiento particular, empieza a crecer

hasta el día 15 del proceso para después de eso disminuir gradualmente, este comportamiento se ve

reflejado en la disminución paulatina del pH hacia el final del proceso. (v) sulfoarsenatos como

bukovskyita, zykaita, fibroferrita, sarmientita y tooeleita estuvieron presentes a través de todo el

proceso pero en cantidades muy pequeñas; (vi) óxidos de hierro como la hematita y la goetita solo


Cuarzo Qz ***** ***** ***** ***** ***** **** ****

Arsenopirita Aspy **** *** ** ** * * *

Pirita Py t * * * * * *

Moscovita Mos t nd nd nd nd nd nd

Potasio jarosita K-Ja nd * * * * * *

Amino jarosita NH4-Ja nd * * * * * *

Escorodita Esc nd * * * * * *

Azufre elemental S0

nd * * ** ** * *

Bukovskyita Buk nd * * * * * *

Zykaita Zyk nd * * * * * *

Fibroferrita Fib nd * * * * * *

Sarmientita Sar nd * * * * * *

Tooeleita Too nd * * * * * *

Hematita Hem nd t * * * * *

Goetita Goe nd t * * * * *

Alunita Alu nd * * * * * t

55

aparece en el proceso después del día 10, aunque en cantidades muy pequeñas; (vii) la alunita

presenta un proceso de disolución a lo largo del proceso.





El comportamiento observado para la malla Tyler 325 se presenta en la tabla 4, donde podemos

observar que: (i) el proceso de disolución de la arsenopirita es menos intenso que para la malla

Tyler 200; (ii) el proceso desarrollado para esta malla es el que mayor niveles de acidez alcanzó y

se reflejado en la rápida disolución del azufre, el cual después del día 15 se observó en muy pocas

cantidades; (iii) la mayoría de los sulfo-arsenatos presentaron comportamiento similares; a medida

que el nivel de acidez aumentaba se presentaba la disolución de estos compuestos. Este

comportamiento también se observó para la goetita.

5.3.4. Espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)

Los análisis mediante FT-IR se hicieron enfocados básicamente para detectar e identificar nuevas

fases formadas que por su carácter amorfo, baja cristalinidad o tamaños cristalinos muy pequeños,

no fue posible identificar por medio de DRX o EDS complementando así esta técnica. Una vez se

obtuvieron los espectros se superpusieron y se compararon los cambios mostrados debidos a la

transformación del material por la acción de las bacterias.

En general para todas las muestras hubo una serie de bandas típicas como la banda alrededor de la

frecuencia en 3384–3386cm-1

la cual es atribuida al modo de estiramiento (stretching) de las

moléculas de agua superficial (Music et al., 1994), adicionalmente, y aún después del proceso de

secado de las muestras, todos los espectros también despliegan la banda de deformación del agua

en 1620–1639cm-1

. Las deformaciones producto de la presencia del agua en la jarosita se ven

reflejadas por la presencia de una banda en el rango de frecuencias 1620–1640cm-1

. También

fueron evidenciadas claramente las diferentes bandas distintivas de la jarosita como las bandas

entre las frecuencias 1180–1195cm-1

y 1070–1090cm-1

correspondientes al modo vibracional ν3 de

SO42-

así como su modo ν1 entre 1004–1020cm-1

. El modo vibracional ν4 alrededor de 628cm-1

,


Cuarzo Qz ***** ***** ***** ***** ***** ***** *****

Arsenopirita Aspy ***** *** *** *** *** *** ***

Pirita Py * * * * * * *

Moscovita Mos * nd nd nd nd nd nd

Potasio jarosita K-Ja nd * * * * * *

Amino jarosita NH4-Ja nd * * * * * *

Escorodita Esc nd * * * * * *

Azufre elemental S0

nd t * ** * * *

Bukovskyita Buk nd t * * * * *

Zykaita Zyk nd t * * * * *

Fibroferrita Fib nd t * * * * *

Sarmientita Sar nd t * * * ** *

Tooeleita Too nd * * * * * t

Hematita Hem t t t * * * *

Goetita Goe t t * * t t t


56

solo fue detectado para la malla Tyler 200, y el modo ν2 a 516cm-1

y 475cm-1

, del SO42-

también

fueron identificados (Lazaroff et al., 1982; Addler & Kerr, 1965).

Figura 40. Espectros de FTIR para las muestras provenientes del proceso de biooxidación. A y B: ensayos con Acidithiobacillus

ferrooxidans para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente. C y D: ensayos con Acidithiobacillus ferrooxidans y

Acidithiobacillus thiooxidans para las mallas Tyler 200 y 325 respectivamente.

Dos aspectos fueron característicos en todos los espectros, uno el hecho de observar siempre un par

de bandas en la región 2850–2930cm-1

reportados según Naumann & Helm (1995); Sharma &

Hanumantha Rao (2005) y Xia et al., (2008) como pertenecientes a materia orgánica e interpretado

como debido a precipitación de biomasa propia del metabolismo de las células (Ossa, 2004). La

otra característica es la presencia de las bandas encontradas en el rango de frecuencias 2340–

57

2360cm-1

, de intensidades mucho menores y aun en la muestra control; las cuales están asociadas a

la presencia de CO2 en el equipo utilizado.

Los espectros de infrarrojo para las muestras del sustrato pasante malla Tyler 200 y 325, figura

40A y 40B, están dominados tanto por las bandas típicas de la deformación del agua en las

frecuencias alrededor de 3385 y 1620cm-1

y, adicionalmente se caracterizan por mostrar cambios

significativos en la región comprendida entre las frecuencias 1000 a 1200cm-1

, en la cual, al final

del proceso, se definen mejor las bandas típicas de la jarosita, sin embargo, se puede ver que para

las etapas tempranas del proceso, dichas bandas no están presentes, observándose una banda ancha

e irregular, características que han sido reportada por Lazaroff et al., (1982) como evidencias de

una posible mezcla de jarosita y sulfatos de hierro amorfos. Pero, dado que las otras bandas típicas

de la jarosita, ubicadas hacia el extremo derecho del espectro, ya empiezan a estar desarrolladas en

las etapas tempranas del proceso, se puede deducir que la proporción de precipitados del tipo

jarosita, para este momento es muy significativa, haciéndose más abundante a medida que se

desarrolla el proceso. Alrededor de 1400cm-1

se puede ver que desde las etapas tempranas del

proceso, e incluso para los controles estériles, aparece una banda muy bien definida, atribuida a la

absorbancia desplegada por la amonio-jarosita debido a la deformación del NH4 +

(Music et al.,

1994), la cual tiende a aumentar y definirse mejor hacia el final del proceso. El hecho de que esta

banda tienda a ser más definida puede deberse a su mayor formación en relación a otros tipos de

jarosita, como K-jarosita, lo cual puede enmascarar las pocas cantidades de ésta.

Una de las bandas más distintivas para el día 10 aparece centrada alrededor de la frecuencia

1125cm-1

, caracterizándose por ser una banda poco ancha y muy definida. Como se mencionó

anteriormente, en este intervalo de frecuencias de absorbancia es en donde aparecen algunas de las

bandas típicas de los modos vibracionales del SO42-

asociadas a la jarosita y de otro lado, algunos

autores (Lazaroff et al., 1982) atribuyen este tipo de bandas a la presencia de sulfatos básicos de

hierro amorfos. Dado que en la región entre 475–625 cm-1

, en la cual también aparecen algunas

bandas asociadas a la jarosita, están presentes, aunque con una baja intensidad, podría concluirse

que para este sustrato y en este periodo de tiempo se tiene una mezcla de sulfatos como jarositas

con precipitados poco cristalinos, posiblemente sulfo-arsenatos de hierro de baja cristalinidad.

Desde este momento y en adelante, las bandas asociadas al SO42-

de la jarosita, se encuentran más

definidas y de mayor intensidad, confirmando así el aumento de este tipo de precipitados. Se puede

ver que la banda alrededor de 1402cm-1

atribuida a la absorbancia desplegada por la amonio-

jarosita debido a la deformación del NH4+ se define totalmente (Music et al., 1994).

De una forma general, las bandas alrededor de las frecuencias 1190 y 1085cm-1

correspondientes al

modo vibracional ν3 de la jarosita, 628 y 475cm-1

correspondientes al modo vibracional ν4 y ν2 de

la jarosita respectivamente (Adler & Kerr, 1965; Ivarson, 1973; Lazaroff et al., 1982; Music et al.,

1994; Baron & Palmer, 1996; Sasaki, 1997). La banda en 866cm-1

interpretada como AsO4-3

en

solución sólida en la amonio-jarosita (Márquez, 1999), fueron observadas.

Las bandas en 3411 y 1635cm-1

son interpretadas como pertenecientes al modo vibracional OH de

las deformaciones asociadas al agua estructural ( H2O) en las jarositas (Music et al., 1994; Sasaki,

1997; Baron & Palmer, 1996; Lazaroff et al., 1982; Ivarson, 1973; Adler & Kerr, 1965). Las

bandas observadas en 508 y 472cm-1

fueron consideradas como correspondientes al modo OH de

la amoniojarosita (Lazaroff et al. 1982). Las bandas en 3198 y 1426cm-1

fueron interpretadas como

pertenecientes a la vibración NH y a la deformación del NH4+ en la amoniojarosita,

respectivamente (Sasaki, 1997; Lazaroff et al., 1982; Ivarson, 1973). Las bandas en 2935 y 2847

cm−1

se interpretaron como grupos alifáticos debidos a la precipitación de biomasa propia del

metabolismo de las células (Naumann & Helm, 1995; Sharma & Hanumantha Rao, 2005; Xia et

al., 2008). Para la malla Tyler 325, sin embargo, la banda ubicada en 628 cm-1

correspondientes al

modo vibracional ν4 de la jarosita no fue observada.

58

Cuando se trabajo con el consorcio de microorganismos, las principales diferencias observadas

son: (i) que el medio de cultivo, incluidas las bacterias, no mostraron diferencias significativas al

proceso de oxidación del mineral. Ya que como se puede observa en las figuras 40C y 40D las

bandas de adsorción son las mismas, solo cambian, en algunos casos, las intensidades con las que

son medidas. Este proceso también fue observado mediante SEM/EDS donde el mecanismo de

degradación del material es el mismo en ambos casos. (ii) El área superficial expuesta presenta la

mayor diferencia. Cuando se evalúa la malla Tyler 325, no importa si es un medio con una mezcla

de microorganismos o un microorganismo en particular, los resultados son los mismos, no se

definen claramente las bandas, algunas bandas como por ejemplo la ubicada en 628cm-1

no se

desarrolla, y se logran resultados muy parecidos a los obtenidos en los controles estériles de lo que

se infiere que es un mecanismo netamente químico en prevaleciente durante el periodo de

oxidación del mineral.

5.3.5. Microscopía de fuerza atómica (AFM)

Una de los principales argumentos de la oxidación de minerales por microorganismos es la

adhesión de éstos a la superficie del sustrato (Bosecker 1997; Rawlings 2002; Olson et al., 2003;

Rohwerder & Sand. 2003; Rawlings 2005), es por esto que, la utilización de las imágenes de AFM

para el estudio de éste fenómeno es de vital importancia.

La hipótesis de que Acidithiobacillus ferrooxidans es capaz de adherirse a un sustrato hidrofóbico,

atómicamente plano, con el cual el microorganismo no tiene ninguna afinidad metabólica ya ha

sido probada mediante la técnica de SPM/AFM (Bevilaqua 2003) pero no se ha estudiado a fondo

las transformaciones topográficas generadas sobre el sustrato por la actividad metabólica de estos

microorganismos.

Figura 41. Imágenes de microscopía de fuera atómica (AFM) para la superficie de arsenopirita luego de 12 horas de interacción con

medio T&K sin bacterias. El área de medida fue de 576 µm2, imagen superior, y de 25 µm2 imagen inferior.

59

La figura 41, muestra la superficie de arsenopirita sometida a la interacción con medio T&K, sin

bacterias, la superficie del mineral no presenta indicios de disolución durante el periodo de tiempo

evaluado (12 horas) mostrando una rugosidad promedio de 6,24 nm para la imagen de más alta

magnificación y de 2,17 nm para la más baja magnificación y una rugosidad cuadrática de 7,8 nm

y 3,1 nm, respectivamente.

En las figuras 42 y 43 se muestran un conjunto de imágenes AFM de la superficie de arsenopirita

sometida a la acción bacteriana durante 12 horas. Las imágenes AFM muestran varias zonas típicas

de corrosión y alta irregularidad superficial, donde la rugosidad promedio fue de 72,78 nm y la

cuadrática fue 93,54 nm para la imagen AFM tomada a 3 x 3µm y 25,56 nm y 33 nm para la

imagen tomada a 2 x 2 µm, respectivamente. Para la imagen AFM tomada a mayor amplitud, 12 x

12 µm, se observó una rugosidad promedio de 249,81 nm y cuadrática de 330,59 nm.


medio T&K inoculado. El área de medida fue de (12 x 12) µm2.


medio T&K inoculado. El área de medida fue de (3 x 3) µm2, imagen superior, y de (2 x 2) µm2, imagen inferior.

5. resultados · con base en observaciones de secciones pulidas al microscopio óptico de luz plana...

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