Bioextraccion de metales El uso de material biolgico en la extraccin o recuperacin de metales puede realizarse de diferentes formas. La recuperacin y eliminacin de metales de residuos domsticos o industriales ha sido tratada en el cap. 4 una diversidad de microorganismos tienen la capacidad de solubilizar los metales a partir de depsitos metlicos insolubles normalmente sulfuros. Esta capacidad conocida como Biolixiviacin se a utilizado para extraer metales a partir de menas metlicas de baja riqueza y en algunos casos este proceso se realiza in situ (Curtin 1983) La biolixiviacion tambin es un mtodo alternativo de extraer metales de menas difciles (recalcitrantes) y ha sido utilizado para re-extraer los residuos de las minas (Rossi. 1990) la biolixiviacion tiene la ventaja de que es un proceso que requiere poca energa comparado con la extraccin tradicional de la mena. No est afectado por el contenido metalico de las menas. El cual tiene un efecto significativo en el coste del proceso tradicional. Los residuos de las minas tambin sufre biolixiviacion natural no controlada que puede producir un lixiviado fuertemente acido que puede contaminar el medio ambiente. Esto puede ser eliminado con la Biolixiviacin controlada Esta tecnologa, llamada hidrometalurgia, es preferible desde el punto de vista de su impacto ambiental y de su rentabilidad.Por lo visto, aunque algunas actividades mineras no son fcilmente reemplazables, se busca lograr que tengan el menor impacto ambiental posible. En este sentido, se espera que los avances cientficos en una de las reas de la biotecnologa llamada biominera, permitan reducir el impacto ambiental negativo en estas operaciones mineras.Cmo actan las bacterias mineras

Las bacterias mineras logran hacer solubles los minerales. Los microorganismos realizan esta tarea como parte de sus procesos metablicos, simplemente alimentndose de los minerales (son quimiolitoautotrficas o quimioauttrofos).Durante el proceso, las bacterias comen electrones, los cuales son extrados de los minerales. Estos electrones forman una especie de batera dentro de la bacteria, creando una diferencia de potencial que genera energa, al igual que en una pila. Esta energa es almacenada para luego utilizarla en los distintos procesos metablicos. Adems, estos microorganismos necesitan carbono, pero lo obtienen del aire en forma de CO2, no de los hidratos de carbono.A este tipo de microorganismos se los llama "bacterias oxidantes" porque al obtener los electrones oxidan ciertos minerales. La utilizacin de bacterias permite explotar recursos minerales que son muy difciles y costosos de lixiviar qumicamente. En cambio estos microorganismos son muy eficientes y econmicos ya que crecen naturalmente en estos medios.La primera bacteria identificada capaz de lixiviar fueAcidithiobacillus ferrooxidans. Fue en 1947 cuando se descubri que era la responsable del gran deterioro que sufran los equipos metlicos en las instalaciones de una mina espaola, debido a su gran capacidad de oxidacin de las aguas. Diez aos ms tarde se encontr la misma bacteria en drenajes cidos de minas de carbn a cielo abierto.

El nombre de esta bacteria extremfila indica varias cosas: Acidithiobacillus, es acidfilo, porque crece en pH cido, es thio, porque es capaz de oxidar compuestos de azufre y es un bacillus, porque tiene forma de bastn, y ferrooxidans, porque adems puede oxidar el Hierro.

Estas bacterias extremfilas (ver Cuaderno N 57) lixivian, es decir, disuelven las rocas o minerales y los solubilizan. Mediante una reaccin de oxidacin, convierten al Sulfuro de Cobre (CuS) que es slido en Sulfato de Cobre (CuSO4) soluble en solucin acuosa, a partir de la cual se puede recuperar el cobre como metal.El metal se recupera utilizando electrodos de acero (planchas) sobre los que, por un proceso electroqumico, se deposita el cobre precipitado. As, se obtienen ctodos de cobre de alta pureza, listos para ser exportados.A partir de una serie de experimentos que se desarrollaron en Sudfrica se descubri que si se conservan estas bacterias en agua con un bajo contenido de cido y azufre a una temperatura de unos 75 grados centgrados, en cuatro das pueden convertir el mineral de cobre en una solucin de 30 gramos de cobre puro por cada litro de agua, la cual es luego enviada a una refinera, donde se desarrollan las etapas de extraccin y purificacin.El cobre es el metal que se recupera en mayor medida por esta metodologa. Chile, que comparte la cordillera y sus recursos mineros con nuestro pas, es el mayor exportador mundial de cobre y obtiene aproximadamente el 5 % por biolixiviacin.

Otras bacterias que comen minerales

Adems deAcidithiobacillus ferrooxidans, existen otras bacterias que solubilizan minerales de sulfatos de elementos de transicin (como por ejemplo, cobre). Entre ellas se encuentranAcidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus caldos y Leptospirillum ferrooxidans. El uso de estas especies de bacterias en biominera a nivel industrial, est asociado directamente a su carcter de acidfilos (afines a los cidos) y a los escasos requerimientos de nutrientes e infraestructura necesarios, debido a que no requieren fuentes orgnicas de energa ni mantenimiento de temperaturas elevadas.Las especies correspondientes al gneroAcidithiobacillusson capaces de catalizar la oxidacin de compuestos reducidos de azufre (como sulfuro, azufre elemental, tionatos, etc.) utilizando oxgeno como aceptor electrnico y generando cido sulfrico como producto final, segn la siguiente ecuacin qumica:

De este modo, estas bacterias pueden ser utilizadas en forma directa, para la recuperacin de metales asociados a sulfuros (en la medida que los sulfatos respectivos sean solubles). As, si M representa a un metal asociado a sulfuros, estos microorganismos catalizan la siguiente reaccin:

Adems,Acidithiobacillus ferrooxidansyLeptospirillum ferrooxidansson capaces de catalizar la oxidacin de hierro (II) tambin en condiciones aerbicas:

Estas bacterias hierro-oxidantes, pueden contribuir a la disolucin de los sulfuros metlicos por va indirecta, ya que el Fe3+ generado en la reaccin anterior, es un agente oxidante que puede atacar qumicamente a los sulfuros:

Este segundo mecanismo (denominado indirecto) es especialmente interesante dado su carcter cclico (el Fe2+ obtenido en (4) es nuevamente utilizado en (3)).El desafo de la biotecnologa

El gran desafo de la biotecnologa es incrementar significativamente la obtencin de metales mediante este proceso de bajo costo y ms amigable con el medio ambiente. Esto se podr conseguir conociendo mejor estas bacterias y haciendo su funcin ms eficiente en el proceso tecnolgico.

La biotecnologa a escala productiva, permitir aumentar significativamente la extraccin del cobre y otros metales, y har viable tcnica y econmicamente la explotacin de metales en baja concentracin dentro del mineral.Son varias las ventajas de la tecnologa microbiana (biominera) sobre los mtodos no biolgicos, entre ellas:Requiere de poca inversin de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas cidas de minas).

Bajos costos de operacin necesarios para las operaciones hidrometalrgicas.

Relativa ausencia de polucin o contaminacin ambiental durante el proceso.

Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metal en las minas, los que no pueden ser econmicamente procesados por los mtodos tradicionales y habitualmente se acumulan sin ningn tipo de tratamiento.

Permite explotar los recursos mineros en forma ms limpia y ms econmica siendo esta otra ventaja competitiva.

Beneficio de MineralesSe trata de procesos microbianos destinados a aumentar la calidad y por ende el valor econmico de distintos minerales a travs de transformaciones microbianas de compuestos contenidos en dichos minerales. Por ejemplo:Decoloracin de talcos y caolines. Se ha aplicado a talcos y caolines que contienen hierro el cual les confiere coloracin. La reduccin microbiana de hierro frrico a ferroso permite separarlo, beneficiando as materias primas destinadas a la produccin de porcelana.Beneficio de minerales de manganeso. En minerales de manganeso es posible aumentar la ley de manganeso (concentrarlo), transformar distintos xidos de manganeso en pirolusita, liberar el hierro y liberar el fsforo contenido, paara cumplir con las caractersticas del mineral de manganeso requeridas por la industria del acero.Deteccin de yacimientos de azufre nativo.El 99 % del azufre nativo presente en la corteza terrestre es de origen microbiano. El trazado de mapas a partir de las concentraciones de los microorganismos involucrados permite detectar y acotar la zona de yacimientos de azufre nativo.Desarrollo de procesos para producir azufre a partir de sulfatos.Estn en desarrollo procesos llevados a cabo con los mismos microorganismos de la aplicacin anterior, imitando y optimizando lo que sucede en la naturaleza.

Recuperacin de metales de los residuos de minera La investigacin sobre bacteria que oxidan el hierro y azufre en 1920-1930 da lugar al nacimiento d ela biolixiviacion Bryner et al. (1954) describieron con las piritas de hierro y el sulfuro de cobre podan ser oxidados por la bacteria acida thiolacillus. En la mina a cielo raso de Kennecott Binghan Canyon. Este trabajo dio lugar a la primera patente en 1958 (Zimmerley et al. 1958). La minera deja atrs grandes cantidades de menas de baja calidad que son demasiado bajas en contenido metlico para justificar la extraccin convencional. Esta es una perdida considerable de metal y cualquier proceso para extraccin econmica de ese material ser de un valor considerable. Se ha demostrado que los microorganismos pueden extraer cobalto, niquel, cadmio antimonio, cinc, plomo, galio, indio, magnesio, cobre y estao de menas de sulfuros. Desarrollos recientes han demostrado que se puede extraer oro de menas piritas Se ha aislado diferentes bacterias de la biolixiviacion natural y comercial que son capaces de degradar sulfuros metlicos. Una extensa lista de los organismos que se sabe que tienen capacidad de biolixiviacion ga sido publicada en Krebs et al (1997), se han clasificado segn su temperatura optima de crecimiento (Tabla 7.3) los importantes mesofilos. Que crecen a 25-35C son quimiolitotrofos y altamente acidofilos (pH 1,5-2,0) e incluyen thiobacillas ferrooxidaus. Thiobacilius thiooxidans y leptospiritium ferrooxidans

OrganismoTemperatura optima de crecimiento (C)Sustratos utilizados

MesofilosThiobacillus ferrooxidous30Oxida Fe,S,2 O 4SULFUROS METALICOS

Leptospirillus ferroocidaus30Oxida Fe pero no S

Thiobacillus30Oxida S, S,2 O 3 pero no Fe o sulfuros metlicos

Desuifovibrio spp30Reduce S,2 O 4 forma sulfuros metlicos

Acidopillium cryptum30Crece en sustratos organicos

Thiobacillus neopolirames30Oxida S a PH6.0

Termfilos30Oxida Fe, S, MoS2 , CuFeS3

Salfalobus bnerleyi70Oxida Fe, Sulfuros

Thiobacillius TH-155metalicos pero precisa un sustrato organico

Sulfabacilius thermosulfidooxidans50Oxida Fe,S

CUADRO 7.1 Los quimiolitotrofos obtienen la energa necesaria para su crecimiento compuesto de la oxidacin de amonio, nitratos, hidrogeno y azufre El carbono necesario para la sntesis de los componentes celulares proviene de la fijacin de dixido de carbono. Algunos ejemplos son thiobacillus y Beggiatoa(Rawlings and Silver, 1995) T. thiooxidans puede utilizar solamente compuestos de azufre reducido y ferrooxidaus puede utilizer solamente iones ferrosos de este modo, aunque ninguno de ellos de forma aislada piede reducir sulfuros metlicos, juntos degradan rpidamente las piritas (FeS2). Las Bacterias termfilas tluobacillius TH-1 y sulfulobus crecen en calcopiritas (CuFeS) la mayora de estas bacterias requieren algn tipo de sustratos orgnicos para un crecimiento vigoroso S. brierleyi es un termfilo ectremo que puede crecer a 75C y puede metabolizar piritas, calcopiritas y pirroritas (FeS) .Muchos de los metales de inters comercial se encuentra como sulfuros y a partir de las menas de sulfuro los microorganismos pueden eliminar los metales por lixiviacin directa o indirecta. La bacterias implicadas en este tipo de biolixiviacion son principalmente quimiolitotrofos y la biolixiviacion directa e indirecta pueden funcionar al mismo tiempo. Lixiviacin bacterianaEstos procesos tambin se conocen como Biolixiviacin o Biometalurgia y se basan en la capacidad de un grupo de microorganismos de oxidar sulfuros metlicos insolubles a sulfatos metlicos solubles u xidos insolubles a xidos solubles (caso del uranio) y por ende extrables. A partir de esta propiedad se vienen desarrollado aplicaciones en:La extraccin de diversos metales, fundamentalmente cobre, a partir tanto de minerales como de concentrados.Bio-deshydrometallurgyPurificacin de metales preciosos, particularmente oro. Aplicable al tratamiento de oro refractario a la cianuracin por estar enquistado en sulfuros metlicos.Desulfurizacin de carbn.La combustin de carbones conteniendo azufre como sulfuros o azufre nativo, produce xidos de azufre con la consecuente formacin de lluvias cidas. Procesos de solubilizacin de compuestos de azufre contenidos en carbones por lixiviacin microbiana estn siendo analizados.

7.3.2 Lixiviacin Indirecta Esta lixiviacin depende de la capacida de los quimiolitotrofos para generar iones frricos mediante oxidacin de los iones ferrosos solubles. Los iones frricos que son agentes oxidantes. Pueden oxidar el sulfuro metalico, liberando el emtal como sulfato soluble. El proceso ocurre segn las siguientes ecuaciones ya que la mayora de las menas contienen pirita (FES2) 2 FES2 + 7O2 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4 4 FeSO4 + O2 + 2H2SO4 2Fe 2(SO4)3+2 H2OAmbas reacciones estan catalizadas por la bacteria thiobacillus ferroxidans el ion ferrico oxida el sulfuro a sulfato y el azufre se oxide acido sulfrico generando energa en el proceso FES2 + Fe 2(SO4)3+2 H2O 3FeSO4 +2S2S + 3O2 + 2H 2 O 2 H2SO4 El ion ferrico formado es un agente oxidante que puede reaccionar con otros fulfuros, como ps fulfuros de cobre CuFeS2 (calcopirita) Cu2S (calcocita), CuFeS (boronita )y CuS (covelia ) el acido sulfrico formado mantiene el PH del medio bajo y puede realizarse la lixiviacin de otros minerales de cobre. El ciclo completo de muestra en la figura 7.5

7.3.3 Lixiviacion directa En este caso T. ferrooxidans se fija alas partculas de mineral dando lugar a una reaccin global mediante reacciones enzimticas directas 4FeS2 + I5O2 + 2H2O + 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4Alguna de las bacterias implicadas en la lixiviacion de metales se indican en la table 7.2 como puede verse algunas son capaces de crecer hasta 70C lo cual es de gran inters ya que en algunos sistemas de lixiviacin se generan temperaturas de 60-80C debido a la actividad biolgica