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ESTUDIO DE BIORREMEDIACIÓN POR COBRE CONTAMINANTE Junnior Water Prize 2013
PK
22/11/2012
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1. Información Establecimiento Educacional
NOMBRE
Instituto de Humanidades Luis Campino
COMUNA
Providencia
REGIÓN
Metropolitana
DIRECCIÓN
Avenida Pedro de Valdivia 290
DIRECTOR
Pbro. José Agustín Tapia Rodríguez
TELÉFONO
02-4904300
WEB
www.lcampino.cl
2 Información Estudiante N°1 (Máximo 2 participantes)
NOMBRES Y APELLIDOS
Andrea Belén Muñoz Cabrera
RUT
19.331.935-1
FECHA DE NACIMIENTO
05-02-1996
CURSO
3°D
DIRECCIÓN PARTICULAR
Ricardo Lyon 581 depto.204, Providencia
TELÉFONO PARTICULAR
5014520
TELÉFONO CELULAR
90180576
2
3 Información Estudiante N°2 (Máximo 2 participantes)
NOMBRES Y APELLIDOS
Catalina Alejandra Castro Faúndez
RUT
18.663.596-5
FECHA DE NACIMIENTO
10-11-1993
CURSO
3°B
DIRECCIÓN PARTICULAR
Antonio Varas 1362, depto. 203 Providencia
TELÉFONO PARTICULAR
2040133
TELÉFONO CELULAR
86975484
4 Información Docente Guía
NOMBRES Y APELLIDOS
Patricio Kim Núñez Barnier
RUT
8.963.889-5
FECHA DE NACIMIENTO
12-05-1961
CURSO
ciencias
DIRECCIÓN PARTICULAR
Pirámide 932-a
TELÉFONO PARTICULAR
4599295
TELÉFONO CELULAR
99433977
5 Información Asesor(a) Científico(a) Externo(a)
NOMBRES Y Juan Carlos Ríos Quezada
3
APELLIDOS RUT
12.194.259-3
ESTABLECIMIENTO EDUCACIONAL
Universidad Andrés Bello
ESPECIALIDAD
Bioquímico, Magister en Bioquímica y candidato a doctor en Biotecnología
DIRECCIÓN ESTABLECIMIENTO EDUCACIONAL
República 217, Santiago, RM.
DIRECCIÓN PARTICULAR
Renato Zanelli 143, dpto. 202
TELÉFONO PARTICULAR
2226916
TELÉFONO CELULAR
62168619
Declaración Asesoría Otorgada
Indicaciones de seguridad en la manipulación bacteriana
6 Resumen Investigación
La contaminación por cobre en las aguas cercanas a las zonas mineras se debe esencialmente a las rocas de baja ley que no se utilizan. En el presente trabajo se hallaron nuevas cepas bacterianas que esperan fortalecer los procesos actuales de biolixiviación que aventajarían la extracción cuprífera y para así disminuir este metal en aguas de relave.
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7 Resumen Ejecutivo (2 páginas máximo)
En Chile se encuentran los yacimientos de cobre más grandes del mundo y este mineral es el más importante ya que su explotación es esencial en el manejo económico del país. El cobre se extrae principalmente en las mineras de la zona norte del país (Región de Atacama), las cuales necesitan de los escasos ríos, o cuerpos de agua. El problema se produce porque durante muchos años se ha descartado mucho material rocoso porque presenta baja ley. Luego durante el tiempo; por alto costo, baja tecnología u otros aspectos aún permanecen miles de millones de toneladas de desechos de material rocoso amontonado que lentamente acumula efectos dañinos al medioambiente. Por otra parte, las aguas del sistema hídrico de la región están naturalmente contaminadas por componentes químicos provenientes de la composición de los suelos. Los percolados (material líquido que se filtra hacia el suelo que contiene los materiales) de los relaves son un constante peligro de contaminación de las escasas napas acuáticas freáticas existentes.
En la región de Atacama se encuentra además el desierto más árido del mundo, y el agua potable, en estas zonas es muy escasa, ésta se obtiene principalmente de pozos perforados y en menor proporción de captaciones superficiales. Por tanto se produce el problema de que el cobre se acumule en estas aguas e inutilice su uso porque es un elemento químico con propiedades especiales, por un lado en mínimas cantidades es utilizada en el metabolismo de los seres vivos, incluidos los humanos pero, en un poco mayores concentraciones es tóxica para la mayoría de las bacterias, hongos, plantas y animales. Es más, en bajas concentraciones se utiliza como antibacteriano, antialgas y antimicótico en las formas metálicas y salinas.
Hace algunos años se sabe que existen bacterias especializadas capaces de sobrevivir en presencia de cobre, y algunas de ellas se utilizan en la minería del cobre porque son capaces de solubilizar (biolixiviar) el mineral adherido a rocas de baja ley, luego el cobre solubilizado es captado eléctricamente como metal al cátodo y rescatado del medio acuoso. Al presente se producen miles de toneladas de cobre fino al año por este medio, pero que dado el volumen de material rocoso existente, el cual forma gigantescos cerros con restos de cobre en la zona, el daño ambiental acumulativo no se detiene. De manera que numerosos grupos empresariales están en la búsqueda de mejorar las actuales técnicas de extracción.
El presente estudio busca responder el cuestionamiento de que si es posible acelerar los procesos de extracción del cobre de estas grandes acumulaciones de rocas con cobre en baja ley. Se desea que se evite el daño de aguas y medioambiental en las zonas aledañas a las mineras que actualmente se está produciendo. Además la investigación se pretende unir a los esfuerzos empresariales de captar este metal con un alto valor comercial.
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Para esto, se trajeron restos rocosos de Chuquicamata, que es la mina de cobre más grande del mundo, a tajo abierto. Con ellos se realizó fragmentación con morteros y se separó en porciones que fueron puestas a prueba con diversas soluciones que llevaban cepas bacterianas previamente aisladas en el colegio desde tierras de compost y otras que estaban presentes en las mismas rocas traídas del yacimiento cuprífero, se adicionó junto a ellas una solución de filtrado de carne como nutriente.
Después de muchos intentos, algunas de las soluciones con bacterias se tiñeron de azul con distinta intensidad, y la medición del azul se realizó por la medición del cambio de absorbancia a 500 nanometros, las medidas de lixiviación por este medio indicaron un aumento de hasta el 1000% comparado a soluciones control con más de un 99,9 de grado de confianza utilizando estudios estadísticos Anova. Más tarde, el color azul se eliminó del medio acuoso por medio de sumergir clips de hierro, en los cuales se depositó un precipitado de color café rojizo y conjuntamente se desgastó el hierro del clip. Lo cual es idéntico de lo que acurre al sumergir el metal hierro en una solución con sulfato de cobre, en la que se produce la reacción oxido-redox que reduce el cobre a metal y el hierro se oxida y se disuelve. Las tres cepas de bacterias que mostraron capacidad lixiviante se re-aislaron desde las soluciones azules (con cobre) en placas de Petri y se clasificaron en microscopio bajo la tinción Gram. Todas las bacterias son Gram positivas, dos bacilos y una cocácea
Por lo anteriormente expuesto se sugiere que las bacterias aisladas son capaces de multiplicase en presencia de cobre, producir lixiviación en estas rocas fragmentadas y por medio de una reacción óxido-redox sacar el cobre del agua.
Estos resultados son congruentes con el propósito de fortalecer las técnicas de biolixiviación que pueden acompañarse de sistemas solares eléctricos para la obtención limpia de cátodos de cobre Por lo cual, su uso constituiría un proceso biorremediación ambiental que debiera ser comparado con los procesos existentes en la minería y puede ser una fórmula de limpieza medioambiental que se uniría a sistemas con ganancia económica por ganancia de cobre fino.
Pregunta: Si a pesar de los actuales procesos de biolixiviación, las rocas con cobre en baja ley aún originan pérdida de metal y luego son fuente de contaminación de cuerpos de agua en el Norte de Chile ¿Será factible implementar una mejor extracción del cobre de ellas, con nuevas bacterias o con otros métodos amigables con el medioambiente?
Hipótesis: Si se encuentran nuevos métodos o nuevas bacterias que produzcan biolixiviación de cobre, entonces es posible que alguna de las nuevas bacterias posea capacidades complementarias o mejores que las bacterias actualmente en uso, lo cual será en beneficio de la extracción cuprífera y en el cuidado del mediombiente.
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Objetivos: Fortalecer biolixiviación de cobre presente en rocas que se encuentran en la zona norte de nuestro país.
8 Índice
PORTADA……………………………………………………………………………….. 0
Información Establecimiento Educacional………..……………………………………… 1
Información Estudiante N°1 ……………………………………………………………………..1
Información Estudiante N°2 ………………………………………………………………..2
Información Docente Guía …………………………………………………………………2
Información Asesor(a) Científico(a) Externo(a) ……………………………………………2
Resumen Investigación .…………...………………………………………………………. 3
Resumen Ejecutivo ………………………………………………………………………..4
Índice …………………………………………………………………………………….6
Antecedentes e Introducción ………………………………………………………….. …7
Desarrollo …………………………………..…….………………………………………..7
Conclusión ………..………………………………………………...…………....………. 10
Bibliografía ………………………………………………….…………………………… 10
Anexos …………………………………………………………………………………. 11
7
9 Antecedentes e Introducción (Pertinencia de la bibliografía presentada. Reseña y secuencia de los hallazgos que llevaron al planteamiento del problema que la investigación intenta resolver)
El cobre es el metal mas utilizado a lo largo de la vida del hombre, y en Chile, es el principal producto de exportación. La contaminación que se produce por este mineral en los ríos cercanos a las zonas mineras, es un hecho de gran importancia que las generaciones actuales no pueden dejar pasar, ya que afecta a la flora y fauna de la zona norte de nuestro país. Además de los recursos minerales que son desperdiciados al estar en este ambiente, y sin dejar de lado a los paisajes que por esta razón no se pueden apreciar. Tomando en cuenta lo anterior, se encontró la motivación para iniciar una investigación sobre la lixiviación de cobre, y así favorecer la recuperación de este metal para la minería y en conjunto la protección de los cuerpos de agua de recibir excesos de cobre.
10 Desarrollo
(Considerar los criterios de evaluación y contenido anteriormente señalados) Materiales:
- Espectrofotómetro marca Spectronic 20-D -Piedra con cobre (Chuquicamata) -Tubos de ensayo (20) -Distintos líquidos experimentales para comprobar cual era más factible: -Agua corriente -Agua destilada -Buffer (fosfato de sodio) -Caldo de carne - Distintos tipos de bacterias: -R13 -P06 -SB -BP
Métodos:
Rocas naturales provenientes de la zona de Chuquicamata, que contienen cobre sin procesar, fueron fragmentadas en mortero de porcelana y fraccionadas en grupos de 1 gr. para las experimentaciones. Se realizó un ensayo que puso a prueba diferentes soluciones biológicas como posibles elementos naturales (algunas soluciones con clones bacterianos específicos) para producir biolixiviación del cobre presente en un gramo de fragmentos de roca. La experimentación se realizó en tubos de ensayo tapados con algodón hidrófilo para evitar contaminación del medio. Luego las muestras contenían lo siguiente:
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TABLA 1: MUESTRAS EN ESTUDIO
CONTENIDO TUBOS
Roca con cobre (1gr) + + + + +
Elemento en
evaluación
Agua
corriente
Agua
destilada
Buffer
+ caldo
Bacterias
SB
Bacterias
R13
CONTENIDO TUBOS
Roca con cobre + + + + +
Elemento en
evaluación
Bacterias
De piedra
Bacterias
Plásticas
Sólo el
buffer
Sólo el
caldo
Bacterias
Poffy
Las muestras de: Agua corriente, Agua destilada, Buffer (monofosfato de sodio 2gr/lt) y Caldo de carne (1Kgr carne vacuno en 5 lt. de agua corriente) son controles de la acción bacteriana. Origen bacteriano (todas son cepas aisladas en el laboratorio del colegio): SB: bacteria de tierras fértiles que se han utilizado en cultivos vegetales, cocácea Gram(-). R13: bacteria de tierras fértiles que se han utilizado en cultivos vegetales, bacilo Gram(+). De piedra: lavado de rocas en buffer fosfato previo a experimentación. (Se pensó que estas piedras podían traer bacterias propias) Plásticas: bacterias que se aislaron por poseer capacidad para degradar plásticos. Poffy: bacterias que poseen la capacidad de multiplicarse con facilidad en frío (4°C). -Al segundo día se hicieron observaciones pero la cuantificación se realizó después de un mes.
Resultados: Tabla2 de densidades ópticas de los tubos A y B:
Solvente Agua Corriente
Agua Destilada
B+C SB R13 Piedra Plástico Buffer Caldo Poffy
1ºA -0,019 0,023 0,117 0,087 0,197 -0,015
0,192 -0,018 0,08 0,66
2ºA 0,009 0,03 0,12 0,066 0,236 0,005 0,2 -0,007 0,055 0,67 3ºA 0,008 0,028 0,116 0,055 0,22 0,045 0,189 0,03 0,066 0,674
1ºB 0,026 0,0062ºB 0,028 0,0073ºB 0,029 0,02Promedio Final
0,02 0,04
Gráfico 1: DENSITOMETRÍA PARA MEDIR LIXIVIACIÓN DE ROCA
En el gráfico 1 se observa la densidad óptica final de las muestras descritas en la tabla 1, para cada muestra se hicieron duplicados y cada uno de ellas en triplicado, por lo cual para graficar se hicieron promedios. Se extrajo cada solución por separado (700 microlitrdejaron reposar por tres horas y se observó la aparición de un color café rojizo sobre el clip que sería producto de la impregnación del clip por cobre metálico.La aparición de color café fue cualitativamente análog En el gráfico 1 se presentan las mediciones de absorbancia (500 nm), por lo cual, las soluciones que se encontraron en un estado más turbio presentaron densidad óptica mayor, además presentaron mayor intensidad del color relación directa a la liberación de cobre de las rocas (biolixiviación) y conjuntamente un aumento de proliferación bacteriana.Llamó la atención que el caldo de carne produjo liberación de cobre sin detectar bacten la solución (se plaqueó el caldo: dato no mostrado), fue luego una reacción directa de algún componente sobre la roca. Supuestamente, la carne al llegar al punto de cocción libera una gran cantidad de proteínas y aminoácidos, entre otras cosas, loser los causantes de este fenómeno.En las bacterias, la que se nominó “Poffy” produjo gran densidad óptica y mayor disolución de cobre, lo que es sugerente de que posean capacidad lixiviante.Cuando se agregó el clip de hierro en 700 miccobre disuelto por la reacción redox Fe
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0,006 0,116 0,088 0,164 0,086 0,102 0,007 0,12 0,082 0,13 0,018 0,081 0,02 0,121 0,041 0,149 0,036 0,09 0,04 0,011 0,06 0,4 0,033 0,14
Gráfico 1: DENSITOMETRÍA PARA MEDIR LIXIVIACIÓN DE ROCA
se observa la densidad óptica final de las muestras descritas en la tabla 1, para cada muestra se hicieron duplicados y cada uno de ellas en triplicado, por lo cual para graficar se hicieron promedios. Se extrajo cada solución por separado (700 microlitros) y se les puso un clip de hierro, se dejaron reposar por tres horas y se observó la aparición de un color café rojizo sobre el clip que sería producto de la impregnación del clip por cobre metálico. La aparición de color café fue cualitativamente análoga a lo obtenido en el gráfico1.
En el gráfico 1 se presentan las mediciones de absorbancia (500 nm), por lo cual, las soluciones que se encontraron en un estado más turbio presentaron densidad óptica mayor, además presentaron mayor intensidad del color azul, por ende ésta seria posiblemente una relación directa a la liberación de cobre de las rocas (biolixiviación) y conjuntamente un aumento de proliferación bacteriana. Llamó la atención que el caldo de carne produjo liberación de cobre sin detectar bacten la solución (se plaqueó el caldo: dato no mostrado), fue luego una reacción directa de algún componente sobre la roca. Supuestamente, la carne al llegar al punto de cocción libera una gran cantidad de proteínas y aminoácidos, entre otras cosas, loser los causantes de este fenómeno. En las bacterias, la que se nominó “Poffy” produjo gran densidad óptica y mayor disolución de cobre, lo que es sugerente de que posean capacidad lixiviante. Cuando se agregó el clip de hierro en 700 microlitros de solución se produjo captación del cobre disuelto por la reacción redox Fe-Cu, en la que el fierro se oxida y el cobre se reduce
Densidad optica
0,013 0,2 0,63 0,081 0,219 0,631 0,012 0,221 0.635 -0,001 0,14 0,64
Gráfico 1: DENSITOMETRÍA PARA MEDIR LIXIVIACIÓN DE ROCA
se observa la densidad óptica final de las muestras descritas en la tabla 1,
para cada muestra se hicieron duplicados y cada uno de ellas en triplicado, por lo cual para
os) y se les puso un clip de hierro, se dejaron reposar por tres horas y se observó la aparición de un color café rojizo sobre el clip
a a lo obtenido en el gráfico1.
En el gráfico 1 se presentan las mediciones de absorbancia (500 nm), por lo cual, las soluciones que se encontraron en un estado más turbio presentaron densidad óptica mayor,
azul, por ende ésta seria posiblemente una relación directa a la liberación de cobre de las rocas (biolixiviación) y conjuntamente un
Llamó la atención que el caldo de carne produjo liberación de cobre sin detectar bacterias en la solución (se plaqueó el caldo: dato no mostrado), fue luego una reacción directa de algún componente sobre la roca. Supuestamente, la carne al llegar al punto de cocción libera una gran cantidad de proteínas y aminoácidos, entre otras cosas, los cuales pudieron
En las bacterias, la que se nominó “Poffy” produjo gran densidad óptica y mayor disolución
rolitros de solución se produjo captación del Cu, en la que el fierro se oxida y el cobre se reduce
-0,100,10,20,30,40,50,60,7
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a cobre metálico saliendo de la solución y quedando sobre el clip (color café rojizo). De esta forma se propone el hecho de que el aumento de absorbancia se relacionó con la lixiviación del cobre contenido en la roca, el cual no se libera fácilmente por la acción del agua o buffer y además permite completar, a lo menos in vitro, con la purificación del agua extrayendo el cobre por sustitución con hierro que es menos contaminante. Sin embargo, este proceso in situ, debiera estar hecho en forma eléctrica por medio de utilizar captadores solares y evitar así otros contaminantes. Para la descontaminación de cuerpos acuáticos bajo la contaminación por cobre se requiere reforzar las estrategias que permitan mitigar este contaminante en las aguas. Esta estrategia debiera ser económica e idealmente inofensiva con el medio ambiente. Las estrategias de bioremediación han sido los métodos de elección para situaciones similares por lo cual creemos que la utilización de bacterias o medio biológicos representan una respuesta factible a este problema. Los resultados evidencian una destacada lixiviación por medio de utilizar bacterias o caldos de carne lo cual se describe en el grafico Nº 1 en el cual se describe un aumento de cobre en la solución de más de 10 veces por el incremento de densidad óptica reflejo de la solubilización del cobre unido a la roca. Como esta roca es natural de la zona nortina puede representar un buen elemento tipo de las piedras que son la actual fuente contaminante de los cuerpos de agua en la zona norte de chile, sin embargo, en este estudio no se ha demostrado la factibilidad para estrategias in situ. Este estudio también busca hacer un llamado a la conciencia publica para reparar el medio ambiente acuático nortino el cual puede requerir mayores esfuerzos que los presentados en este estudio, sin embargo, este trabajo puede aportar un grano de arena en lo que se llama bioremediación del medio ambiente.
11 Conclusiones
Soluciones bacterianas aumentaron disolución del cobre en una roca proveniente de Chuquicamata.
El cobre disuelto por sustancias biológicas (bacterias) pudo ser extraído como metal al colocar clips de hierro en las soluciones donde hubo lixiviación
Se espera que cepas bacterianas como las evaluadas en este estudio aporten positivamente en el proceso de biolixiviación.
12 Bibliografía Biolixiviación y lixiviación Hasta con bacterias se puede combatir la contaminación. http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?ID=204867
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Impacto ambiental potencial de la extracción y procesamiento de minerales http://es.wikipedia.org/wiki/Impacto_ambiental_potencial_de_la_extracci%C3%B3n_y_procesamiento_de_minerales Matthew Flynn . Biolixiviación es menos contaminante para necesidades de CVRD - Brasil http://www.bnamericas.com/news/mineria/Biolixiviacion_es_menos_contaminante_para_necesidades_de_CVRD GONZÁLEZ, MUENA, CISTERNAS & NEAMAN. (2008) Acumulación de cobre en una comunidad vegetal afectada por contaminación minera en el valle de Puchuncaví, Chile central. Revista Chilena de Historia Natural 81: 279-291.
13 Anexos Microfotografías de bacterias biolixiviantes (Lente 40x)
Esquema de lo esperado que realizan bacterias:
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