- Resumen
- Introducción y antecedentes
- Resistencia bacteriana a los metales pesados
- Materiales y métodos
- Resultados y discusión
- Literatura citada
Los minerales sulfurados concentrados refractarios argentíferos (MSRP), se tratan por diversos métodos como: la tostación, la lixiviación con agentes químicos quelantes, la autoclave y la oxidación química.
Estos métodos tienen una eficiencia relativa, un elevado costo y desafortunadamente un daño ambiental; por ello, se buscan alternativas como la biolixiviación (BL)o lixiviación bacteriana es un proceso natural en la cual bacterias quimiolitotróficas oxidan el azufre, y/o el hierro de los minerales y con ello facilitan la extracción de los metales de valor comercial a bajo costo y sin contaminar el ambiente, aunque tiene la limitante de que la plata en la solución lixiviante inhibe el crecimiento de los microorganismos que participaron en el proceso, por ello se busca aumentar la resistencia de estas bacterias al metal. Los objetivos de este trabajo fueron: i) Aislar y seleccionar bacterias lixiviantes
Para ello se prepararon matraces con medio de cultivo 9K modificado, mezclado con el MSRP como fuente de energía para los microorganismos acompañantes de este mineral.
Para determinar su capacidad lixiviante se midió la concentración de sulfato producida por la oxidación del azufre del MSRP, por una bacteria quimiolitotrófica, el aislado con la máxima actividad de lixiviación del mineral, se adaptó a concentraciones crecientes de plata, lo que nuevamente se midió por la producción de sulfatos en presencia de una concentración elevada de nitrato de plata.
Los resultados indican que los MSRP contienen como acompañantes microorganismos quimiolitotróficos capaces de lixiviar este mineral para extraer la plata. Una de estas bacterias se adaptó, a una elevada concentración de plata. Por el tipo de actividad de lixiviación y las características fisiológicas de la bacteria, se sabe que pertenece a una especie del género Thiobacillus sp.
Se concluye que la lixiviación es una alternativa económicamente viable para la extracción de metales preciosos a partir de MSRP y no causa daño ambiental.
Palabras clave: Thiobacillus, bacterias quimiolitotróficas, azufre.
Los concentrados minerales sulfurados refractarios de oro y de plata, son miembros de la familia 1 B de la tabla periódica de los elementos. Ambos se obtienen como subproductos de la extracción de Ni, Pb, Zn, Cu y Pt por procesos de purificación como la cianuración, la tostación y la electrólisis (Brierley y Briggs, 1997).
Para mejorar la explotación de minerales de plata, se buscan alternativas para el aprovechamiento de los MSRP que por los procesos convencionales de concentración de valores no tienen un mercado atractivo para su comercialización (Bañuelos, 1994).
La BL es un método en biohidrometalúrgica en el que bacterias quimiolitotróficas, oxidan el azufre de los minerales refractarios, con producción de sulfatos derivados del ácido sulfúrico que se generó por vía bacteriana y que aumenta la solubilidad (Murr, et al., 1978; Lynn, 1997; Isamu et al., 1999; Edwards et al., 2000; Orrantia et al., 2000).
La BL tiene la ventaja de que no es contaminante ya que no genera dióxido de azufre a la atmósfera y el rendimiento en el caso de la extracción de la plata es mayor que por los métodos tradicionales (Guerrero 1998a). Además de que se aprovecha principalmente para la recuperación de este metal a partir del MSRP (Brierley y Briggs, 1997; Guerrero, 1998b; Trupti et al., 1999).
La aplicación de la BL consiste en cargar el mineral concentrado piritoso como el MSRP, en un tanque de repulpado, en donde se diluye entre un 20 a 30 % de sólidos, después la pulpa se pasa por bombeo a un tanque de reacción con agitación mecánica y aireación para inocularse con Thiobacillus spp.
Esta bacteria al oxidar el azufre. del mineral genera ácido sulfúrico, el que disminuye drásticamente el pH y con ello el por ciento de los sólidos al 20% ese pH facilita la solubilización del metal unido al mineral. Concluida la BL del mineral, el producto se filtra para lavar y se repulpan los sólidos, posteriormente con la cianuración se continúan con el proceso de purificación final del metal por lo métodos conocidos (Brierley y Briggs, 1997; Guerrero et al., 1998 y Ballesteros et al., 2001).
Se sabe que esta bacteria quimiolitotrófica interviene indirectamente en la BL de piritas y en la oxidación de ión ferroso a férrico al usar ambas como fuente de energía durante su crecimiento (Guerrero, 1998b; Appia-Ayne et al., 1999; Sánchez-Yáñez y Farías-Rodríguez, 2000). Un ejemplo de este grupo de microorganismos es el género Thiobacillus que pertenece principalmente al consorcio de bacterias quimiolitotróficas que se pueden encontrar en un ambiente de minas y suelo semejante al género de Leptospirillium bacteria de reciente descubrimiento y hoy en proceso de explotación a nivel de planta piloto (Schrenk et al., 1998; Rawlings et al., 1999).
La especie de Thiobacillus; más conocida es T. ferrooxidans (Trupti et al., 1999; Wielinga et al., 1999; Navarrete et al., 2001 a) la cual libera el ión férrico durante la BL lo que genera la condición altamente oxidante para solubilizar la pirita por la elevada acidez, derivada de la actividad bacteriana sobre el azufre del mineral que genera ácido sulfúrico (Lawrence, 1983; Guerrero, 1998a; Bond et al., 2000). Por lo anterior, se investiga la fisiología de estas bacterias tolerantes a la acidez extrema así como a concentraciones subletales de plata. Como en el caso de Leptospirillum y Thiobacillus para mantener su capacidad de BL a este pH, lo cual es clave en biohidrometalurgia para la recuperación eficiente de metales preciosos como la plata (Sánchez-Yáñez, 1998; Ballesteros et al., 2001).
Resistencia bacteriana a los metales pesados.
Los iones plata actúan sobre la superficie celular bacteriana, específicamente causan daños drásticos en su pared y en su membrana citoplásmica lo que conduce a la muerte de la célula (Goodman y Gilman, 1982; Tuovinen et al., 1971,1985).
La forma soluble de este metal es la más tóxica para las bacterias; sin embargo, en el ambiente como en los medios de cultivo la toxicidad del metal 'disminuye significativamente porque forma complejos con los sulfatos (SO-24)' los fosfatos (PO-34) o los cloruros (CI") que son constituyentes químicos del ambiente o d!31 medio de cultivo, la plata elimina bacterias por que inhiben su respiración y desacoplan su síntesis de ATP (Belliveau, et al., 1987;Schrenk et al., 1998). Sin embargo, en el caso de las bacterias quimiolitotróficas la tolerancia a metales se logra por adaptación de su metabolismo a una concentración elevada del metal un ejemplo es T. ferrooxidans que en general requiere de altas concentraciones de cationes y aniones para crecer (Brierley, 1978; Lundgren y Silver, 1980; Edwards et al.,2000), pues está demostrado que la oxidación del ión ferroso se realiza principalmente a elevados niveles de diversos metales como: de zinc (0.15 M), de níquel (0.17 M), de cobre (0.16 M), de cobalto (0.17 M), de manganeso (0.18 M) Y de aluminio (0.37 M). No obstante la plata es tóxica a concentración tan baja como 0.5 mM, Tuovinen et al., (1971,1985) señalan su efecto inhibitorio a valores inferiores a los reportados (Lynn, 1997; Orrantia et al., 2000; Sánchez-Yáñez y Rodríguez-Farías, 2000). Además de conocer que su tolerancia al metal en el caso de Thiobacillus depende de la especie y de su estado fisiológico, así como de su previa exposición a la plata en solución (Cervantes, 1992).
Se reporta que los niveles de tolerancia a la plata se incrementan al resembrar el microorganismo lixiviante en concentraciones graduales del metal; de esa forma es posible desarrollar su resistencia por adaptación fisiológica (Cervantes, 1992; BacelarNicolau y Johnson, 1998; Edwards et al., 2000).
La susceptibilidad del microorganismo al metal es mayor durante la oxidación del MSRP que durante la oxidación del ión ferroso; esto sugiere la variabilidad en la respuesta de cada bacteria al usar como fuente de energía diferentes elementos minerales o compuestos inorgánicos que contienen metales (Tuovinen et al., 1971; Belliveau et al., 1987; Isamu et al., 1999; Wielinga et al., 1999; Bond et al., 2000). Por lo anterior, los objetivos de este trabajo fueron: i) aislar y seleccionar microorganismos lixiviantes de un MSRP ii) adaptar estos microorganismos a una elevada concentración de plata.
1. Análisis del mineral sulfurado refractario de plata.
Se realizó un análisis de difracción de rayos X para determinar la concentración de plata y según describen Bacelar-Nicolau y Johnson, (1999) y Ballesteros et al., (2001).
2. Aislamiento de Thiobacillus spp.
Se realizó en matraces Erlenmeyer con 500 mi de 9 K con 5% y 10% w//v del MSRP; los matraces se incubaron en agitación a 200 rpm por 15 días (Sánchez-Yáñez, 1998).
3. Medio de cultivo
El mineral MSRP se obtuvo de la mina "La Guitarra" Temascaltepec, Edo. de México. Se mezcló con el medio de cultivo 9K con la siguiente composición en g/L: NaCO3 1.0; NH4CL, 1.0; MgS04, 0.7; K2HP04, 0.5 ; FeS04 100 ppm o con la del medio 9K modificado, g/L; NH4S04, 8.0 y 7.0; NH4Cl, 5.0; NH4NO3 5.0; KCL, 1.5; MgSO4, 3.0; ZnSO4, 0.1; MgCl2, 4.0 ; CaNO3 5.0; CaSO4, 1.5; NaC1, 1.5; K2HPO4, 2.0; FeSO4, (121 °C/15 min) 2.0; pH=1.5 ajustado con H2SO4 o NaOH según el caso.
4. Determinación de la BL del MSRP.
La capacidad de lixiviación de las bacterias se analizó durante el período de incubación para establecer la cantidad del azufre oxidado del MSRP, por cuantificación de la concentración del sulfato (determinación indirecta), en comparación con el matraz con el 9K con el MSRP esterilizado sin inocular con Thiobacillus, éste se consideró como el control absoluto.
Las bacterias con la máxima capacidad de lixiviación se usaron como base para aumentar como inóculo para la prueba de adaptación y resistencia al nitrato de plata, en este caso por determinación de la plata lixiviada se realizó por absorción atómica y/o la concentración de sulfatos por Thiobacillus (Touvinen et al., 1971; Murr et al., 1978; Lundgren y Silver, 1980; Lawrence 1983; Touvinen et al.,1985; Schrenk et al., 1998; Rawlings et al., 1999).
5. Adaptación bacteriana a la elevada concentración de Ag.
Esta selección de la resistencia Thiobacillus a la plata se logró en matraces de 250 mL con 30 mL de 9K; 30 y 35 mg/mL de nitrato de plata (AgNO3) Los matraces se incubaron a 30°C en un agitador rotatorio a 200 rpm/14 días para determinar la concentración de sulfatos (SO24) producida como medida de que la plata no inhibió la BL (Lynn, 1997).
La figura 1 muestra la eficiencia de la bacteria quimiolitotrófica acompañantes del MSRP para lixiviar la plata, lo que indica que en la naturaleza existe el potencial en los microorganismos que habitan en ambientes de minas y que son parte a los minerales de diversa ley (Bañuelos, 1994; Guerrero, 1998a; Sánchez-Yáñez 1998, Trupti et al.,1999), estas bacterias nativas de zonas mineras son fácilmente aisladas, adaptables a diferentes condiciones de cultivo y dada su flexibilidad bioquímica para crecer con relativa rapidez en la condición artificial del medio de cultivo, por tanto, es posible mediante una selección cuidadosa emplear aquellos con el mayor potencial de lixiviación (Schrenk et al., 1998; Orrantia et al., 1999; Rawlings et al.,1999; Sánchez- Yáñez y Farías Rodríguez, 2000).
En base a que las principales características de estos microorganismos son: su abundancia en ese ambiente por adaptación fisiológica derivada de propiedades genéticas intrínsecas que les permite sobrevivir en principio y luego usar el mineral como fuente de energía para posteriormente crecer, son relativamente sencillos para obtener con eficiencia la explotación de MSRP (Sánchez-Yáñez, 1995; Ballesteros et al., 2001).
En la figura 2 se muestra la producción de sulfatos por Thiobacillus sp, género que de acuerdo con el análisis de su comportamiento bioquímico fue el grupo bacteriano más abundante en el ambiente de la mina y en el MSRP (Bacelar-Nicolau, Johnson, 1999; Bañuelos).
En esta figura la cantidad de sulfato generada por la oxidación del azufre del MSRP, causó un incremento en la concentración de plata en solución y como resultado el Thiobacillus original sin previa adaptación a este metal fue incapaz de crecer (Cervantes, 1992 y Guerrero, 1998 y 1998) mientras que el Thiobacillus previamente seleccionado y adaptado de manera gradual a concentraciones mayores de plata biolixiviada, el MSRP sin problema y en mayor concentración que el Thiobacillus no adaptado a la concentración elevadas de plata (Cervantes, 1992 y Edwards, et al., 2000) lo cual sugiere que es posible mejorar la extracción de plata a partir de este tipo de mineral, sin causar daño al ambiente o incrementar el costo de producción.
Agradecimientos
Al CONACYT, proyecto "Biolixiviación de minerales concentrados refractarios sulfurados de oro y plata "No. 0944P-A9507. A la CIC-UMSNH Proyecto 2.7 (2005-2006) por las facilidades para la publicación de este trabajo.
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Figura 1. Lixiviación de un mineral argentifero por Thiobacillus sp
Gutiérrez O. J. J.*,
Ramírez C. J.**.,
Sánchez-Yáñez; J.M.*+
Microbiología ambiental *
*+autor correspondiente
Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed. B-1.
**Metalurgia extractiva, Instituto de Investigaciones Metalúrgicas,
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo,
Morelia, Michoacán México.