Biolixiviación

1. Resumen
3. Bacterias lixiviantes de minerales.
4. Thiobacillus spp y bacterias lixiviantes de minerales.
5. Fuente de carbono, energía y nitrógeno.
6. Composición química del medio de cultivo para Thiobacillus.
7. Oxidación de ión ferroso.
8. Lixiviación de pirita (FeS3) por Thiobacillus ferrooxidans.
9. Extracción de metales por lixiviación bacteriana.
10. Mecanismo directo de lixiviación bacteriana por Thiobacillus.
11. Mecanismo indirecto de minerales por Thiobacillus.
12. Lixiviación de CuFeS2.
13. Factores que afectan la lixiviación bacteriana.
14. Temperatura óptima de la lixiviación bacteriana.
15. Tamaño de la partícula y el área superficial del mineral en la lixiviación bacteriana.
16. Conclusiones.
17. Bibliografía.

Resumen

La extracción y purificación de metales a partir de minerales es un proceso químico que causa contaminación ambiental. Una alternativa son las bacterias quimilitotroficas del azufre las que pueden oxidar este elemento y generar ácido sulfúrico, que solubiliza metales mezclados con azufre. Este proceso se conoce como Lixiviación bacteriana se aplica como una excelente opción para evitar contaminación ambiental, el propósito de está breve revisión es señalar las principales características de la LB.

Palabras clave: Minerales, Thiobacillus, minas, metales.

I. Antecedentes

A finales del siglo XIX S. Winogradsky describió un grupo de bacterias de diversos ambientes: suelo, agua y mina, que crecen por oxidación de minerales con azufre, hierro, cobre, cobalto, níquel y otros metales, lo que además asimilan el CO2 y/o carbonatos como fuente de carbono. Por este tipo de metabolismo bioquímico les definió como "bacterias quimiolitotroficas y postuló que la energía derivada de la oxidación del ión ferroso a férrico sirve para su crecimiento y asimilación de CO2" (Sánchez-Yáñez et al., 2000; Harvey y Crundwell, 1997). A finales de 1979 se les conocían como bacterias autotróficas del hierro, entonces sólo se describían dos géneros: Ferrobacillus y las especies F. ferrooxidans y F. sulfooxidans y Thiobacillus thiooxidans, está última se aisló de un suelo pobre en materia orgánica y en agua de mina; (Lindstrom et al., 1992; Olson, 1991). La lixiviación bacteriana (LB) es una estrategia biológica que se emplea para la concentración y extracción de metales de minerales sulfurados refractarios de baja ley ó SMBL (Álvarez y Jerez, 1990; Janssrn et al., 1996).

En hidrometalurgía la LB es sencilla, barata y ecológica, sus productos no contaminan el ambiente (Navarrete, et al., 2001). Una de sus principales ventajas es la económica, al aprovechar menas de minerales sulfurados metálicos de baja ley (SMBL), considerados así porque la concentración del metal de interés es mínima (10mg/ton del mineral) y porque la extracción por métodos químicos tradicionales no es rentable, por ello no se explotan a pesar de que contienen oro, plata, cobre y metales radiactivos: uranio, radio, etc. (Ballesteros et al., 2001; Fowler y Crundwell, 1998).

El primer informe sobre la LB de SMBL, se publicó en 1922 con una bacteria quimiolitotrofica desconocida, está investigación describió una forma biológica de extracción de metales como alternativa barata para la explotación de SMBL, durante 30 años este informe se ignoró hasta el redescubrimiento T. ferrooxidans tolerante a alta concentración de metales pesados (g L-1): 10 de zinc, 72 de níquel, 30 de cobalto, 55 de cobre y hasta 160 de hierro fundamental en el incremento del costo de fundición de minerales, la que obliga a que concentrados de oro y plata se exploten por LB (Lindstrom et al., 1992).

En general se describen tres métodos para la extracción de metales a partir de minerales: lixiviación química en autoclave, tostación de sulfuros y LB. En base al mineral que se trata se sabe que el reto es extraer el metal unido al azufre, ya que éste es la causa de la refracción o resistencia del mineral a la separación de estos metales.

La lixiviación de sulfuros en autoclave (proceso Sherrit-Gordón), se realiza a elevada temperatura y presión del oxígeno para la oxidación y solubilización del azufre y su eliminación, como la variante de Homestake en Nevada, E.U.A. Por está técnica el producto de autoclave, es una solución ácida en la que los metales del mineral son solubles. En tanto un lodo atrapa las especies inertes como arcillas y sílice, en la siguiente etapa; la cianuración se aplica para separar: plomo, cobre y zinc, la técnica se usa en yacimientos de minas de oro con o sin concentración de sulfuros, la desventaja de este tratamiento es el alto consumo de oxígeno proporcional a la concentración de azufre en el mineral además los metales de los minerales deben ser resistentes a la corrosión (Sand et al., 1993; Sugio et al., 1990).

La tostación es un proceso industrial para la conversión de sulfuros en sulfatos solubles en solución ácida acuosa, que permite cianuración normal, después del lavado de residuos. No obstante la tostación genera dióxido de azufre (SO2), no recuperable en pequeña o mediana escala, que contamina el ambiente por ello normas de protección ambiental restringen su utilización.

La LB es una actividad biológica conocida desde la antigüedad por fenicios, romanos, árabes y españoles, que la reportaron en la extracción de cobre en agua de minas. En 1947 cuando T. ferrooxidans se aisló por primera vez del drenaje de una mina de carbón bituminoso (Kashefi et al., 2001; Olson, 1991). En España en 1950 se reportó la LB de minerales de cobre en una mina del Río Tinto, hasta 1970 se confirmó que esto fue derivado de la actividad de Thiobacillus sobre el SMBL (Lindstrom et al., 1993; 1992; Suzuki et al., 1990). Cuando la microbiología avanzó, se reporto que Thiobacillus como es clave en la recuperación de metales de valor comercial a partir de SMBL. Por ello existen patentes de este proceso, incluso para minerales con metales radioactivos (Ahonen y Touvinen, 1992).

II. Bacterias lixiviantes de minerales.

T. thiooxidans es una bacteria Gram negativa quimiolitotrofica obligada, cosmopolita. Existe información sobre técnicas de aislamiento e identificación (Brigmon et al., 1995). Además su potencial en biohidrometalurgía para la extracción de minerales de: cobre, oro, plata, uranio y radio, se limita por inhibición por metales que lixivia (Goebel y Stckebrandt, 1994; Bronwyn et al., 2000). Otras especies de Thiobacillus son sensibles a la acidez como T. thioparus y T. novellus no oxidan azufre elemental, pero si sus sales además de compuestos orgánicos como la glucosa.

T. denitrificans crece en anaerobiosis con nitrato como aceptor final de electrones. T. ferrooxidans oxida sales de azufre con hierro, T. novellus es quimiolitotroficó facultativo con un pH óptimo de crecimiento de 7.0. el que permite separar cada especie: T. thiooxidans y T. ferrooxidans crecen a pH de entre 2.0 y 3.5, T. denitrificans, T. thioparus y T.novellus de entre 7.0 y 7.3 (Groudev y Groudeva, 1993).

III. Thiobacillus spp y bacterias lixiviantes de minerales

Las técnicas de aislamiento para Thiobacillus y las herramientas moleculares revelan su distribución en ambientes de mina y suelo. Existen otros procariotes que lixivian SMBL, investigación "in situ" en minas para extracción de oro generan resultados similares Thiobacillus (Kanishi y Sataru, 1992), estas bacterias nativas de minas, toleran concentraciones subletales del metal que lixivian, de esa forma aumentan el rendimiento del metal que se extrae sin elevar el costo del proceso, es ambientalmente seguro, investigación sobre la ecología de éstas bacterias las clasifica en base a su temperatura de lixiviación de SMBL. Se reporta que bacterias termófilas y mesófilas lixivian minerales "in situ" en minas para la extracción oro en Sudáfrica (Lovley, 2000; Olson, 1991). De la naturaleza es posible aislar archeabacteria hipertermofilas y adaptadas a elevada temperatura para la LB de SMBL con cobre, plata y oro, y aquellas bacterias empleadas donde la temperatura es un factor limitante para la extracción de metales (Golovacheva et al, 1992).

El cuadro 1 muestra las principales características fisiológicas y bioquímicas de Thiobacillus requeridas para su explotación (Lópezarchilla y Amils, 19943), T. ferrooxidans crece por oxidación de ión ferroso y azufre inorgánico forma sulfato como producto derivado del ácido sulfúrico y asimila CO2 como fuente de carbono, su morfología es semejante a T. thiooxidans, no oxida el ión ferroso, ni lixivia SMBL insolubles. Las variables fisiológicas del cuadro 1 se adaptan para optimizar la actividad lixiviante de T. ferrooxidans en función del mineral (Lloyd y Macaskie, 2000).

Cuadro 1. Condiciones de crecimiento para el cultivo de Thiobacillus ferrooxidans y Archeabacterias* adaptables al mineral sulfurado concentrado refractario.

Referencias: Tuovinen et al., 1994,1991; Kashefi y Lovley, 2000.

IV. Fuente de carbono, energía y nitrógeno para Thiobacillus.

Esta especie utiliza como fuente de energía para crecer la oxidación de compuestos reducidos de azufre, que incluye el ión ferroso soluble y cobre (Mossman et al., 1999).

V. Composición química del medio de cultivo para Thiobacillus.

T. ferrooxidans fija de dióxido de carbono o carbonatos, para suplir su demanda de carbono, común en quimiolitotroficos por inyección de aire para proveer de CO2 y O2. La demanda de nitrógeno se satisface con N o con formas reducidas de N como amonio y/o nitratos incluye N2 (Harvey y Crundwell, 1997; Suzuki et al., 1990).

VI. Oxidación de ión ferroso.

La oxidación del ión ferroso a férrico no es conocida, se sugiere que Thiobacillus posee dos sitios de transferencia de electrones en la célula, uno para el sistema de oxidación del azufre y otro para hierro localizados en sitios distintos de la membrana celular (Boon y Heijnen, 1998). El mecanismo de oxidación del ión ferroso en Thiobacillus se inhibe con bloqueadores de electrones, en la parte externa de su membrana celular. La rusticianina en la bacteria se controla por la composición química del medio de cultivo, cuando el ión ferroso está en elevada concentración, si T. ferrooxidans crece sólo con azufre elemental como fuente de energía (Lloyd y Macaskie, 2000), la rusticianina actúa en la primera etapa de la cadena transportadora de electrones, involucra tres citocromos dos tipos C, uno de clase Al y una coenzima Q está proteína depende de que la bacteria reduzca el sulfato asimilatoriamente, él cual despolariza su membrana para permitir al ión ferroso enlazar a sitios de transporte de la proteína, funciona como ligando para la síntesis de complejos susceptibles de oxidación a pH menor de 3.5. La síntesis disminuye con rapidez a un pH superior de 2.2, está reacción biológica es 500 veces más rápida que la oxidación química (Sukla et al., 1992) el proceso requiere pH menor de 3.5 para mantener un gradiente de protones en la membrana celular en el acoplamiento del ión ferroso con la fosforilación oxidativa (Sand et al., 1993).

VII. Lixiviación de pirita (FeS3) por Thiobacillus ferrooxidans.

T. ferrooxidans se cultiva en pirita como fuente de energía, el análisis de microscopio electrónico de transmisión indica cambios en la superficie de la pirita, asociado con modificación de su morfología. T. ferrooxidans sintetiza un mucopolisacárido, cuando está íntimamente adherido al mineral, ello favorece la oxidación de azufre para solubilizar el metal del mineral, este sufre corrosión en el sitio específico de mayor concentración de azufre, esto se detecta en la topografía de la pirita en el sitio del ataque bacteriano ó zona de concentración del sulfuro. La investigación con técnicas de espectroscopia electrónica y fluorescencia de rayos X demuestran la existencia de una capa de MPS que cubre la superficie del sulfuro como se ilustra en la Figura 1 (Zagury et al., 1994).

Figura 1. Mecanismo de interacción bacteria-sulfuro. A) Formación de una "cápsula" en la región de lixiviación por que contiene un transportador/del sulfuro. B) Corrosión del sulfuro en la capa orgánica de absorción que disuelve el sulfuro, este es un complejo soluble de azufre que ingresa en la célula (Sugio et al., 1990).

VIII. Extracción de metales por lixiviación bacteriana.

Los metales se liberan del mineral por solubilización con el ácido sulfúrico derivado de la oxidación del azufre en la membrana Thiobacillus, al igual que la del hierro, al igual que en los minerales de uranio que existen como óxidos insolubles aunque no se sabe a detalle el mecanismo de la LB; el uranio se asocia a pirita y se disuelve por actividad indirecta de Thiobacillus al formar sulfato férrico, como se expresa en la siguiente ecuación. El sulfato de uranio se recupera de la solución lixiviante por intercambio iónico o con solventes orgánicos (Tuovinen et al., 1991).

  Bacteria

UO2 + Fe2(SO4)3 UO2SO4 + 2FeSO4

IX. Mecanismo directo de lixiviación bacteriana por Thiobacillus.

Existen bacterias quimiolitotroficas oxidan directamente minerales sulfurados concentrados. Investigación por microscopio electrónica de transmisión y barrido revela que estas bacterias se adhieren a la zona de concentración del azufre para usarlo como fuente de energía y generan el MPS con el que se asegura la unión física cápsula-mineral para la oxidación del azufre inorgánico que produce el ácido sulfúrico, en consecuencia se causa la solubilización del metal del mineral y la desintegración de su estructura cristalina. (Mossman et al., 1999). Estas observaciones al microscopio electrónico probaron que Thiobacillus disuelve la superficie del cristal del mineral en la zona de concentración del azufre. Se sabe que la naturaleza química de cápsula de Thiobacillus es clave cuando atacan SMBL pues durante está acción se sucede simultáneamente la oxidación del hierro y el azufre. Se sabe que Thiobacillus oxida hidróxidos metálicos mediante dos mecanismos para solubilizar el mineral sulfurado de baja ley. Una implica el ciclo férrico-ferroso o mecanismo indirecto. La otra depende del contacto físico bacteria-cristal del mineral independiente del ciclo férrico-ferroso. Los SMBL se solubilizan por la oxidación de Thiobacillus en ausencia de ión férrico aerobiosis estricta (Arredondo et al., 1994; Blake et al., 1994; Goebel y Stckebrandt, 1994).

Investigación reciente sugiere que Thiobacillus oxida paralelamente el azufre y el hierro reducido ello facilita la lixiviación del metal de interés. Se reporta que Thiobacillus detecta el lugar exacto de oxidación y por quimiotaxis se dirige a ese sitio donde se concentra el azufre del mineral. Por la oxidación del sulfuro causa perforaciones en la superficie del cristal del SMBL cuya profundidad depende del mineral y varia de acuerdo con su composición química. El proceso se resume como sigue:

a) Oxidación de Fe2+ a Fe3+ (ferroso a férrico) para la síntesis de energía.

b) Solubilización del azufre de la superficie del mineral por el ácido sulfúrico derivado de su oxidación para mantener su crecimiento.

c) Unión directa de la bacteria con la superficie del mineral sulfurado.

La actividad de Thiobacillus sobre la superficie de la pirita se explica en las siguientes reacciones:

FeS2 + 3½ 02 + H20 FeS04 + H2SO4

Bacteria

2FesO4 + ½ 02 + H2SO4 Fe(SO4)3 + H20

FeS2 + 302 +2H2O 2H2SO4 + 2S

Bacteria

2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 (Reacción 1)

Mientras que la actividad quimiolitotrofica de Thiobacillus sobre la calcopirita se expresa:

Bacteria

2CuFeS2 +8 ½ O2 + H2SO4 2CuSO4 + Fe(S04) + H2O

CuFeS2 + 2Fe2(SO4)3 CuSO4 + 5FeSO4 + 2S= (Reacción 2)

El sulfuro (S=) producido por Thiobacillus durante la lixiviación de la pirita (reacción 2), se oxida por la bacteria y libera ácido sulfúrico (reacción 1). Se conoce el papel catalítico de Thiobacillus en está transformación del SMBL. La actividad de los metabolitos derivados de la oxidación del azufre requiere un número suficiente de Thiobacillus en la superficie del SMBL (Zagury et al., 1994).

X. Mecanismo indirecto de minerales por Thiobacillus.

El sulfato férrico en solución y la concentración de oxígeno son básicos en la SMBL por Thiobacillus como: galena (PbS), calcopirita (CuFeS2), bodrnita (Cu5FeS4) y esfalerita (ZnS), pirita, marcasita (Fe2S), covelita (CuS), calcocita (Cu2S) y molibdenita (MoS2) como lo reportan Tuovinen et al., (1991). En general se reporta que el ión férrico sólo ó en mezcla es la especie química de la lixiviación de SMBL por Thiobacillus. El ión férrico influye indirectamente actúa sobre SMBL. Las reacciones siguientes representan el mecanismo en fases aeróbica/anaeróbica por Thiobacillus en minas (Ahonen y Tuovinen, 1992).

(Aeróbica) MeS + 2Fe3+ + H2 + 202 Me2+ + 2Fe2+ + S04= + 2H+

(Anaeróbica) Fe(S04)3 + FeS2 3FeS04 + 2S=

Cuando Thiobacillus oxida el ión ferroso a férrico es cíclico por: 1) la interacción del ión férrico con SMBL y 2) Por regeneración del ión férrico a ferroso por el ácido sulfúrico liberado, disminuye el pH el ión férrico se reduce a ión ferroso para mantener el ciclo en acidez extrema (Fowler y Crundwell, 1998).

XI. Lixiviación Bacteriana de CuFeS2.

Thiobacillus lixivia directa e indirectamente minerales por reducción de ión férrico. Normalmente ambos fenómenos son simultáneos en la naturaleza. De los minerales los de cobre la calcopirita se lixivia biológicamente. Se reporta que T. ferrooxidans oxida cobre monovalente el hierro y el azufre. La bacteria oxida directamente estos elementos que son parte de la calcopirita con valencia reducida con hierro ferroso o sulfato ferroso. Thiobacillus oxida hierro ferroso y azufre elemental, durante la fase inicial de la oxidación consume sulfato y el pH aumenta lo que provoca la precipitación del sulfato férrico y las sales de cobre como la anterita. El sulfato férrico se disocia en una reacción lenta secundaria el hierro forma compuestos como la jarosita con la regeneración del sulfato de acuerdo con la siguiente reacción:

2Fe2 (SO4) + 12H2O 4Fe (OH)3 + 6H2SO4

La lixiviación de calcopirita por T. ferrooxidans para lixiviar cobre en columna es pobre en condición estática con una recuperación del 25% en 60 días, un 40% en 70 días, del 60% en 470 días. Razell y Trussell recobraron un 45% de cobre de calcolpirita en condición estática, en agitación se recuperó 35% en 33 días, del 72% al 100% en 12 días, el 59% en 5 días, el 60% en 4 días, el 79% en 6 días, el 50 al 60% de cobre de calcopirita en 4 a 6 días en un tanque con oxigenación continua lo, que muestra que una elevada tensión de oxigeno en el bioreactor es necesaria para máxima extracción de metales (Amaro et al., 1994).

XII. Factores que afectan la lixiviación bacteriana.

La LB por T. ferrooxidans de SMBL depende de la concentración del ión ferroso y del hierro soluble que afecta el sistema de transporte de electrones en la membrana, cuando oxida azufre. El pH es un factor critico T. ferrooxidans requiere acidez para que el metal del mineral facilite la oxidación del azufre y síntesis de energía con calcopirita. Depende del sulfuro de zinc de calcocita y covelita que necesitan hierro soluble. El carácter acidofílico de T. ferrooxidans lo comparte con T. thooxidans con hongos del suelo, levaduras y protozoarios en esa condición fisicoquímica el hierro es disponible para la vida (Kusano et al., 1992).

XIII. Temperatura optima de lixiviación bacteriana.

Dos factores críticos afectan la LB de Thiobacillus, el primero el aumento de temperatura por la bacteria al oxidar el azufre, lo que genera calor durante su crecimiento. El intervalo de temperatura óptimo para Thiobacillus está entre 25 y 35oC, para máxima oxidación de ión ferroso a temperatura no mayor de 35 oC y disminuye a 45 oC Thiobacillus luego muere, se propone usar. Archaeabacteria hipertermofilica acidofilica usan como fuente de energía, SMBL a temperatura mayor de 80oC, estas bacterias viven en la naturaleza en ambientes extremos. Por ello se le asocia con la oxidación de compuestos inorgánicos de S en zonas volcánicas terrestres y marinas (Sánchez-Yáñez y Farias-Rodríguez, 2002). Estas bacterias representan una nueva posibilidad para la explotación de SMBL (Kashefi y Lovley, 2000).

XIV. Tamaño de la partícula y el área superficial del mineral en la lixiviación bacteriana.

En soluciones acuosas las partículas sólidas del mineral son una fuente de iones. El tamaño es clave pues se área de contacto facilita la oxidación lenta o rápida, los que tienen dimensión cercanas bacterias son ideales para su lixiviación. Investigación al respecto sugiere que el MPS que la bacteria es necesario para su adhesión al mineral, con relación inversamente proporcional entre la actividad lixiviante de Thiobacillus sobre SMBL y el tamaño de la partícula a medida de que está es menor la velocidad de oxidación del azufre es mayor en consecuencia la extracción del metal es rápida lo anterior se reporta para mineral de sulfurado de plata (Gutiérrez et al., 2002)

XV. Conclusiones

La extracción de metales de valor comercial con bacterias quimiolitotroficas de SMBL, es de interés en biohidrometalurgia para la explotación de menas que por la baja concentración del metal no se tratan con métodos tradicionales. Aunque se emplean con cualquier mineral con un alto contenido en azufre resistentes a los métodos químicos establecidos, que requieren un elevado gasto de energía sin que necesariamente el rendimiento sea proporcional a la inversión. El potencial Thiobacillus y archeabacteria para lixiviar minerales incluso radiactivos "in situ" o de reactor, abre prometedoras posibilidades para la optimización del recurso minero en la industria de metalurgia extractiva en especial si se realizan verdaderas acciones conjuntas entre la academia y la industria.

Este breve ensayo se dedica a la memoria de Felipe Yánez, Andrea Luna y María de la Paz Jiménez, por sus inolvidables enseñanzas, su sabiduría, su entrega y su gran corazón.

XVI. Agradecimientos

Al proyecto de CONACYT No. 0944P-A930 Biolixiviación de concentrados minerales refractarios de oro y plata por el apoyo económico. Al Research Contract no. 311-D-1-MEX-7944, Agencia Internacional de Energía Atómica, Viena, Austria, por la información. Al proyecto 2.7 (2003), Coordinación de Investigación Científica – UMSNH, Morelia, Mich, por las facilidades para su escritura e información.

XVII. Bibliografía.

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Autor:

Dr. Juan Manuel Sánchez-Yáñez

Profesor Investigador de tiempo completo Titular "C". Perfil PROMEP

Laboratorio de Microbiología Ambiental

Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas. Edif.. B-3

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán, México.