Lixiviado microbiano de minas minerales




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descripción: quimica.png Microbiología - 19 de Mayo del 2014 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/uniqlog.png/220px-uniqlog.png

USO DE LOS MICROORGANISMOS EN LA MINERÍA Y BIORREMEDIACIÓN, MANEJO DE AGUAS RESIDUALES Y DESECHOS ORGÁNICOS

Jesús Plazas Saldaña

Universidad del Quindío, Armenia, Quindío, Colombia. Grupo de laboratorio de Microbiología; Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías.

LIXIVIADO MICROBIANO DE MINAS MINERALES

Los microorganismos ayudan a extraer metales valiosos de menas minerales.

Lixiviación del cobre

En presencia de sulfatos los metales pesados pueden ser eliminados por la acción de bacterias anaeróbicas reductoras de sulfatos tales como Desulfovibrio y Desulfotomaculum. Bajo condiciones anaeróbicas las bacterias utilizan fuentes de carbón tales como el ácido láctico para generar ácido sulfhídrico a partir de sulfato:



El ácido sulfhídrico reacciona con los metales presentes formando sulfuros metálicos insolubles:



El bicarbonato formado en la primera reacción se descompone en CO2 y H2O, incrementando el pH y favoreciendo la precipitación de sulfuros.

Bacterias como Thiobacillus ferrooxidans actúan como catalizadores y aceleran la tasa de oxidación de los minerales que contienen sulfuro, ayudando a solubilizar el metal. Los metales que se oxidan más fácilmente se prestan más a la lixiviación. Las menas de sulfuro de hierro y de sulfuro de cobre, como la pirotita (FeS) y la covelita (CuS), son lixiviadas fácilmente, mientras que las menas de plomo y de molibdeno lo son lixiviadas con mayor dificultad.

La mena se amontona en una gran pila de lixiviado, a través de la cual se hacer percollar una solución de ácido sulfúrico diluido (con un pH aprox.2). Se recoge el líquido que sale del fondo de la pila, rico en mineral y se transporta a una plata donde se precipita y purifica.

T. ferrooxidans es capaz de oxidar el Cu+ de la calcocita (Cu2S) a Cu2+, formando el mineral covelita (CuS). En esta reacción no se produce ningún cambio de valencia en el ion sulfuro. Las bacterias utilizan como fuente de energía la reacción de Cu+ a Cu2+. La covelita puede ser oxidada después, produciéndose sulfato y Cu2+ soluble.

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Figura 1. La reacción 1 es principalmente biológica (bacteriana), mientras que la 2 es, a la vez biológica y química. La reacción 3 es estrictamente química. Para que la reacción 3 siga adelante es esencial que el Fe2+ (de la oxidación de sulfuro en CuS a sulfato) sea reoxidada a Fe3+ por T. ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans.

El hierro férrico reacciona con CuS y origina la solubilización del cobre y la formación de hierro ferroso. En presencia de O2, y con pH acido, T. ferrooxidans vuelve a oxidar el hierro ferroso a su forma férrica y este hierro se bombea hacia la parte superior de la pila, y así puede oxidar más sulfuro de cobre. El proceso mantiene funcionando mediante la oxidación de Fe2+ a Fe3+ que realiza la bacteria.

El enorme tamaño de las pilas hace que penetre poco oxígeno en ellas; aunque la mayoría de las reacciones requieren oxígeno, las reacciones de oxidación pueden realizarse porque Thiobacillus ferrooxidans puede usar como aceptor de electrones en ausencia de oxígeno. La temperatura en el interior de la carga de lixiviado a menudo aumenta como resultado de la actividad microbiana y esto genera un problema ya que T. ferrooxidans es mesófila.

Lixiviación del oro

El oro aparece frecuentemente asociado con minerales que contienen arsénico y pirita. T. ferrooxidans, T. thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans se utilizan para atacar y solubilizar el mineral de arsenopirita y en el proceso se libera oro. El oro es acomplejado con cianuro.

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Se realiza en biorreactores, el biolixiviado efectuado de esta forma libera más del 95% del oro atrapado. El arsénico y el cianuro son residuos tóxicos y ambos se eliminan en el biorreactor, el arsénico como un precipitado férrico y el cianuro mediante oxidación microbiana a CO2 y urea.

BIORREMEDIACIÓN

La biorremediación puede definirse como la degradación natural o biológica dirigida a la contaminación ambiental, se lleva a cabo normalmente por microorganismos y su actividad puede ser favorecida por el suministro de nutrientes o incrementando la población microbiana en un proceso conocido como bioincrementación.

Los contaminantes del medioambiente, están presentes como resultado de los efluentes industriales, aguas residuales domésticas, aguas de la minería, vertederos, descargas de residuos y vertidos accidentales. Estos contaminantes pueden encontrarse en mares, estuarios, lagos y suelos.

Residuos inorgánicos

Los metales y otros compuestos inorgánicos son procedentes de una serie de actividades, incluyendo la minería. Muchos metales son requeridos por los organismos vivos para su normal funcionamiento pero a altas concentraciones pueden llegar a ser tóxicos. Entre ellos se encuentran el mercurio, el plomo, el arsénico, el cadmio y el selenio. Muchos de esos oligoelementos llevan a cabo reacciones de oxidorreducción catalizadas por microorganismos.

Por ejemplo, el cobre es un micronutriente esencial (elemento traza) para las plantas, pero un exceso de cobre puede causar inhibición de la fotosíntesis, de la síntesis de pigmentos y daño a las membranas plasmáticas.

Transformación del mercurio

Aunque el mercurio se encuentra en concentraciones muy bajas, es un producto industrial muy utilizado y es el componente activo de muchos plaguicidas. Debido a su capacidad de acumulación en los tejidos vivos y a su alta toxicidad, el mercurio tiene una gran importancia desde el punto de vista ambiental. La explotación de yacimientos de mercurio y la incineración de combustibles fósiles liberan al ambiente unas 40000 toneladas anuales de mercurio. También es un producto secundario de la industria electrónica, especialmente en la fabricación de pilas y cables; de la industria química y de la incineración de residuos urbanos.

El mercurio elemental (Hg0) es la forma principal en la que se encuentra este elemento en la atmósfera. Es volátil, y se oxida fotoquímicamente a ion mercurio (Hg2+). La reacción microbiana es la metilación del mercurio (produce metilmercurio, CH3Hg+); es toxico y soluble, por lo que puede concentrarse a través de la cadena alimentaria acuática. El metilmercurio es unas cien veces más tóxico que el Hg0 o el Hg2+, se concentran en los peces y actúa como una potente neurotoxina.

El mercurio bivalente (Hg2+) y el metilmercurio (CH3Hg+) son tóxicos para los organismos superiores como para los microorganismos. Algunas bacterias llevan a cabo la biotransformación de formas tóxicas de mercurio a formas no toxicas. En bacterias Gram negativas resistentes al mercurio, la enzima reductasa mercúrica transfiere dos electrones de Hg2+ a reduciéndolo a Hg0.

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria Gram negativa, su resistencia al mercurio se debe a que posee un plásmido que contiene genes mer para la resistencia a dicho metal. Los genes mer están bajo el control de la proteína reguladora MerR.

Los plásmidos aislados de microorganismos Gram positivos y Gram negativos del dominio Bacteria codifican algún tipo de resistencia a metales pesados. Ciertos plásmidos que confieren resistencia a antibióticos también tienen genes para la resistencia al mercurio y al arsénico. Otros plásmidos codifican sólo la resistencia a metales pesados.

Staphylococcus aereus posee resistencia al mercurio, al cadmio, al arsenato y al arsenito. La resistencia al arsenato y al cadmio se debe a la acción de enzimas que expulsan inmediatamente todos los iones de arsenato o cadmio incorporados, evitando así que los metales desnaturalicen las proteínas.

Residuos procedentes del petróleo

El petróleo crudo es una mezcla compleja y variable de compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos del crudo son hidrocarburos; los dos grupos principales de hidrocarburos aromáticos son los monocíclicos (BTEX) y los hidrocarburos policíclicos (PAHs) tales como naftaleno, antraceno y fenantreno.

Una gran variedad de bacterias, diversos mohos y levaduras, y algas verdes pueden oxidar hidrocarburos aeróbicamente. El metano el hidrocarburo más sencillo es degradado por bacterias metanotróficas.

Biorremediación de los vertidos de crudo en el mar

Cuando se libera crudo en el mar por pérdidas de los tanques de almacenamiento o los vertidos por accidentes durante su transporte, éste no se mezcla con el agua marina y flota en la superficie. El crudo flotante si no alcanza la costa, se dispersará debido a la acción de las olas. La dispersión permitirá que microorganismos capaces de degradar los hidrocarburos puedan degradar el crudo vertido. El crudo se considera un producto natural y como tal se considera biodegradable.

La primera etapa en la recuperación y limpieza de un vertido petrolífero es detener la liberación y contener el vertido. La superficie del crudo puede ser eliminada mecánicamente con succionadores en las áreas arenosas y en las costas rocosas se suele intentar un lavado del crudo al mar pero los detergentes pues ser tan dañinos para el medioambiente como lo es el petróleo. Estos métodos no pueden eliminar todo el crudo y por lo tanto el crudo que queda debe ser eliminado por biorremediación. El crudo puede ser eliminado por la población microbiana en el mar y en la costa, ya que los microorganismos capaces de utilizar hidrocarburos como fuente de carbono y energía se encuentran ampliamente distribuidos. Las fracciones de hidrocarburos volátiles se evaporan rápidamente, quedando los componentes aromáticos y alifáticos de cadena larga para que sean eliminados por los organismos; actúan oxidando el petróleo a CO2.

Los microorganismos oxidadores de hidrocarburos crecen rápidamente sobre la superficie del petróleo y la actividad es más extensa si las condiciones ambientales como temperatura y nutrientes inorgánicos (N y P) son las adecuadas.

La biodegradación de los hidrocarburos está asociada con el metabolismo y crecimiento microbiano. La degradación aeróbica de los hidrocarburos es considerablemente más rápida que el proceso anaeróbico, de modo que un suministro de oxígeno será preciso para mantener las condiciones aeróbicas si se quiere una degradación rápida. La temperatura afecta el crecimiento microbiano, así que a bajas temperaturas la velocidad de degradación será lenta. El pH del suelo afectará al crecimiento bacteriano y a la solubilidad del compuesto que debe ser degradado.

La velocidad de degradación de los hidrocarburos también dependerá de la estructura de los compuestos. Los compuestos más simples alifáticos y aromáticos monocíclicos se degradan rápidamente, pero estructuras más complejas tales como los PAHs pueden persistir durante algún tiempo.

Biorremediación de suelos

Los suelos contienen un gran número de bacterias y hongos, cianobacterias y algas que son capaces de degradar hidrocarburos.

Los compuestos petroquímicos, PAHs y BTEX son degradados por los microorganismos del suelo que los utilizan como fuente de energía y de compuestos carbonados para la síntesis celular. Los hidrocarburos son compuestos reducidos estables y por lo tanto la degradación ocurre mediante oxidación bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas.

Los hidrocarburos alifáticos, aromáticos monocíclicos y policíclicos pueden ser degradados anaeróbicamente siempre que el oxígeno pueda ser obtenido del agua bajo condiciones metanogénicas, a partir del nitrato bajo condiciones nitrificantes y a partir del sulfato bajo condiciones reductoras de azufre. Los hidrocarburos se transforman en compuestos que pueden entrar en el ciclo de Krebs.

Los compuestos monocíclicos, como es el caso del benceno, son primero hidroxilados por una enzima deoxigenasa a cis-1,2-dihidroxi-1,2-dihidrobenceno, que después es convertido en catecol. El catecol puede seguir dos rutas: escisión en orto, que da lugar a cis, cis-muconato, mientras que la escisión en meta da lugar a semialdehído 2-hidroximucónico. Ambas rutas dan lugar a compuestos que pueden entrar en ciclo de Krebs.



Figura 2. Ruta de degradación del benceno (Glazer and Nikaido, 1994).

Compuestos sintéticos orgánicos

Estos compuestos orgánicos son denominados xenobióticos, algunos de estos productos son los pesticidas (biocidas), herbicidas y conservantes. La mayoría son liberados al medioambiente a través de su uso directo, frecuentemente se encuentran las aguas subterráneas contaminadas con solventes clorados como el tricloroeteno, tetracloruro de carbono y tetracloroeteno. Muchos de los compuestos xenobióticos pueden ser degradados por microbios, pero otros solo pueden eliminarse lentamente.

La persistencia de los xenobióticos en el medioambiente se debe a toxicidad para los microorganismos. La tasa de degradación de los xenobióticos en el suelo y en el agua también depende de la presencia de microorganismos con capacidad enzimática para degradar las moléculas. Debido a que los xenobióticos no se encuentran normalmente en la naturaleza, el nivel de microorganismos capaces de degradarlos puede ser muy bajo. En muchos casos se requiere un periodo de adaptación antes de que ocurra la degradación.

Se han encontrado organismos capaces de degradar xenobióticos en suelos y sedimentos, particularmente en lugares contaminados, e incluyen las bacterias, hongos y algas. Algunos xenobióticos son oxidados completamente a CO2, otros pueden ser degradados parcialmente si en el ambiente hay algún tipo de materia orgánica que pueda servir de fuente de energía primaria.

El pentaclorofenol (PCP) es un herbicida y fungicida utilizado en la conservación de la madera, puede ser degradado por microorganismos en condiciones aeróbicas y anaeróbicas incluyendo Flavobacterium, Arthrobacter, Rhodococcus y el hongo blanco Phanerochaete chryososporium.

Decloración reductora

Los compuestos orgánicos clorados se utilizan como aceptor terminal de electrones en condiciones anóxicas. Ocurre la transformación de compuestos clorados en metabolitos inocuos.

Las bacterias del género Desulfomonile se encargan de la reducción de clorobenzoato a benzoato.



Degradación de compuestos aromáticos clorados mediante oxigenasas

En la degradación aeróbica del plaguicida 2,4,5-T por Burkholderia cepacia, después de la decloración una enzima dioxigenasa rompe el anillo aromático generando compuestos (succinato y acetato) que son catabolizados en el ciclo del ácido cítrico.

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