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.