La biominería se refiere a cualquier proceso que utiliza organismos vivos para extraer metales de minerales y otros materiales sólidos. Por lo general, estos procesos involucran procariotas , sin embargo , también se pueden utilizar hongos y plantas ( fitoextracción también conocida como fitominería ). [1] La biominería es una de las varias aplicaciones dentro de la biohidrometalurgia con aplicaciones en el refinamiento de minerales, la recuperación de metales preciosos y la biorremediación. [2] La aplicación más grande que se utiliza actualmente es el tratamiento de desechos mineros que contienen hierro , cobre , zinc y oro, lo que permite la recuperación de cualquier mineral descartado. También puede ser útil para maximizar los rendimientos de depósitos de mineral de ley cada vez más baja. [3] La biominería se ha propuesto como una alternativa y/o complemento relativamente ecológico a la minería tradicional . [2] Los métodos actuales de biominería son procesos de minería de lixiviación modificados. [4] Estos procesos de biolixiviación, acertadamente llamados, incluyen más comúnmente la inoculación de roca extraída con bacterias y solución ácida, con el lixiviado recuperado y procesado para los metales de valor. [4] La biominería tiene muchas aplicaciones más allá de la recuperación de metales, la más notable es la biorremediación que ya se ha utilizado para limpiar las costas después de derrames de petróleo. [5] También hay muchas aplicaciones futuras prometedoras, como la biominería espacial, la biolixiviación fúngica y la biominería con biomateriales híbridos. [6] [7] [8]
La posibilidad de utilizar microorganismos en aplicaciones de biominería se hizo realidad después del artículo de 1951 de Kenneth Temple y Arthur Colmer. [9] En el artículo, los autores presentaron evidencia de que la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans (basónimo Thiobacillus ferrooxidans ) es un oxidante de hierro que prospera en ambientes ricos en hierro, cobre y magnesio. [9] En el experimento, A. ferrooxidans se inoculó en medios que contenían entre 2.000 y 26.000 ppm de hierro ferroso, y se encontró que las bacterias crecían más rápido y eran más móviles en las altas concentraciones de hierro. [9] Los subproductos del crecimiento bacteriano hicieron que los medios se volvieran muy ácidos, en los que los microorganismos aún prosperaban. [10] Después de este experimento, también se exploró el potencial de utilizar hongos para lixiviar metales de su entorno [11] y utilizar microorganismos para absorber elementos radiactivos como el uranio y el torio [12] . [11]
Si bien la biominería industrial comenzó en la década de 1960, los humanos han estado utilizando prácticas de biominería sin saberlo durante cientos de años. [13] En Europa occidental, la práctica de extraer cobre del hierro metálico colocándolo en corrientes de drenaje solía considerarse un acto de alquimia . [13] Sin embargo, hoy sabemos que es una reacción química bastante simple. [13]
Cu2 + + Fe0 → Cu0 + Fe2 +
En la Edad Media, en Portugal, España y Gales, los mineros, sin saberlo, utilizaron esta reacción en su beneficio cuando descubrieron que si inundaban durante un tiempo pozos profundos de minas con algo de hierro sobrante, podían obtener cobre. [14]
En China , el uso de técnicas de biominería se ha documentado desde el siglo VI-VII a. C. [15] La relación entre el agua y el mineral para producir cobre estaba bien documentada, y durante la dinastía Tang y la dinastía Song, el cobre se producía utilizando técnicas hidrometalúrgicas. [15] Aunque no se entendía el mecanismo de oxidación a través de bacterias, el uso no intencionado de la biominería permitió que la producción de cobre en China alcanzara las 1000 toneladas por año. [15]
El pretratamiento biológico utiliza las capacidades naturales de oxidación de los microorganismos para eliminar minerales no deseados que interfieren con la extracción de los metales objetivo. [16] Esto no siempre es necesario, pero se usa ampliamente en la eliminación de arsenopirita y pirita del oro (Au) . [16] Adidithiobacillus spp . libera el oro mediante la siguiente reacción. [17]
Los biorreactores de tanque agitado se utilizan para la biooxidación del oro. [16] Si bien los tanques agitados se han utilizado para biolixiviar cobalto para relaves de minas de cobre , [18] estos son sistemas costosos que pueden alcanzar tamaños de >1300m3 , lo que significa que se utilizan casi exclusivamente para minerales de muy alto valor como el oro. [16]
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La biolixiviación en vertederos fue una de las primeras aplicaciones ampliamente utilizadas de la biominería. En la biolixiviación en vertederos, los desechos de roca se apilan en montículos (de más de 100 m de altura) y se saturan con ácido sulfúrico para estimular la oxidación de minerales a partir de bacterias nativas. [16] La inoculación de la roca con bacterias no suele realizarse en la biolixiviación en vertederos, que en su lugar se basa en las bacterias ya presentes en la roca. [16]
La biolixiviación en pilas es una forma más nueva de lixiviación en vertederos. [16] El proceso incluye un mayor procesamiento en el que las rocas se muelen hasta obtener un tamaño de grano más fino. [16] Luego, este grano más fino se apila a solo 2 a 10 m de altura y se riega bien para permitir que una gran cantidad de oxígeno y dióxido de carbono llegue a las bacterias. [16] Los montículos también suelen inocularse con bacterias. [16] El líquido que sale por el fondo de la pila, llamado lixiviado, es rico en el mineral procesado. Los montones se encuentran en grandes plataformas no porosas que se utilizan para atrapar el lixiviado para su procesamiento. [16] Una vez recolectado, el lixiviado se transporta a una planta de precipitación donde el metal se vuelve a precipitar y purifica. El líquido residual, ahora vacío de los minerales valiosos, se puede bombear de regreso a la parte superior de la pila y el ciclo se repite. [16]
La temperatura dentro del vertedero de lixiviación a menudo aumenta espontáneamente como resultado de las actividades microbianas. [16] Por lo tanto, los quimiolitotrofos termófilos oxidantes de hierro, como las especies termófilas Acidithiobacillus y Leptospirillum y, a temperaturas aún más altas, el arqueón termoacidófilo Sulfolobus ( Metallosphaera sedula ) pueden volverse importantes en el proceso de lixiviación por encima de los 40 °C. [16]
La biominería in situ implica la inundación e inoculación de cuerpos de mineral fracturados que aún no se han extraído del suelo. [16] Una vez que las bacterias se introducen en los depósitos de mineral, comienzan a lixiviar los metales preciosos, que luego se pueden extraer como lixiviado con un pozo de recuperación. [19] La minería in situ también muestra potencial para aplicaciones en la extracción de metales del subsuelo profundo de manera rentable. [20]
La biominería in situ es el único método actual que utiliza la biolixiviación y que sirve como un reemplazo eficaz y viable para la minería tradicional. [21] Debido a que la biominería in situ elimina la necesidad de la extracción de los cuerpos de mineral, este método elimina la necesidad de cualquier transporte o fundición del mineral. [20] Esto significaría que no habría rocas de desecho ni relaves minerales que contaminen la superficie. [20] Sin embargo, la biominería in situ también tiene la mayor cantidad de preocupaciones ambientales de todos los métodos de lixiviación, ya que existe el potencial de contaminación de las aguas subterráneas. [20] [21] Sin embargo, estas preocupaciones se pueden manejar con cuidado, especialmente porque la mayor parte de esta minería se realizaría por debajo del nivel freático. [20]
Este método se utilizó en Canadá en la década de 1970 para extraer uranio adicional de las minas explotadas. [22] De manera similar al cobre, Acidithiobacillus ferrooxidans puede oxidar U 4+ a U 6+ con O 2 como aceptor de electrones. Sin embargo, es probable que el proceso de lixiviación del uranio dependa más de la oxidación química del uranio por Fe 3+ , y que At. ferrooxidans contribuya principalmente a través de la reoxidación de Fe 2+ a Fe 3+ .
Una de las mayores aplicaciones de estos métodos de lixiviación es en la minería de cobre. Acidithiobacillus ferrooxidans tiene la capacidad de solubilizar el cobre oxidando la forma reducida del hierro (Fe2+) con electrones de azufre y dióxido de carbono. [23] Este proceso da como resultado iones férricos (Fe3+) y H+ en una serie de reacciones cíclicas.
CuFeS 2 +4H + +O 2 --> Cu 2+ +Fe 2+ +2S 0 +2H 2 O,
4Fe 2+ +4H + +O 2 4Fe 3+ +2H 2 O,
2S 0 +3O 2 +2H 2 O→2SO 2 −4 +4H + ,
CuFeS2 +4Fe3 + →Cu2 + + 2S0 + 5Fe2 + ,
El metal de cobre se recupera luego utilizando chatarra de hierro:
El uso de bacterias como A. ferrooxidans para lixiviar el cobre de los relaves mineros ha mejorado las tasas de recuperación y reducido los costos operativos. Además, permite la extracción de minerales de baja calidad, una consideración importante ante el agotamiento de los minerales de alta calidad. [3]
Está bien establecido que la biolixiviación permite un procesamiento más económico de minerales de baja calidad cuando las bacterias reciben las condiciones de crecimiento adecuadas. [24] Esto permite la extracción económica de minerales de baja calidad y aumenta las reservas mineras de manera sostenible. [24]
Como cualquier proceso de recuperación de minerales, existen preocupaciones sobre la capacidad de escalar la biominería al tamaño que la industria necesitaría. Los mayores inconvenientes potenciales de la biominería son los tiempos relativamente lentos de lixiviación y extracción y la necesidad de equipo especializado costoso. [14] Las técnicas de biominería solo muestran viabilidad económica como un proceso complementario a la minería, no como un reemplazo. La biominería puede hacer que la minería tradicional sea más respetuosa con el medio ambiente y la economía, al reprocesar relaves mineros frescos o abandonados y la desintoxicación de concentrados de producción de cobre para generar licores enriquecidos con cobre económicamente valiosos. [24] Existe una gran viabilidad económica para la biominería in situ para reemplazar a la minería tradicional de una manera más barata y respetuosa con el medio ambiente, sin embargo, aún no se ha adoptado a gran escala. [14]
El oro se encuentra frecuentemente en la naturaleza asociado con arsenopirita y pirita. En el proceso de lixiviación microbiana, Acidithiobacillus ferrooxidans , etc., disuelve estos minerales de hierro, exponiendo el oro atrapado (Au): [25]
La biohidrometalurgia es una tendencia emergente en la biominería en la que las plantas mineras comerciales operan continuamente un reactor de tanque agitado (STR) y un reactor de transporte aéreo (ALR) o un reactor neumático (PR) del tipo Pachuca para extraer los recursos minerales de baja concentración de manera eficiente. [3]
El desarrollo del procesamiento industrial de minerales utilizando microorganismos se ha establecido en Sudáfrica, Brasil y Australia. Los microorganismos oxidantes de hierro y azufre se utilizan para liberar cobre, oro y uranio de los minerales. Los electrones se extraen del metal azufre a través de la oxidación y luego se colocan en el hierro, produciendo equivalentes reductores en la celda en el proceso. Esto se muestra en esta figura. [26] Estos equivalentes reductores luego pasan a producir trifosfato de adenosina en la celda a través de la cadena de transporte de electrones. La mayoría de las plantas industriales para la biooxidación de concentrados que contienen oro han sido operadas a 40 °C con cultivos mixtos de bacterias mesófilas de los géneros Acidithiobacillus o Leptospirillum ferrooxidans . [27] En otros estudios, se demostró que las arqueas reductoras de hierro Pyrococcus furiosus producen gas hidrógeno que luego se puede usar como combustible. [28] El uso de bacterias como Acidithiobacillus ferrooxidans para lixiviar cobre de los relaves de las minas ha mejorado las tasas de recuperación y reducido los costos operativos. Además, permite la extracción de minerales de baja calidad, una consideración importante ante el agotamiento de los minerales de alta calidad.
Las arqueas acidófilas Sulfolobus metallicus y Metallosphaera sedula pueden tolerar hasta un 4% de cobre y han sido explotadas para la biominería de minerales. Se logró una extracción de cobre de entre el 40 y el 60% en reactores primarios y más del 90% en reactores secundarios con tiempos de residencia totales de aproximadamente 6 días. Todos estos microbios obtienen energía oxidando estos metales. La oxidación significa aumentar el número de enlaces entre un átomo y el oxígeno. Los microbios oxidarán el azufre. Los electrones resultantes reducirán el hierro, liberando energía que puede ser utilizada por la célula.
La biorremediación es el proceso de utilizar sistemas microbianos para restaurar el medio ambiente a un estado saludable mediante la desintoxicación y degradación de contaminantes ambientales. [29]
Cuando se trata de desechos mineros y contaminación tóxica de metales del medio ambiente, se puede utilizar la biorremediación para disminuir la movilidad de los metales a través del ecosistema. [30] Los desechos mineros y metálicos comunes incluyen arsénico, cadmio, cromo, cobre, plomo, mercurio, níquel y zinc que pueden abrirse camino hacia el medio ambiente a través de la lluvia y las vías fluviales donde pueden trasladarse largas distancias. [30] Estos metales plantean riesgos toxicológicos potenciales para los animales salvajes y las placas, así como para los seres humanos. [30] Cuando se introducen los microbios adecuados en minas o áreas con contaminación y toxicidad minera, pueden alterar la estructura de los metales para hacerlos menos biodisponibles y disminuir su movilidad en el ecosistema. [30] Sin embargo, es importante señalar que ciertos microbios pueden aumentar la cantidad de metales que se disuelven en el medio ambiente. [30] Es por eso que se deben realizar estudios y pruebas científicas para encontrar las bacterias más beneficiosas para la situación. [30]
La biorremediación no es específica de los metales. En 1989, un petrolero Exxon Valdez derramó 42 millones de litros de petróleo crudo en Prince William Sound . [5] El petróleo fue arrastrado a la costa por las mareas y cubrió 778 km de la costa del estrecho, pero también se extendió a 1309 km del golfo de Alaska . [5] En un intento por rejuvenecer la costa después del derrame de petróleo, Exxon y la EPA comenzaron a probar estrategias de biorremediación, que luego se implementaron en la línea costera. [5] Introdujeron fertilizantes en el medio ambiente que promovieron el crecimiento de microorganismos degradadores de hidrocarburos de origen natural . [5] Después de las aplicaciones, se determinó que los conjuntos microbianos estaban compuestos por un 40% de bacterias degradadoras de petróleo, y un año después ese número había vuelto a su línea base de alrededor del 1%. [5] Dos años después del derrame, la región de costa contaminada se extendía por 10,2 km. [5] Este caso indicó que la biorremediación microbiana puede funcionar como una técnica moderna para restaurar los sistemas naturales eliminando toxinas del medio ambiente.
Las capacidades adicionales de las tecnologías actuales de biolixiviación incluyen la biolixiviación de metales de minerales de sulfuro, minerales de fosfato y la concentración de metales de la solución. [4] Un proyecto que se está investigando recientemente es el uso de métodos biológicos para la reducción de azufre en aplicaciones de limpieza de carbón. [31]
El concepto de biominería espacial está creando un nuevo campo en el mundo de la exploración espacial. [6] Las principales agencias espaciales creen que la biominería espacial puede proporcionar un enfoque para la extracción de metales, minerales, nutrientes, agua, oxígeno y volátiles del regolito extraterrestre. [32] [33] [6] La biolixiviación en el espacio también muestra potencial para su aplicación en la construcción de sistemas de soporte vital biológico (BLSS). [6] Los BLSS no suelen contener componentes biológicos, sin embargo, el uso de microorganismos para descomponer los desechos y el regolito, al tiempo que se pueden capturar sus subproductos como los nitratos y el metano, permitiría teóricamente un sistema cíclico de soporte vital regenerativo. [6]
Se ha demostrado que las especies de hongos filamentosos, específicamente las de los géneros Aspergillus y Penicillium, son agentes de biolixiviación eficaces. [7] Los hongos tienen la capacidad de solubilizar metales mediante reacciones de acidólisis, redoxólisis y quelación. [7] Al igual que las bacterias, los hongos han sido estudiados por su capacidad para extraer elementos de tierras raras y procesar minerales de baja calidad. Pero su uso más prometedor y estudiado es en la descomposición de desechos electrónicos y la recuperación de metales valiosos de ellos, como el oro. [7] [34] A pesar de la promesa de la biolixiviación fúngica, no ha habido aplicaciones industriales de la misma, ya que no supera a sus contrapartes bacterianas. [7]
Los biomateriales híbridos se crean uniendo péptidos a nanopartículas magnéticas. [8] Los péptidos unidos son proteínas específicas que tienen la capacidad de unirse a materiales orgánicos/inorgánicos con alta afinidad. [8] Esto permite desarrollar moléculas híbridas personalizadas altamente específicas, que se unen a moléculas de interés. [8] Las nanopartículas magnéticas a las que se unen estas proteínas permiten la separación del biomaterial y las moléculas unidas de una solución acuosa. [8] Ya se han desarrollado con éxito estos biomateriales híbridos para eluir oro y molibdenita de la solución, y esta técnica es muy prometedora para la limpieza de estanques de relaves. [8]
Disponible bajo CC BY 4.0.