Las bacterias y la minería del cobre
( Publicado en Revista Creces, Julio 1987 )

Biolixiviación. Ese oscuro término representa un conjunto de reacciones químicas que tienen como resultado la disolución de minerales para las bacterias.

Jamás habrían imaginado los curtidos mineros de Río Tinto, España, quienes alrededor de 1670 extraían cobre del agua que fluía de pilas de mineral, que este proceso recibiría tres siglos después un nombre tan complicado:

Biohidrometalurgia. La partícula bio se ha agregado a esta palabra porque la disolución del cobre en este proceso es causada por la acción de una comunidad de bacterias que pueden obtener la energía que necesitan a expensas de la oxidación de sustancias inorgánicas. Por esta razón se ha denominado a estos microorganismos quimiolitotróficos (o "devoradores de piedras"). Varios de estos microorganismos pueden además sintetizar sus componentes celulares a partir del anhídrido carbónico del aire, es decir son autótrofos. El hábitat de esta bacteria es muy poco hospitalario para el común de los seres vivos: alta concentración de metales y ácido sulfúrico y en algunos sitios temperaturas superiores a 50 grados Celsius. Aparte de su importancia en las actividades de metalurgia extractiva, se les reconoce hoy participación en la formación de depósitos de sulfuros metálicos y minerales oxidados.


Thiobacillus ferrooxidans

Dentro de este ecosistema, uno de los microorganismos de mayor importancia para la minería es el Thiobacillus ferrooxidans. Esta bacteria de forma algo cilíndrica (ver Figura 1) fue aislada en 1957 de agua de filtraciones en una mina de carbón abandonada en Virginia Oeste, Estados Unidos. T. ferrooxidans vive bien en soluciones ácidas y posteriormente se le ha encontrado en depósitos de sulfuros metálicos, aguas termales y fisuras volcánicas. Es un microorganismo autótrofo que obtiene su energía de la oxidación de hierro y azufre. El hierro debe estar en la forma de ion ferroso Fe2+ el que por acción bacteriana es convertido en ion férrico Fe3+. La oxidación de azufre puede ocurrir con el azufre elemental (S) así como con varias otras moléculas azufradas: sulfuros, tetrationato ( S4 062-) o tiosulfato (S2 032-). El aceptor de la mayor parte de los electrones provenientes de estas oxidaciones es el oxígeno (02). Esta es por lo tanto una bacteria aeróbica. La transferencia de electrones hacia el oxígeno ocurre a través de una serie de etapas con la participación de varias proteínas mediadoras localizadas en y entre las membranas externa e interna que envuelven la bacteria.

Estos procesos de transferencia de electrones deben estar acoplados de alguna manera a la síntesis de ATP. Este es el compuesto que en general los seres vivos utilizan en procesos químicos que requieren energía. Los mecanismos de este acoplamiento entre transferencia de electrones y síntesis de ATP no están bien aclarados en este microorganismo pero su estudio ha progresado y atraído el interés de un número creciente de investigadores en años recientes. Esto, porque su dilucidación ayudaría a orientar las manipulaciones genéticas conducentes a mejorar las características que hacen esta bacteria útil en minería y también porque el estudio de estos mecanismos resulta interesante dado que el número de mediadores -unos cinco o seis- es pequeño y se encuentran en concentraciones relativamente altas en la célula, lo que hace a esta bacteria un buen modelo de estudio de estos procesos.

La disolución del cobre de los minerales (lixiviación) por la acción química de Thiobacillus ferrooxidans ocurriría a través de dos vías que se han denominado directa e indirecta. La lixiviación directa comprende el ataque enzimático por la bacteria sobre componentes del mineral que sean susceptibles de oxidación. El producto de oxidación es en general más soluble y es liberado al ambiente húmedo que rodea los fragmentos de mineral. En la lixiviación indirecta (esquematizada en la Figura 2) por el contrario, el microorganismo no ataca la estructura molecular del mineral sino que genera iones férricos por oxidación de iones ferrosos solubles. El ion férrico es un potente agente oxidante que reacciona con el mineral de cobre generando Cu2+ soluble. Esta lixiviación indirecta puede no sólo ser utilizada en la metalurgia del cobre sino que también en la extracción de minerales de uranio U02, de estaño, de antimonio e incluso para disolver piritas que contienen oro.

El uso de microorganismos en lixiviación del cobre resulta especialmente ventajosa en la explotación de minerales de baja ley. Estos métodos producen ya hoy más de un 10% del cobre en Estados Unidos. En Canadá, la explotación de uranio en algunos yacimientos se hace totalmente por esta vía. La recuperación en minerales de baja ley ocurre en general en pilas o botaderos. La explotación de un sistema en botadero aparece ilustrada en la Figura 3. El procedimiento habitual de recuperación del cobre disuelto por la acción microbiana es la cementación: las soluciones con una alta concentración de Cu2+ pasan lentamente a través de depósitos conteniendo chatarra de hierro en donde se deposita el cobre. También existen procedimientos para recuperar Cobre por extracción con solventes especiales.


La biolixiviacion en Chile

La importancia de estos microorganismos en la minería del Cobre fue reconocida en Chile ya al comienzo de la década del 70. En ese entonces se iniciaron trabajos en el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (INTEC) orientadas a caracterizar y seleccionar diferentes tipos de microorganismos que se encontraban en ambientes naturales propicios a la lixiviación (botaderos, aguas efluyentes de faenas mineras, etc.). Sin embargo el avance de estas investigaciones ha ocurrido a un ritmo muy irregular. Recién a mediados de 1984 se inició un proyecto a mayor escala con la participación de centros universitarios y organismos estatales y con el apoyo financiero de la Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial y del Gobierno de Chile. Este proyecto (Control de procesos biológicos en la lixiviación bacteriana del cobre de minerales chilenos) se propuso inicialmente estudiar aspectos básicos sobre la genética, fisiología y bioquímica de las bacterias lixiviantes, sobre los mecanismos de interacción de la bacteria con el mineral y cinéticas de biolixiviación en diferentes condiciones. Con esta base de conocimientos se pretende I) Alterar algunas características fisiológicas del o los microorganismos lixiviantes de manera de hacerlos más eficientes, y II) Modificar características ambientales (composición del mineral, tamaño de los fragmentos, aireación, acidez, temperatura, etc.) para optimizar la lixiviación por estas bacterias nativas o eventualmente modificadas. Mientras el objetivo I es una tarea esencialmente de bioquímicos y microbiólogos, el objetivo II comprende problemas de ingeniería de la biolixiviación. De acuerdo a la opinión de algunos expertos, este proyecto es el trabajo mayor a nivel mundial sobre esta materia, agrupando a alrededor de cien profesionales chilenos en los tres subproyectos en que se ha dividido. Hay que destacar que Estados Unidos, Canadá, Japón y Sudáfrica realizan una labor intensa en esta área.

Aunque en el proceso de biolixiviación participan diversas especies de microorganismos, los estudios fisiológicos y genéticos se han concentrado en Chile en Thiobacillus ferrooxidans por representar esta bacteria la mayor actividad oxidante en el ecosistema lixiviante. Hasta ahora el subproyecto que estudia los aspectos fisiológicos y genéticos han avanzado por ejemplo en caracterizar diferentes tipos de elementos no cromosomales (plasmidios) de este microorganismo.

Entre algunos rasgos genéticos que estos plasmidios pueden transmitir rápidamente a una población bacteriana podría encontrarse la resistencia a algunos iones metálicos tóxicos que se liberan durante la lixiviación. De allí la importancia de producir cepas resistentes. Otro aspecto que se estudia es el determinar hasta qué punto la bacteria puede mejorar su capacidad de asimilar CO2 y por ende crecer más rápido. A este respecto se ha logrado aislar y caracterizar la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa (Rubisco) un componente clave del proceso de fijación de anhídrido carbónico. El disponer de esta enzima pura es un paso necesario en la producción de anticuerpos anti-Rubisco, que serán usados como un método para la detección y cuantificación de esta enzima en diferentes condiciones de crecimiento. Actualmente se está procediendo a aislar el gen que codifica para esta enzima, con el fin de caracterizarlo y estudiar las posibilidades de modificarlo por las técnicas convencionales de ingeniería genética.

Otro aspecto clave del aporte bioquímico a la optimización de la actividad oxidante es la caracterización de los componentes que median el paso de electrones de Fe2+ a 02. Con la ayuda de anticuerpos se ha determinado que uno de los primeros mediadores, la proteína azul rusticianina, es muy abundante cuando la fuente de energía es Fe2+, pero que sus niveles bajan significativamente cuando el dador de electrones es azufre. Se progresa ahora en aislar el gen de la rusticianina. Se efectúan además estudios físico-químicos que permitan aclarar los mecanismos de transferencia de electrones de Fe2+ a un componente ubicado en la membrana externa de la bacteria y las interacciones de este componente con la rusticianina. Los fenómenos de adherencia del microorganismos al mineral están siendo estudiados tanto a través de la caracterización química de los componentes de la pared bacteriana como a través de la observación, por microscopia electrónica y técnicas físicas, de la superficie del mineral en donde las células se adhieren. Una vez más la inmunología ha prestado su ayuda en la implementación de técnicas rápidas y muy selectivas para cuantificar T. ferrooxidans en muestras naturales que contienen varias especies de microorganismos, estas técnicas emplean anticuerpos que reconocen componentes de la pared de la bacteria.

Para establecer los fundamentos de la ingeniería química y bioquímica de la lixiviación bacteriana, un equipo de cerca de 30 investigadores de la Universidad de Chile y Católica de Valparaíso se encuentra estudiando los mecanismos bioelectroquímicos que producen la disolución del sulfuro en el mineral. También se hacen estudios de cinéticas de crecimiento bacteriano y lixiviación en diferentes tipos de reactores con mineral. Con el objeto de evaluar con la mayor celeridad la evolución de algunos de los parámetros de lixiviación (contenido de O2, pH, etc.) se ha implementado el uso de computadores en la recolección automática de estos datos en los reactores. Caracterizando los procesos de lixiviación que tendrían lugar en las faenas mineras chilenas, se ha procedido a la delicada tarea de reconstituir sistemáticamente, en una lixiviación, la flora natural de microorganismos presentes en el proceso. Con estos estudios se espera determinar la influencia de cada una de estas especies en las diferentes fases de la lixiviación. También se ha procedido a la recolección de datos de una faena de lixiviación experimental en las cercanías de Vallenar.


Consideraciones ambientales

A pesar de las condiciones tan extremas en que viven T. ferrooxidans y las otras bacterias lixiviantes, pueden darse variadas circunstancias, naturales o producto de la actividad humana, que proporcionen el hábitat de estos microorganismos. La magnitud de su actividad en ambientes naturales ha sido tan significativa que como decíamos anteriormente, algunos geólogos les atribuyen una participación muy importante en el estado de oxidación de algunos yacimientos minerales.

Desde el punto de vista del impacto en el medio ambiente, el empleo de estos microorganismos por el Hombre tiene varias ventajas, pero también presenta algunos problemas. En la explotación minera es una ventaja el que la biolixiviación no libere gases tóxicos o corrosivos y requiera poca energía. En consecuencia el impacto ambiental de la fuente energética es poco significativo y hay menos riesgos de accidentes contaminantes. El uso de estos microorganismos para disminuir la contaminación está siendo estudiado en países del hemisferio norte en otro aspecto: la desulfurización del carbón. Lo que se pretende en este caso es disolver por la acción bacteriana los minerales azufrados, como la pirita, presentes en el carbón, obteniendo así un combustible más limpio que no genere al ser quemado los nefastos gases sulfurosos.

Los riesgos contaminantes de los microorganismos lixiviantes tienen que ver con la producción de ácido que genera su actividad. Por ejemplo en ciertos lugares del noroeste de Estados Unidos la acción de estos microorganismos en las aguas que fluyen por grietas y filtraciones en un gran número de minas de carbón abandonadas está produciendo considerables problemas de acidificación de suelos fértiles. Actualmente se está dedicando allí una cantidad importante de recursos al desarrollo de sistemas de control de esta actividad indeseable de las bacterias. Es posible pensar entonces que si con la ayuda tanto de la genética clásica como de la ingeniería genética se lograra producir una "superbacteria", es decir una bacteria con una actividad oxidante y/o un crecimiento aumentado, estos microorganismos podrían "escaparse" de las faenas mineras y producir una acidificación exagerada en lugares en donde su acción no es deseable. Lejos de descartar el uso de bacterias mejoradas en previsión de estos problemas, podríamos pensar que la ingeniería genética es también capaz de aportar algo a este respecto diseñando por ejemplo un microorganismo que necesite para crecer condiciones que sólo se dan en la faena minera.

En un balance de lo que ha sido hasta ahora el desarrollo del proyecto de biolixiviación en Chile habría que destacar que un objetivo primordial ya se ha cumplido, cual es la formación de una comunidad de investigadores de diferentes áreas que están enfocando los diferentes problemas del proceso de biolixiviación. Sus avances están avalados por publicaciones en revistas internacionales, presentaciones de patentes y el reconocimiento de investigadores extranjeros de gran prestigio en el área. Sin embargo este esfuerzo multidisciplinario aún no ha rendido la parte más importante de sus frutos. Hay algunas áreas en que el habilitar las herramientas de trabajo tomó una parte considerable del tiempo de proyecto (control por computadores, construcción de reactores, montaje de técnicas de biología molecular, etc.). Ahora estas técnicas han sido o están a punto de ser implementadas y servir en los fines propuestos. Desgraciadamente la continuación de este proyecto podría a verse interrumpido a fines del año 1987. La razón es que no había sido posible encontrar un organismo nacional capaz de seguir financiando la parte del proyecto que corresponde a una institución chilena. Esto significa que la mayor parte de la investigación coordinada bajo esta iniciativa podría haber cesado pronto.

Con los bajos precios del cobre puede entenderse lo difícil que resulta para la industria minera encontrar los recursos para financiar proyectos de esta envergadura. Sin embargo nuestro país posee una minería cuprífera que por su magnitud es aún una de las más importantes del mundo y por lo tanto esta actividad debe sustentar una política agresiva de innovación tecnológica so pena de quedar en una situación de gran desmedro frente a la competencia. En el ámbito de la biotecnología a nivel mundial, empresas químicas y mineras de gran tamaño son muy receptivas en cuanto a favorecer la investigación. Esto en buena parte por una razón defensiva; en efecto, frente a la posibilidad de patentar microorganismos genéticamente modificados, muchas compañías desarrollan investigación porque no quieren ser bloqueadas en el empleo de microorganismos por un competidor que acudió primero a la oficina de patentes.

En la ingeniería genética de T. ferrooxidans los métodos para lograr modificaciones específicas y estables están aún en estudio. El orden de diferentes genes en cromosomas no es conocido, pero al parecer hay genes que cambian de posición. Aún es necesario desarrollar un método para reintroducir un gen modificado en el microorganismo. Pese a estas dificultades aún por resolver, grupos de investigación extranjeros ya han intentado patentar bacterias y métodos de ingeniería genética en T. ferrooxidans.

Esto ilustra la competitividad que puede desarrollarse en esta área. Al cesar nuestras actividades en este campo podría ocurrir que el empleo de microorganismos modificados en Chile necesitara el pago de una patente extranjera, pero también podría ocurrir que nos veamos totalmente impedidos de usarlos y/o desarrollarlos posteriormente.

Al finalizar, es necesario también señalar que las bacterias lixiviantes tienen una promisoria aplicación en la metalurgia extractiva de otros minerales, de los cuales Chile tiene reservas importantes.



Dr. Raúl Aguirre A.

Experto en proyecto
Biolixiviación (PNUD).


Para saber más


1. Jacques Berthelin "Des bactéries pour extraire des métaux". La Recherche, Mayo 1987 págs. 720-725.

2. W. John Ingledew. Thiobacillus Ferrooxidans: The bioenergetic of an acidophilic chemolitrotroph. Biochimica et Biophysica Acta (1982) Vol. 683. págs. 89-117.


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