Mecanismo Mecanismo s de Oxidación Bacterial de Minerales Minerales Sulfu Sulfu rados MSc MSc J uan Carlos Cárdenas. Cárdenas.
Research & Development Department Kop-Coat. Inc. New Jersey, USA.
[email protected] jumakage@sb cglobal.net Biol . José J. Guerrero Guerrero Rojas.
Consultor en Biominería, Perú
[email protected] MSc Gabr Gabriel iel Zárate C.
Vicepresidencia Metalurgia Anglo American Chile, Santiago, Santiago, Chile
[email protected] RESUMEN
En el presente trabajo se revisa el estado actual de los mecanismos de oxidación bacterial de minerales sulfurados, presentando los fundamentos de los modelos de biolixiviación hasta ahora propuestos e integrando los estudios del comportamiento químico y electro-químico y el papel de los microorganismos en la interfase solución-mineral. En este trabajo se aborda también los recientes adelantos en aspectos básicos como los parámetros químicos y electroquímicos del proceso, además de la importancia de las sustancias poliméricas extracelulares (EPS), excretadas por las bacterias durante su adhesión al mineral, y la función que 3+ cumple el Fe atrapado en estos EPS. AB STRACT This bibliographic review summarizes the state of art on the subject through the fundamentals of bioleaching models, which integrate both the chemical and electrochemical behavior and the role played by microorganisms at the solution-mineral interface. Other important aspects included in this paper are the latest findings on chemical and electrochemical parameters of the process, the importance of extra cellular polymeric substances (EPS) excreted by leach bacteria during its adherence to mineral particles, and the function
played by the ferric iron trapped within this layer of EPS. INTRODUCCION La lixiviación bacterial de sulfuros metálicos se ha desarrollado rápidamente en el curso de la última década. La recuperación de metales pesados por la aplicación de microorganismos es ahora una técnica biotecnológica establecida. La movilización de cationes metálicos desde minerales insolubles por oxidación biológica y procesos de complejación es referida a la biolixiviación. Los metales en los cuales esta técnica es empleada son: cobre, cobalto, níquel, zinc y uranio. Estos metales son extraidos desde sus sulfuros insolubles o como el caso del uranio desde sus óxidos. Sin embargo, para la recuperación de oro y plata, la lixiviación bacterial es aplicada solamente para remover sulfuros metálicos interferentes desde los minerales que contienen los metales 24 preciosos, anterior al tratamiento por cianuración . Aquí, el término biooxidacion, debería preferentemente ser usado, porque, los metales biolixiviados en muchos casos, hierro y arsénico, no son recuperados. Un término general que cubre las técnicas de biolixiviación y biooxidación podría ser “biomining” (Bosecker 1997; Ehrlich 2002; Olson et al. 2003; Rawlings 1997, 2002; Rohwerder et al. 2002). La emergente posibilidad de desarrollo
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en el campo de la biología molecular, análisis químico y ciencia superficial (nanobiotecnología) ha contribuido a mejorar el entendimiento de este bioproceso. La biología de bacterias lixiviantes se ha vuelto más y más compleja, debido al incremento en la data sobre la secuencia genética 16S rDNA. Muchas nuevas especies de bacterias lixiviantes han sido descritas y especies conocidas han sido reclasificadas. Mientras previamente solo las bacterias mesofílicas fueron consideradas importantes, hoy en dia, una nueva generación de bacterias termófilas moderadas y termófilas extremas se ha convertido en atractivas para usar en biolixiviación. Esto da como consecuencia el hecho que procesos industriales, como estanques agitados, sufren de altos costos operativos causados por el enfriamiento en procesos usando bacterias mesofílicas, a causa de su baja temperatura de supervivencia. Hoy, el uso de bacterias termófilas pueden ayudar a realizar este 23 proceso más económico . En lo que respecta a ARD y AMD, drenajes de roca y mina ácida, han incrementado su interés. Compañías mineras responsables, agencias estatales y leyes ambientales más estrictas se aliaron para luchar en contra de ARD y AMD. La reducción de su impacto sobre el ambiente podrá ser disminuido, solamente si entendemos las bases del proceso. Consecuentemente, los fundamentos bioquímicos de las reacciones de lixiviación han sido el tema de investigación intensiva en tiempos recientes. En este contexto, la química del azufre detrás de los mecanismos de lixiviación ha sido aclarada (Schippers and Sand 1999; Schippers et al. 1996). La biolixiviación de sulfuros metálicos y la generación de drenaje de agua de mina son algunos de los procesos que resultan de la interacción mineral-bacteria. Un mayor conocimiento de los mecanismos de oxidación bacterial de minerales sulfurados puede mejorar significativamente el diseño y la operación de plantas de lixiviación bacteriana y puede asistir en 1 la prevención del drenaje de agua mina . Los sulfuros presentan unas características adecuadas para la extracción de los metales que contienen por métodos pirometalúrgicos, ya que son fácilmente concentrables y el azufre suministra parte de la energía necesaria para la obtención del metal. Sin embargo, estos procesos son altamente contaminantes, por las emisiones de SO2 que producen, contribuyendo al problema de la lluvia ácida. Como consecuencia de la política medioambiental existente y de la necesidad de reducir los elevados costos de inversión y de operación que conllevan estos procesos, surgieron los procesos hidrometalúrgicos como una alternativa novedosa. No obstante, estos últimos también presentan
desventajas que han incidido negativamente en el desarrollo e implantación de estos procesos a escala indutrial, como son el elevado consumo de reactivos lixiviantes, las altas presiones y temperaturas que a menudo se requieren y los mayores costos de operación de la molienda fina. Por estas razones, en las últimas décadas ha surgido la Biohidrometalurgia y, dentro de ésta, la Biolixiviación, como un tratamiento alternativo prometedor para la obtención de metales a partir de sulfuros metálicos. El proceso de Biolixiviación se produce por la catálisis que los microorganismos ejercen durante la disolución de algunas menas minerales. El microorganismo se sirve del mineral como combustible, utilizando la transferencia de electrones para sus propios propósitos de supervivencia y liberando metales, sin requerir una aplicación externa de energía. En este tipo de proceso no son necesarias altas energías de activación; una prueba de ello es que las reacciones ocurren a baja presión y baja temperatura. Siempre ha existido, y todavía hoy existe, una gran controversia en cuanto al verdadero papel jugado por los microorganismos en la biolixiviación. De la revisión de diversas publicaciones sobre este tema se pueden deducir importantes concordancias en algunos aspectos referentes a este fenómeno, pero sin embargo no se ha llegado a un acuerdo total y todavía no existe una teoría unánimemente 2 aceptada. Sin embargo, citaremos a Ehrlich : Aunque en el laboratorio es possible demostrar un exclusivo mecanismo directo de biolixiviación por T. ferrooxidans de ciertos sulfuros metálicos noferrosos usando minerals libres de hierro y un medio de cultivo libre de hierro, en condiciones naturales esto nunca ocurre, porque los sulfuros metálicos no-ferrosos están siempre acompañados por pirita en los depósitos minerales. De este modo, en ambientes naturales la oxidación directa y oxidación indirecta usualmente ocurren juntas. En cuanto a la biolixiviación de sulfuros minerales, es bien sabido que la base de estos procesos la constituye la movilización de los constituyentes metálicos y que esta acción se realiza a través de la oxidación promovida por microorganismos. Pero, a través de qué mecanismos la bacteria realiza dicha oxidación? Muchos investigadores han dedicado años de trabajo en busca de respuestas a esta cuestión fundamental. El primer intento de explicación del posible mecanismo de biolixiviación fue realizado por 3 Silverman y Ehrlich , quienes en 1964, plantearon dos vías posibles: la directa y la indirecta (Fig. 1). Como es sabido, la biolixiviación de minerales sulfurados es causada por diversos grupos de microorganismos. Hoy, al menos 11 divisiones pueden ser relacionadas a este
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fenómeno. Los microorganismos predominantes
que disuelven sulfuros metálicos son bacterias
25
Figura 1: Biolixiviación de Esfalerita
extremadamente acidofílicas (significa, organismos que se desarrollan a valores de pH bajo 3) que son capaces de oxidar compuestos de azufre 2+ inorgánicos y/o iones Fe . La bacteria de lixiviación clásica, conocida anteriormente como Thiobacillus, está ahora bajo el género Acidithiobacillus. En este grupo están las primeras 2+ bacterias oxidantes aisladas de azufre y/o Fe extremadamente acidofílicas, las mesofílicas At. Thiooxidans y At. Ferrooxidans. Juntas con las moderadamente termofílicas At. Caldus, estas bacterias lixiviantes pertenecen al grupo Grannegativos y proteobacterias. Otras proteobacterias lixiviantes son especies del género Acidifilium tales como, Ac. Acidofilum, mientras miembros del género Leptospirillum están bajo una nueva división bacterial. Bacterias lixiviantes Gran-positivos son miembros moderadamente termofílicos del género Acidimicrobio, Ferromicrobio y Sulfobacilo. Archaebacteria lixiviante han sido conocidas por muchos años por pertenecer a los Sulfolobolos, un grupo de termofilas extremas, oxidantes del azufre 2+ y Fe , los cuales incluyen el género Sulfolobus, Acidianus, Metallosfera y Sulfurisfaera. Sorprendentemente Archaebacteria 2+ mesofílica y acidofílica oxidante de Fe han sido también descubiertas recientemente. Aquellas están bajo el género Thermoplasmales, y dos especies, Ferroplasma acidifilum y F. acidarmanus, son conocidas. Aunque estas bacterias son especies con un espectro substrato extremadamente limitado. En particular, L. ferrooxidans y L. ferrifilum pueden 2+ crecer solamente oxidando iones Fe 3 aerobicamente . MECANISMO DIRECTO
Acorde al concepto de oxidación directa de sulfuros metálicos susceptibles, como fue definido 4
por Silverman y Ehrlich , la red cristalina de tales sulfuros es atacada a través de oxidación enzimática. Para fortalecer esta definición, los microbios tienen que estar en íntimo contacto con el mineral que ellos atacan. Evidencia de rápido contacto de T. ferrooxidans a la superficie mineral de partículas de calcopirita han sido presentados por McGoran et al. (1969) y Shrihari et al. (1991); para partículas de covelita por Pogliani et al. (1990); para cristales de galena por Tributsch (1976); para cristales de pirita por Bennett y Tributsch (1978), Rodriguez-Leiva y Tributsch (1988), Mustin et al. (1992), Murthy and Natarajan (1992), y Edwards et al. (1998); y para minerales auríferos conteniendo pirita-arsenopirita por Snyman (1988). 2 Ehrlich , propone que la disociación espontánea de algún mineral para entregar o ceder especies iónicas oxidables en solución donde T. ferrooxidans puede atacarlos, es tan pequeña para el caso de minerales que son muy insolubles en solución ácida. Por ejemplo, covelita CuS, en donde el solo consituyente oxidable es el sulfuro, –44.07 tiene una constante de solubilidad de 10 . Thiobacillus ferrooxidans es capaz de oxidar este mineral a pH igual a 2. Simples cálculos muestran que en equilibrio a pH igual a 2, la disociacion de CuS generará solamente una concentración de HS -15.53 igual a 10 M y una concentración de H2S igual -13.06 a 10 M. Esto es insuficiente para la oxidación del sulfuro por T. ferrooxidans porque el más reciente valor de Ks para sulfuro oxidado en células -5.30 de este organismo ha sido reportado ser 10 M (Pronk et al., 1990). Los valores de Ks son una medida de la concentración de sustrato en donde una reacción
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catalizada por células intactas es 50% máximo (Cinética de Michaelis-Menten). Desde este punto 2+ de vista, la disociación de CuS hacia Cu , HS , y H2S no puede suministrar casi suficiente sustrato sulfuro para sustentar su oxidación por T. ferrooxidans a una razonable velocidad, no obstante que HS o H2S o ambos son los actuales sustratos para el sulfuro oxidado. A causa que T. ferrooxidans puede oxidar covelita en la ausencia de hierro adicional, la bacteria debe estar en contacto directo con el mineral para atacarlo. La necesidad del contacto directo en la oxidación de covelita por T. 2+ ferrooxidans en la ausencia de Fe adicional fue demostrada experimentalmente por Pogliani et al. (1990). Por contraste T. thiooxidans fue mostrado por Donati et al. (1995) para promover la oxidación de covelita solamente con la adición al medio de 3+ 2+ 3+ Fe o Fe autooxidado a Fe . La oxidación de 3+ o covelita por Fe generó S y otras cantidades de especies sulfuradas disueltas y reducidas como fue descrito por Sullivan (1930). 2 Por otro lado, Ehrlich propone considerar un mineral sulfuro mas soluble tal como ZnS, que -22.9 tiene una constante de solubilidad de 10 . Cálculos similares a aquellos para la covelita muestran que a pH igual a 2, la disociación de ZnS -4.95 -1.47 cederá 10 M HS y 10 M H2S. Aquellas concentraciones de HS y H2S son -5.30 más que suficientes para satisfacer el Ks de 10 para sulfuro oxidado en T. ferrooxidans y para permitir su crecimiento sin ataque directo en la superficie del mineral. Asimismo, ha sido mostrado que T. Thiooxidans, que son incapaces de oxidar 2+ Fe , promoverá rápidamente la disolución de ZnS a pH igual a 2 (Pistorio et al 1994). La relativa solubilidad de PbS en solución ácida, también explica el porque García et al, (1995), encontró que T. thiooxidans promovió la disolución de PbS (galena). La constante de -27.5 solubilidad de este sulfuro metálico es 10 , un poco menor que ZnS, pero significativamente mayor que la de CuS. A pH igual a 2, se disocia -7.25 -4.77 para entregar 10 M HS y 10 M H2S. Según este mecanismo, la bacteria ataca al sulfuro metálico de forma directa mediante su adherencia a la superficie mineral y la posterior oxidación enzimática de éste por transporte de electrones desde la parte reducida del mineral, generalmente el sulfuro, al oxígeno disuelto. Bacteria
MS + 5/2O2 + 2H
+
⎯⎯⎯⎯>
2+
2-
M + SO4 + H2O (1)
La adherencia de bacterias al mineral es, por tanto, necesaria para la biolixiviación de minerales a través del mecanismo directo y es la principal evidencia presentada en la defensa del mismo. Esta teoría se ha apoyado en diversos
estudios experimentales que demuestran la capacidad de aPágina 4 de 11dhesión que presentan las bacterias biolixiviantes a las superficies de los minerales. En este sentido, Berry 5 y Murr encontraron pruebas de que los Acidithiobacilli secretaban algunas sustancias que podrían ayudar al ataque, pero la naturaleza de estas sustancias era desconocida. Bennett y 6 Tributsch , observaron, al microscopio electrónico de barrido (SEM), cristales de pirita expuestos a la acción de A. ferrooxidans: detectaron huellas de corrosión en los cristales y sugirieron que éstas eran causadas por un agente bacteriano, un metabolito que podría actuar por tres medios: por 2+ 3+ oxidación de Fe a Fe , por solubilización del azufre molecular de las superficies del cristal o por ataque directo. También comprobaron que A. ferrooxidans tenía la capacidad de discernir las regiones más favorables de la superficie mineral para obtener su fuente de energía y seleccionar el sitio de ataque en función de la disponibilidad del 7 nutriente. Hansford y Drossou demostraron, también mediante SEM, la formación de agujeros en la superficie de una esfalerita oxidada por bacterias y concluyeron que estos habían sido producidos mediante el ataque directo de las células al mineral. 8 9 Al mismo tiempo, Mathews and Warren , observaron el mismo efecto, pero durante la oxidación química de los minerales. Estas observaciones, junto con las realizadas por 10 McKibben y Barnes mediante el estudio de la superficie de una pirita, antes y después de ser sometida a oxidación, derrumbaron los argumentos de quienes defendían el ataque directo, ya que observaron que las hendiduras y fracturas formadas durante el proceso eran heredadas del historial de crecimiento del propio mineral y de los procedimientos de preparación superficial previamente aplicados a éste. Estos lugares son químicamente más reactivos al tener una energía superficial más elevada y, por ello, se atacaban preferentemente. También existen dudas sobre la veracidad del ataque directo en cuanto a que el mecanismo enzimático por el cual ocurre no ha sido, aún, 11 absolutamente esclarecido. Lundgren y Tano afirmaron que la envoltura celular contenía las enzimas necesarias para lograr catalizar la 12 oxidación de sulfuros, pero Tributsch y Bennett , basándose en cálculos energéticos, descartaron esta teoría y afirmaron que para sulfuros como ZnS y CdS, la transferencia directa de electrones desde la banda de valencia del sulfuro metálico al sistema metabólico de la bacteria no era possible. MECANISMO INDIRECTO El mecanismo indirecto de lixiviación microbiológica tiene lugar por la interacción del
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mineral con productos intermedios o finales del metabolismo de las bacterias, no habiendo por tanto reacciones enzimáticas que actuen directamente sobre el sulfuro, y el agente de 3+ lixiviación, el Fe , es regenerado por el 1 microorganismo según las siguientes reacciones . 3+
MS + 2Fe
⎯⎯⎯⎯>
M
2+
2+
+ 2Fe
0
+S
(2)
Bacteria 2+
+
2Fe 2Fe + 1/2O2 + 2H
⎯⎯⎯⎯ ⎯ > ⎯ >
3+
2Fe + H2O
(3)
A su vez, el azufre elemental, que se forma en el proceso mediante la reaccion (2), es oxidado a ácido sulfúrico por la misma bacteria. Esta producción de ácido disminuye el pH durante la lixiviación y acelera el proceso, mejorando, además, las condiciones ambientales de vida de las bacterias, su adherencia al mineral y minimizando la precipitación de jarositas que constituyen una barrera difusional entre el sulfuro y 3+ 13 el Fe . Bacteria 0
2S + 3O2 + 2H2O
⎯⎯⎯⎯>
2H2SO4
(4)
Habría que hacer notar que bajo determinadas condiciones, la reacción (3) podría determinar el cambio de valor del pH en el proceso de disolución de los metales. Las jarositas se forman debido a que la 2+ 3+ oxidación bacteriana de Fe a Fe consume protones aumentando asi el pH, y esto, sumado a una alta concentración de hierro y/o sulfatos en disolución, produce la precipitación del hierro según la siguiente reacción: 3+
+
+
3Fe + X + 2H2SO4 + 6H2O ⎯> ⎯> XFe3(SO4)2(OH)6 + 10 H (5) Donde X es un catión monovalente como + K , H y NH 4 , presente en las sales que componen los medios nutrientes bacterianos. El mecanismo de lixiviación indirecto es la base de los procesos extractivos de biolixiviación que se están empleando a gran escala, desde hace años, para la obtención de uranio y cobre, principalmente. Ha sido ampliamente aceptado por su mejor explicación del proceso de biolixiviación, pero también deja algunas lagunas, como el hecho de 3+ que, en ausencia de Fe y en presencia de bacterias, se observe la disolucion de sulfuros libres de hierro o de que, algunas bacterias se encuentran adheridas al mineral o porque, en estudios de población celular en la biolixiviación del uranio las bacterias predominantes son azufreoxidantes y no bacterias ferrooxidantes. Por todas estas razones, aún siguen las investigaciones en la búsqueda de un modelo de +
+
biolixiviación que permita aclarar todas estas cuestiones. PROGRESOS EN BIOLIXIVIACION: MODELO DE SAND - SCHIPPERS Una de las primeras dudas acerca de los mecanismos existentes (mecanismo directo e indirecto) surgió de un estudio sobre diversidad 14 microbiana, realizado por Schippers , en pilas de residuos de una mina de uranio. En estas pilas se encontró que la inmensa mayoría de la población bacteriana estaba constituida por bacterias acidófilas moderadas del género Acidithiobacillus como A. intermedius y A. neapolitanus, mientras que A. ferrooxidans estaban en una proporción muy baja, aproximadamente de 100 a 1. Dado que el concentrado de uranio analizado solo poseía pirita como fuente nutriente, no se explica como los microorganismos azufreoxidantes podían ser mayoría, más aún sabiendo que éstos son incapaces de utilizar esta fuente energética y que la pequeña proporción de A. ferrooxidans era insuficiente para abastecer a los acidithiobacilli de sustrato (azufre). Estas observaciones se contradicen con el mecanismo indirecto de biolixiviación, que indica que los únicos intermediarios posibles durante el proceso son el azufre elemental y el ion ferroso. Por otro lado, Rodríguez-Leiva y 15 Tributsch encontraron que existía una capa de sustancias orgánicas, llamada EPS, exopolímero extracelular, entre la bacteria y la superficie 16 17 mineral. Arredondo , Gehrke et al. observaron que el exopolímero que rodeaba a las células de A. ferrooxidans y L ferrooxidans adheridas a la superficie mineral estaba fuertemente impregnado 3+ con Fe ion férrico hexahidratado y gránulos de politionato incorporados en forma de gránulos de azufre coloidal. Estas observaciones, junto con el estudio realizado por Goldhaber, Luther, llevaron a 18 Sand, Schippers et al. (Fig. 2) a plantear un nuevo mecanismo para la biolixiviación de la pirita. La disolución bioquímica de los sulfuros metálicos sigue solamente dos rutas o caminos, las que están determinadas por la solubilidad ácida de los sulfuros: mecanismo de biolixiviación vía tiosulfato y mecanismo de biolixiviacion vía polisulfuro y azufre. La célula bacterial puede efectuar la disolución del sulfuro por “mecanismo de contacto” y “mecanismo de no-contacto”. En estricto sentido, esto concuerda con el mecanismo indirecto mencionado previamente (Sand et al. 1995). El mecanismo de contacto asume que muchas células están adheridas a la superficie del sulfuro metálico. El mecanismo no-contacto asume que la bacteria oxida solamente iones disueltos 2+ 3+ Fe a iones Fe . Este último puede luego atacar el 2+ sulfuro metálico y ser reducido a iones Fe .
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En general, la disolución es alcanzada por una combinación del ataque de protones y el proceso de oxidación. La vía o camino de reacción es determinada por la especie mineral (Schippers and Sand 1999; Sand et al. 2001). Sin embargo, la estructura cristalina (es decir, estructura monosulfuro o estructura disulfuro) no controla la vía de disolución. La reactividad del sulfuro metálico con los protones (solubilidad ácida) es el criterio relevante. Esta última propiedad es determinada por la configuración electrónica (Schippers and Sand 1999). El sulfuro metálico con bandas de valencia que son derivadas solamente desde los orbitales de los átomos metálicos no puede ser atacado por protones (sulfuro metálico insoluble en ácido). Por el contrario, sulfuro metálico con bandas de valencia desde el orbital metálico y orbital sulfuro, son más o menos solubles en ácido (sulfuro metálico soluble en ácido).
Figura 2. Modelo Mecanismo de Lixiviacion de Contacto de At. Ferrooxidans. A Vision general, mostrando la célula bacterial fijada en su EPS adherido a la pirita via interacción electrostática. CM membrana citoplasmática, PS espacio periplasmático, OM membrana exterior. B Detalles del transporte de electrones desde la pirita al oxígeno molecular. El mecanismo de contacto requiere adherencia de la bacteria a la superficie del sulfuro metálico. El mecanismo primario para la adherencia a la pirita es electrostático en naturaleza. En el caso de Acidithiobacillus ferrooxidans, el exopolímero bacterial contiene 3+ iones Fe acomplejados por dos residuos ácidos urónicos. La resultante carga positiva del exopolímero permite adherencia a la pirita cargada negativamente. De este modo, la primera función
3+
de los acomplejados iones Fe (en el exopolímero bacterial) en el mecanismo de contacto es la realización de la adherencia celular, mientras su segunda función es la disolución oxidante del 3+ sulfuro metálico, similar al rol de los iones Fe libres en el mecanismo no-contacto. En ambos casos, los electrones extraídos desde el sulfuro metálico reducen al oxígeno molecular via una cadena redox compleja localizada debajo de la membrana externa, el espacio periplasmático y la membrana citoplasmática de la bacteria lixiviante. Además, es ahora generalmente aceptado que el originalmente discutido “mecanismo directo” de oxidación biológica de sulfuro metálico, es decir, la oxidación enzimática directa del azufre de los sulfuros de metales, no existe. Por el contrario, el “mecanismo indirecto”, es decir, la oxidación no3+ enzimática del sulfuro metálico por iones Fe combinado con reoxidación enzimática de los iones 2+ Fe resultantes, se mantiene y ahora comprenden dos submecanismos: mecanismo de contacto y mecanismo de no-contacto (Rawlings 2002; Sand et al. 2001). El mecanismo no-contacto es básicamente forzado por la bacteria, que oxida 2+ 3+ iones Fe en solución. El Fe resultante de alguna manera entra en contacto con la superficie del mineral, donde es reducido, comenzando el ciclo nuevamente. Esto significa que el proceso electroquímico resultante en la disolución de sulfuros metálicos toma lugar en la interfase entre la célula bacterial, especificamente en las paredes de la célula y la superficie del sulfuro metálico. De esta manera la célula contribuye a la disolución del mineral por generación del agente oxidante, el ion 3+ Fe , y por consiguiente la oxidación de los compuestos de azufre resultantes desde la solución. En ambos mecanismos, el principal rol de la bacteria lixiviante consiste en regenerar iones 3+ Fe , que es el más importante oxidante en biotipos 2+ acídicos. De esta forma, el oxidador acidofílico Fe controla el potencial redox en su ambiente, quien es determinado principalmente por la razón 3+ 2+ Fe /Fe en soluciones lixiviantes. Además de esto, oxidantes acidofílicos de azufre contribuyen a la transformación del compuesto de azufre intermediario a ácido sulfúrico. En el caso de azufre elemental, la oxidación es llevada a cabo por la bacteria, debido a que esta especie de azufre es inerte a la oxidación abiótica en ambientes ácidos. Consecuentemente azufre elemental puede acumularse en el curso de la disolución del sulfuro metálico, si la bacteria oxidante de azufre está ausente o inhibida. En general, la producción de ácido sulfúrico desde compuestos de azufre reducidos es necesaria para regenerar protones consumidos por el proceso inicial de lixivación vía
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polisulfuro. En adición, oxidadores de azufre pueden influenciar la cinética de lixiviación en una forma particular. Azufre elemental puede ocurrir suspendido como agregados libres y cristales, o puede formar una capa sobre la superficie del sulfuro metálico. En el último caso, las propiedades electroquímicas de la superficie del sulfuro metálico podrían cambiar y/o una barrera es formada reduciendo la velocidad de difusión para iones y oxígeno. Ambos fenómenos influencian negativamente la cinética de lixiviación. Capas de azufre que disminuyeron la velocidad de lixiviación fueron observadas sobre esfalerita soluble en ácido a bajos potenciales redox en la ausencia de oxidantes de azufre (Fowler y Crundwell 1999). Problemas similares son conocidos para calcopirita (Bevilaqua et.al 2002). En contraste, a altos potenciales redox (aprox. 750 mV vs. electrodo estándar de hidrógeno (SHE)) no fueron observadas capas de azufre inhibidoras, con sulfuros metálicos solubles en ácido y no-solubles en ácido (Fowler y Crundwell 1998; Fowler et al. 1999). Aunque azufre elemental fue también formado en los dos últimos casos, lo que problamente ocurrió solamente como agregados libres, que no disminuyeron la velocidad de lixiviación bajo condiciones de pH controlado. Por otro lado, bastantes bacterias lixiviantes crecen adheridas a la superficie de sulfuros minerales. Este proceso de adherencia es predominantemente realizado por la sustancia polimérica extracelular (EPS) alrededor de las células e incluso estimula la produccion de EPS. En el caso de At. Ferrooxidans R1 y pirita el EPS consistió de los azúcares glucosa, rhamnosa, fucosa, xylosa, mannosa, ácidos grasos saturados 3+ C12-C20, ácido glucurónico y iones Fe (Gehrke et al. 1998, 2001). La adherencia ocurre debido a una interacción electrostática principal de las células cargadas positivamente (2 moles negativamente cargados de residuos de ácido glucurónico acomplejan 1 mol positivamente cargado de iones 3+ Fe , resultando en una carga neta positiva) con pirita negativamente cargada a pH igual a 2 en solución de ácido sulfúrico; Blake et al.1994; Grutzner 2001; Solari et al. 1992). Asimismo, la interacción hidrofóbica no contribuye significativamente a la adherencia de la superficie del sulfuro metálico (Gehrke et al. 1998; Sampson et al. 2000). MECANISMO DE BIOLIXIVIACION INDIRECTA VIA TIOSULFATO Sulfuros de metales como pirita, molibdenita, y tungstenita son exclusivamente oxidados vía extracción de electrones por iones 3+ Fe , es decir, la transferencia de electrones de la 3+ banda de valencia a iones Fe . En este grupo de sulfuros metálicos, el enlace químico entre el
azufre y el metal no se rompe hasta que un total de seis etapas sucesivas de oxidación electrónica hayan sido realizadas y el tiosulfato es liberado (Luther 1987; Moses et al. 1987; Schippers et al. 1996). Este mecanismo es llamado, según el primer compuesto de azufre libre, via tiosulfato (Schippers et al. 1996). Principalmente, el tiosulfato libre es oxidado vía tetrationato y otros politionatos, finalmente a sulfato, pero también cantidades significativas de azufre elemental (10-20%) puede ser producido en ausencia de bacterias oxidantes de azufre (Schippers et al. 1999). Goldhaber et al. observaron la presencia de compuestos intermedios de azufre (sulfitos, tiosulfatos y tetrationatos) durante la disolución de pirita, lo cual llevó a Luther, Moses et al. a proponer un mecanismo indirecto para la oxidación del FeS2, en el que indicaban que este era atacado por ion férrico hexahidratado (compuesto encontrado en la EPS celular), produciendo tiosulfato e ion ferroso como primeros intermediarios. El tiosulfato formado, al no ser 3+ estable en soluciones ácidas que contienen Fe , reacciona produciendo ion ferroso y tetrationato. De este modo, la oxidación de la pirita tiene lugar de acuerdo con las siguientes reacciones: 3+
2+
2-
+
FeS2 + 6 Fe + 3 H2O ⎯⎯ ⎯⎯⎯> 7 Fe + S2O3 + 6H 2-
S2O3 + Fe
3+
⎯⎯⎯⎯⎯>
2
2+
½ S4O6 - + Fe
(6)
(7)
De acuerdo con Steudel y Wentzien, el tetrationato formado se descompone en presencia de pirita a azufre elemental, sulfato y trazas de tri- y pentationato, mediante un mecanismo de reacción que involucra al ácido disulfano-monosulfónico. Sand, Schippers et al. recogieron todas estas observaciones y las reforzaron mediante la realización de un estudio de los compuestos intermedios formados durante la disolución biológica de la pirita con Leptospirillum ferrooxidans 3+ y de la disolución química con Fe . En ellos, detectaron también la formación de tiosulfato, tritionato, tetrationato y ácido disulfanomonosulfónico como intermediarios, por lo que propusieron un mecanismo indirecto de biolixiviación al que dieron el nombre de mecanismo de biolixiviación indirecta vía tiosulfato (Fig. 3A). Según este mecanismo, una vez que la célula se encuentra adherida a la superficie mineral, el ion férrico hexahidratado contenido en el exapolímero extracelular empieza a atacar al sulfuro metálico de forma indirecta según la 2+ reacción (6), produciendo Fe y tiosulfato (intermediario). Este último reacciona generando otros productos intermedios, tales como tetrationatos, ácido disulfano-monosulfónico y
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tritionato, hasta llegar a sulfato, de acuerdo a la siguiente reacción global: 2-
3+
2+
2-
+
S 2O 3 + 8 Fe + 5 H2O ⎯> ⎯> 8 Fe + 2 SO4 + 10 H
( 8)
El ion ferroso es rapidamente oxidado a ion férrico por la bacteria y reciclado dentro del exopolímero. Una parte de los politionatos producidos durante estas reacciones se incorpora en forma de partículas coloidales en el periplasma de A. ferrooxidans, como fuente de energía. En presencia de bacterias A. ferrooxidans, 3+ estas serían capaces de regenerar el Fe
Figura 3. Mecanismos de Biolixiviación de Sulfuros Metálicos. A Mecanismo Tiosulfato. B Mecanismo Polisulfuro. necesario y, al mismo tiempo, de oxidar el tiosulfato y los politionatos a sulfato, mientras que si están presentes L. ferrooxidans (incapaz de oxidar compuestos de azufre), serían las bacterias azufreoxidantes (A. thiooxidans, A. caldus, A. acidophilus, y otras) las responsables de la oxidación del tiosulfato y de los demás compuestos de azufre. Una confirmación de este modelo puede encontrarse en los resultados obtenidos por Sugio sobre la oxidación química de azufre (tiosulfato) a 3+ 2+ tetrationato, mediante la reducción de Fe a Fe por las enzimas fierro férrico óxido-reductoras de A. ferrooxidans. ferrooxidans. La mayoría del tetrationato se incorporaba como gránulos de politionato en el 19 periplasma y el resto era oxidado a sulfato . Este mecanismo explica bastante bien la oxidación de la pirita que, aunque es el sulfuro más abundante en la tierra, no es el más valioso. Para poder postular un mecanismo válido para otros sulfuros minerales, en los que se observaba que en 3+ ausencia de Fe también tenía lugar la disolución bacteriana, se necesitó la realización de nuevos experimentos. MECANISMO DE BIOLIXIVIACION INDIRECTA VIA POLISULFURO Y AZUFRE
Un estudio minucioso de la mineralogía y de las propiedades semiconductoras de los sulfuros metálicos llevó a diferentes investigadores a la conclusión de que en la pirita (FeS2) y la molibdenita (MoS2), las bandas de valencia provienen solamente de orbitales de átomos metálicos, que no contribuyen al enlace químico metal-azufre; razón por la cual estos sulfuros solamente pueden ser degradados por ataques 3+ oxidantes con el ion Fe . Por el contrario, otros sulfuros metálicos (ZnS, CuFeS2, PbS), poseen bandas de valencia a las que contribuyen orbitales de átomos metálicos y de azufre, que no solo 3+ serían atacables mediante la acción del Fe , sino que también los protones H+ podrían producir el mismo efecto. Por consiguiente, el mecanismo indirecto vía tiosulfato no sería válido para estos últimos sulfuros. En relación a este tema, Tributsch y Bennett trabajaron con sulfuros sintéticos libres de hierro, como ZnS y CdS, y observaron que la disolución sin el oxidante era posible, lo que les llevó a proponer un mecanismo en el cual, en 3+ + ausencia de Fe , el ion H actua como receptor de electrones durante la oxidación del sulfuro mineral. Así, por reacción química con la superficie del + sulfuro metálico, los protones (H ) rompen sus enlaces químicos, produciendo un estado superficial que puede describirse, químicamente, como grupos –SHδ –. Una molécula transportadora + Y , generada por la bacteria, retira estos grupos de la superficie mineral por formación del complejo Y18 SH . Dicho compuesto es reabsorbido por el sistema metabólico de la bacteria, que lo oxida y + libera de nuevo la molécula Y . Las reacciones que tienen lugar son: +
+
MS + Y + H
⎯⎯⎯⎯> +
2+
M
+
+ Y-SH
(9)
2-
Y-SH + 2O2 ⎯⎯⎯> Y + H + SO4 (10) Con estas bases y con el fin de plantear un mecanismo de ataque para estos sulfuros, Schippers y Sand realizaron un estudio de los compuestos de azufre formados durante la oxidación química con ion férrico. Obtuvieron que, en el caso del FeS2 y MoS2, se formaba un 90% de sulfato y aproximadamente 10% de politionatos, lo que confirmaba el mecanismo via tiosulfato propuesto anteriormente por ellos. Sin embargo, para los otros sulfuros (ZnS, CuFeS2, PbS), se obtenía más de un 90% de azufre elemental, muy poco sulfato y una cantidad apenas detectable de politionatos. Con estas nuevas consideraciones, Schippers y Sand plantearon un nuevo mecanismo de disolución de sulfuros como ZnS, CuFeS2, PbS, al que llamaron mecanismo de biolixiviación 20 indirecta vía polisulfuro y azufre (Fig. 3B) .
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Según este mecanismo, la disolución de sulfuros minerales, como ZnS, CuFeS2 y PbS, empieza por el ataque de los protones que liberan el metal en forma iónica y producen H2S; este 3+ último es oxidado consecutivamente por el Fe . Las reacciones que tienen lugar son: MS + 2H
+
2+
M
⎯⎯⎯⎯>
3+
H2S + Fe
⎯⎯⎯⎯⎯>
+ H2S
(11)
+
2+
H2S∗ + Fe
(12)
3+
Debido a la capacidad de iones Fe para romper los enlaces del sulfuro metálico más + efectivamente que los protones, el radical H2S∗ puede preferentemente ser formado en una reacción sin formación de H2S como producto intermedio. La producción de polisulfuros (Fig. 4) + empieza con la disociación de los H2S∗ a radicales HS∗, que a su vez reaccionan produciendo iones disulfuro, según las siguientes reacciones:
2+
2-
*+
Figura 4. Formación de Polisulfuro. MS: sulfuro mineral; M : ion metálico; H2Sn y S n : polisulfuros; H2S * HS :radicales.
y
bacteria ∗+
H2 S
+
∗
+ H2O ⎯⎯⎯⎯⎯> H3O + HS
(13)
Dos de los radicales HS∗ pueden reaccionar a un disulfuro: 2HS∗
⎯⎯⎯⎯>
H2S2
3+
⎯⎯⎯⎯>
+
2+
H2S2∗ + Fe
(15)
Por dimerización de dos HS2∗ se produce tetrasulfuro, y por reacción de HS2∗ con radicales HS∗ se produce trisulfuro. Así, el aumento de las cadenas de pilosulfuro tienen lugar mediante las reacciones representadas en la Figura 4. Los polisulfuros se transforman en azufre elemental por la acción de un medio ácido y por 3+ reacción con Fe , de acuerdo con las siguientes reacciones: -
HS9
⎯⎯⎯⎯⎯> 3+
0,5H2Sn + Fe
-
HS + S8
⎯⎯⎯>
(16)
n/16 S8 + Fe
2+
+H
+
(17)
El azufre elemental producido se oxida mediante la acción bacteriana, regenerándose así el ácido. En consecuencia, las reacciones globales del mecanismo via polisulfuro son las siguientes: 3+
MS + Fe
+
+H
3+
0,5H2Sn + Fe
⎯>
2+
M
⎯⎯>
+
Según este mecanismo, el papel de las bacterias durante la biolixiviación de sulfuros
(14)
El disulfuro formado puede llegar a ser 3+ oxidado por el Fe o por radicales HS∗: H2S2 + Fe
2-
0,125S8 + 1,5O2 + H2O ⎯⎯⎯⎯> SO4 + 2H (20)
2+
+ 0,5H2Sn + Fe
0,125S8 + Fe
2+
+H
(n≥2) (18)
+
(19)
metálicos consiste en generar el ácido sulfúrico, abasteciendo al medio de protones para la hidrólisis del mineral, y mantener el hierro en un 3+ estado oxidado, como Fe , para el ataque oxidante del mineral. Este planteamiento está de acuerdo con los resultados de numerosos artículos que 2+ 3+ indican que en ausencia de iones Fe y Fe , A. ferrooxidans puede disolver sulfuros sintéticos que no contienen hierro y que son hidrolizables en medio ácido, como es el caso del ZnS, CdS, NiS, CoS, CuS y Cu 2S. En estos sulfuros la velocidad de lixiviación está relacionada con sus productos de 21 solubilidad y con el pH del medio . Otro aspecto que apoya su teoría tiene que ver con el hecho de que Tributsch y Bennett observaron que la adición de ion férrico al medio de biolixiviación de sulfuros sintéticos, ácido hidrolizables y libres de hierro, incrementaba las velocidades de disolución, debido a que estos + minerales pueden ser atacados tanto por los H 3+ como por el Fe . El descubrimiento de las sustancias poliméricas extracelulares (EPS), excretadas por las bacterias para lograr su adherencia a la superficie mineral, también ha contribuido a esclarecer muchas interrogantes planteadas y apoya las nuevas teorías propuestas. Se han realizado diferentes estudios para determinar el origen, la función y los constituyentes de la EPS y se han obtenido evidencias del importante papel
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que cumple en la interacción bacteria-superficie mineral, y en el ataque de este último. En esos estudios se observó que la formación del exopolímero es un requisito importante para la adhesión y posterior solubilización del mineral, ya que el hierro que contiene otorga a la célula una carga neta positiva que provoca una atracción electrostática entre esta y la superficie de la pirita cargada negativamente. 3+ Además, estos iones Fe intervienen en las primeras etapas de la degradación del sulfuro, ya que al comienzo del proceso es necesaria la presencia de una cierta cantidad de ion férrico en el medio de biolixiviación (aproximadamente ≥ 0,2 g/l). Por consiguiente, la EPS constituye un espacio inicial de reacción en el que tiene lugar el proceso de lixiviación del mineral a través de la acción del 3+ Fe , permitiendo ampliar el radio de acción de la célula, al ser considerada como un comportamiento de reacción. Todas las consideraciones realizadas anteriormente indican que los dos mecanismos de biolixiviación propuestos por Sand, Schippers et al., junto con el papel que desempena la EPS, son fundamentales a la hora de considerar el verdadero mecanismo de biolixiviación y ponen en duda la existencia de un mecanismo directo de ataque 22 enzimático de las bacterias al mineral . ESTRATEGIAS DE BIOLIXIVIACION Finalmente, y con relación al estado de 26 investigación y desarrollo de este tema, Tributsch , en el Simposio Internacional de Biohidrometalurgia, celebrado en Espana en 1999 realizó una revisión de las propuestas existentes y propuso tres estrategias de biolixiviación (Fig. 5): Biolixiviación No-contacto: la bacteria no se adhiere a la superficie mineral y su acción se encuentra restringida a la renovación del agente de 3+ lixiviación, el Fe . Biolixiviación de contacto: es el nuevo nombre dado a la biolixiviación directa. En ella, la bacteria se adhiere a la superficie mineral con el propósito de acondicionar el entorno y facilitar el ataque al mineral, a través de una disolución 3+ electroquímica producida por el Fe contenido en el exopolímero generado por la célula para adherirse al sólido. Biolixiviación cooperativa: existe una cooperación entre las bacterias adheridas a la superficie mineral y las bacterias libres en solución, donde las primeras, por biolixiviación de contacto, liberan especies que constituyen la fuente energética de las bacterias de la solución.
Figura 5. Estrategias de Biolixiviación
CONCLUSIONES Los sulfuros metálicos insolubles en ácido como FeS2, MoS2 y WS2 son químicamente 3+ atacados por iones Fe generando tiosulfato, el cual es oxidado a ácido sulfúrico. Otros sulfuros metálicos tales como ZnS, PbS, CuS, CuFeS2 y otros, son atacados por iones 3+ Fe y por protones, resultando en la formación de azufre elemental vía polisulfuros intermedios. El azufre es biooxidado a ácido sulfúrico. Aunque en el laboratorio es posible demostrar un mecanismo exclusivo de biolixiviación directa por T. Ferrooxidans, de ciertos sulfuros metálicos no-ferrosos, usando minerales libres de hierro y un medio de cultivo libre de hierro, en condiciones naturales esto nunca ocurre. Esto es, porque, sulfuros metálicos no-ferrosos, están siempre acompañados por pirita en los depósitos minerales. De este modo, en ambientes naturales la oxidación directa y la oxidación indirecta usualmente ocurren juntas. La disolución bioquímica de los sulfuros metálicos sigue solamente dos rutas o caminos, las que están determinadas por la solubilidad ácida de los sulfuros: mecanismo de biolixiviación vía tiosulfato y mecanismo de biolixiviación vía polisulfuro y azufre. La célula bacterial puede efectuar la disolución del sulfuro por “mecanismo de contacto” y “mecanismo de no-contacto”. El mecanismo de contacto asume que muchas células están adheridas a la superficie del sulfuro metálico. El mecanismo no-contacto asume que la bacteria 2+ 3+ oxida solamente iones disueltos Fe a iones Fe . Este último puede luego atacar el sulfuro metálico y 2+ ser reducido a iones Fe . El mecanismo de contacto requiere adherencia de la bacteria a la superficie del sulfuro
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metálico. El mecanismo primario para la adherencia a la pirita es electrostático en naturaleza. En el caso de Acidithiobacillus ferrooxidans, el exopolímero bacterial contiene 3+ iones Fe acomplejados por dos residuos ácidos urónicos. La resultante carga positiva del exopolímero permite adherencia a la pirita cargada negativamente. De este modo, la primera función 3+ de los acomplejados iones Fe (en el exopolímero bacterial) en el mecanismo de contacto es la realización de la adherencia celular, mientras su segunda función es la disolución oxidante del 3+ sulfuro metálico, similar al rol de los iones Fe libres en el mecanismo no-contacto.
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