Las transformaciones microbiológicas de gran número de minerales tienen gran importancia en la recuperación de subproductos de la minería, actuando como verdaderos concentradores de metales que se encuentran en pequeñas dosis. Procesos microbianos transforman nutrientes minerales en formas disponibles para otras formas de vida.
El hierro sufre una serie de procesos de naturaleza física, química o biológica y a pesar de ser uno de los principales constituyentes de la corteza terrestre, se presenta frecuentemente en forma no disponible para los vegetales como (Fe+++) y los ejemplos de carencias son frecuentes. La figura 5 presenta las transformaciones de origen biológico que ocurren entre los compuestos con hierro.
Figura 5 - Transformaciones biológicas del hierro
animales vegetales reducción Fe+++ Fe++ oxidación m i m materia orgánica microflora
Los procesos biológicos de compuestos con hierro pueden resumirse: • mineralización ←←←←→→→→ inmovilización
• oxidación ←←→←←→→→ reducción (el Fe+++ precipita como hidróxido) • solubilización ←←←←→→→→ precipitación
Resultante de la actividad biológica el hierro puede ser: precipitado en la naturaleza por acción de bacterias oxidantes del Fe++, por la acción de heterótrofos que degradan la fracción orgánica de complejos organo- metálicos, por la liberación de O2 por algas y por la creación de medios alcalinos • solubilizado por la formación de ácidos, la presencia de condiciones de reducción o por la formación de ciertos complejos.
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mineralización e inmovilización son procesos realizados por variada microflora heterótrofa activa en amplios rangos de condiciones ambientales. No se señalan casos de problemas en la inmovilización de iones ferrosos en parte por el hecho de que los restos vegetales requieren este elemento en pequeñas cantidades.Oxidación
Químicamente, el ión ferroso predomina en solución debajo de pH 5 y el férrico sobre 6. Los cambios de pH de la solución del suelo pueden alterar el estado de oxidación de este elemento. El potencial de oxidorreducción también determina la forma dominante: debajo de 0,2 voltios es el ion ferroso el que predomina. Es difícil entonces, en este elemento, determinar cuándo los procesos son biológicos o simplemente físico-químicos.
Las llamadas bacterias del hierro oxidan sales ferrosas con generación de ATP en CTE aerobia. Precipita hidróxido férrico alrededor de las células, frecuentemente en cápsulas o vainas dando colonias floculentas que típicamente crecen adheridas a las paredes de tubos con medio líquido. Se desarrollan de preferencia en aguas pobres en materia orgánica soluble, provistas de O2 y con sales ferrosas o manganosas.
Los géneros más conocidos son: Sphaerotilus en cuyas vainas se deposita óxido férrico. Pueden crecer rápidamente como quimioheterótrofos y así se aíslan en cultivo puro. No se conoce el rol de la deposición de hidróxido férrico: si es un proceso de significado fisiológico y si pueden desarrollarse quimiautotróficamente. La quimioautotrofia es más evidente en otra bacteria no relacionada a la anterior: Gallionella que no crece en medios orgánicos y sí en medio mineral con depósito de SFe como fuente de Fe++. Resulta difícil obtenerla en cultivo puro. La mayoría de las colonias algodonosas obtenidas están formadas en su mayor parte por hidróxido férrico y las bacterias están localizadas en ramificaciones terminales de los depósitos de Fe (OH)3.
Otros microorganismos comprometidos en la oxidación: Leptothix, quimioautótrofo facultativo, puede obtener energía también de la oxidación de compuestos orgánicos; Thiobacillus y Ferrobacillus. Obtienen energía de la oxidación:
4 Fe+++ + O2 + 4 H+ -→→→→ 4 Fe+++ + 2 H2O
El organismo está frecuentemente recubierto por vaina de Fe (OH)3 que se origina posiblemente por vía biológica:
Fe2 (SO4)3 + 6 H2O -→→→→ 2Fe (OH)3 + 3 H2SO4
Muchas cepas pueden emplear en lugar de sales ferrosas, compuestos de azufre reducidos: Sº, S= o S2O3=. La oxidación del hierro es realizada por sistema transportador de electrones localizado en la membrana e incluye citocromos del tipo c y a. No se sabe si la actividad está confinada en la membrana interna o si reside en ambas: externa e interna. Ciertos thiobacilos (formalmente llamados
Ferrobacillus) son incapaces de oxidar tiosulfato, y otros son incapaces de oxidar S=. Otras cepas que
aparentemente están adaptadas a crecer con glucosa, pierden la habilidad para crecer autotróficamente con hierro. Esta variabilidad entre bacterias relacionadas estaría ligada a la presencia de un plásmido.
Microorganismos heterótrofos están también vinculados a la oxidación y precipitación del hierro, pero resulta difícil determinar si el proceso es biológico y puramente físico-químico. Poco o nada de la energía liberada es utilizada por los organismos. Muchas veces el hidróxido férrico se deposita en la superficie creando una masa compacta mezclada con materia orgánica en desagües instalados en suelos mal drenados. El mismo proceso ocurre en el interior de gasoductos produciendo serias oclusiones.
Reducción
En suelos mal drenados o sometidos a períodos de anaerobiosis el hierro al estado ferroso se hace predominante. El proceso de reducción del ion férrico a ferroso es casi exclusivamente biológico, ya que no se detectan mayores cambios en suelos estériles o con agregados de inhibidores metabólicos. La figura 6 publicada por Frioni, (1990) muestra lo que ocurre en ambientes sometidos a anegamiento: el potencial de óxido-reducción (Eh) desciende provocando la reducción rápida del hierro y del manganeso. La materia orgánica estimula el proceso, comparable desde el punto de vista metabólico con la denitrificación y la sulfatorreducción, es decir respiraciones anaerobias con sustratos orgánicos. En medios ácidos no se requieren potenciales redox tan bajos para solubilizar el hierro.
Figura 6 - Potencial redox e iones Fe++ y Mn++ en suelo anegado
Fe++ Mg++ Eh(v) (mg/100g) (mg/100g) 200 20 0.4 Mn 100 10 0.2 Eh Fe 0.0 -0.1 0 10 20 30 días
Otro mecanismo biológico indirecto está relacionado a la liberación de sustancias orgánicas de carácter reductor por parte de los microorganismos del suelo: ácidos orgánicos, aldehidos, que provocarían ligera reducción del hierro. El consumo de O2 por microorganismos aerobios, provoca descenso del potencial redox del suelo y reducción del hierro.
La microflora responsable de la reducción de iones férricos en anaerobiosis es muy numerosa en el suelo y su densidad puede alcanzar valores de 104 - 106 células/g. Entre las bacterias se citan especies de Bacillus, Clostridium, Klebsiella, Pseudomonas y Serratia. Muchas son anaerobias facultativas y pueden emplear además del oxígeno, nitratos y manganatos como aceptores de electrones.
Consecuencia de este fenómeno es la corrosión anaerobia de materiales de hierro o acero enterrados en períodos de deficiencia en O2. Gasoductos, oleoductos y cañerías pueden inutilizarse en pocos años. Cuando se reúnen condiciones de anaerobiosis, temperaturas medias pH superiores a 5,5 y presencia de sulfatos, las consecuencias son más graves. Bacterias anaerobias del género
Desulfovibrio contribuyen a la corrosión produciendo H2 y electrones libres:
4 Fe + SO4= + 4H2O -→→→→ FeS + 3Fe (OH)2 + 2OH-
Otra consecuencia del proceso es la aparición en suelos hidromórficos de horizontes de reducción, o
gley, de coloración gris verdosa o azulada, debida fundamentalmente al hierro ferroso. Puede precipitar sulfuro ferroso, de color negro. La presencia de donadores de electrones orgánicos es necesaria en la reducción. Este fenómeno puede reproducirse en una columna de suelo enriquecida con un azúcar en anaerobiosis parcial o completa (columna de Winogradsky, capítulo 3).
El líquido toma las coloraciones típicas del hierro al estado reducido y la velocidad de desaparición del azúcar y la aparición de Fe++ tienen la forma sigmoide típica del crecimiento bacteriano.