Procesos microbiológicos para el control de la contaminación por explotación minera del oro - revisión bibliográfica

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Procesos Microbiológicos para el control de la contaminación por explotación minera del oro Revisión bibliográfica María Angélica Espinosa Diciembre de 2012.

(2) Contenido 1.. Introducción ................................................................................................................................ 2. 2.. Procesos de extracción................................................................................................................ 4 a. Amalgamación ......................................................................................................................... 4 b. Proceso con cianuro ................................................................................................................ 4 c. Pila de lixiviación...................................................................................................................... 5. 3.. Contaminantes clave ................................................................................................................... 6 3.1. Cianuro ............................................................................................................................ 6. 3.1.1. Formas de Cianuro ...................................................................................................... 6. 3.1.2. Toxicidad ..................................................................................................................... 7. 3.2. Mercurio .......................................................................................................................... 7. 3.2.1. Formas del mercurio ................................................................................................... 7. 3.2.2. Toxicidad del mercurio ................................................................................................ 8. 4. Degradación microbiológica ............................................................................................................ 8 5. Bioquímica de la degradación ....................................................................................................... 10 5.1. Cianuro ............................................................................................................................... 10 5.1.1. Ruta Hidrolítica ............................................................................................................... 10 5.1.2. Ruta oxidativa.................................................................................................................. 11 5.1.3. Sustitución/ transferencia .............................................................................................. 12 5.1.4. Reductiva ......................................................................................................................... 12 5.1.5. Tiocianato ........................................................................................................................ 12 5.2 . Mercurio ............................................................................................................................ 14 MerA.......................................................................................................................................... 14 MerB .......................................................................................................................................... 14 6. Estado de la minería del oro en Colombia .................................................................................... 15 7. Análisis de aplicabilidad ................................................................................................................ 16 7.. Conclusiones y recomendaciones finales.................................................................................. 19. Bibliografía ........................................................................................................................................ 20. 1.

(3) 1. Introducción La minería es una actividad económica fundamental en casi todos los países del mundo. En naciones en vía de desarrollo la minería del oro a gran y pequeña escala ha sido reconocida como un tipo de producción que tiene profundas raíces históricas y culturales, además es considerada como una herramienta para la erradicación de la pobreza, especialmente en zonas rurales(Defensoría del Pueblo Colombia, 2010). Existen diferentes técnicas para la extracción del oro, las cuales serán expuestas más adelante. En términos generaleseste proceso se puede realizar utilizando cianuro o mercurio, que son los agentes químicos encargados de separar el mineral de oro de la roca y que son reconocidos mundialmente por su alta toxicidad e impacto ambiental. (Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008) Diversas actividades industriales como el procesamiento del carbón y la lixiviación de mineral generan cantidades significativas de cianuro que es bien conocido por ser un inhibidor metabólico. El proceso de extracción de minerales con cianuro es una tecnología común usada a escala industrial para la recuperación de oro y plata. Procesos físicos y químicos han sido aplicados en la mayoría de los casos para la degradación del cianuro de lodos y aguas residuales(Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008; Terry & Akcik, 2003). La contaminación por mercurio puede clasificarse en las siguientes categorias según la fuente de emisión: mineria de mercurio, mineria del oro, industria química, fundición de metal, la combustión de carbón, las metropolis, y fuentes naturales como la agricultura. (Li, Feng, Qui, Shang, & Li, 2009)El manejo inadecuado del mercurio produce efectos ambientales negativos que además de modificar los ciclos naturales pueden ocacionar pérdidas humanas. (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) La destrucción de cianuro, mercurio y sus compuestos, a través de procesos microbiológicos,es una de las biotecnologías más importantes que ha emergido en las últimas dos décadas para el tratamiento de lixiviados provenientes de operaciones mineras de oro y otros metales(Dubey & Holmes, 1995). Procesos bacterianoshan sido utilizados a gran escala de manera efectiva, por varios años, de forma comercial en Estados Unidos y otros países del mundo. Las algas, por ejemplo, tienen enormes ventajas en el manejo de efluentes debido a su fácil manipulación y cultivo. Ellas ofrecen una propuesta económicamente viable para la degradación del cianuro, mercurio y desechos asociados. Por estas razones existe un fuerte potencial que puede ser explotado comercialmente tanto para el tratamiento de efluentes de la minería como de desechos radioactivos (Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008). De la misma forma, se han desarrollado diferentes métodos físicos y químicos para el tratamiento del cianuro y el mercurioque se han utilizado durante décadas. En cuanto a la degradación del cianuro, algunos métodos son: la cloración alcalina, la descomposición electrolítica, la ozonización, la incineración, la precipitación de ferrocianuro, la catálisis de cobre y H2O2, entre otros. De estas. 2.

(4) técnicas, a continuación se exponen las que tienen la suficiente versatilidad para una aplicación extensa(Dubey & Holmes, 1995; Akcil, 2003; Murder, Botz, & Smith, 2001): . . . . Cloración alcalina: la reacción de destrucción del cianuro ocurre en un proceso de dos pasos, el primero involucra la conversión a CNCl. El segundo paso consiste en la conversión de CNCl a cianato por medio de hidrólisis. Si cloro adicional es agregado para alcanzar el punto de ruptura, este proceso también puede oxidar tiocianatos y amonio a nitrógeno gaseoso(Akcil, 2003). Descomposición electrolítica: es efectiva en residuos que contienen altas concentraciones de cianuro (3.5mg/ml) pero es ineficiente con soluciones diluidas de cianuro (0.1mg/ml) debido a la acumulación de cianatos en el electrolito (Dubey & Holmes, 1995). Ozonización: degrada eficientemente complejos de cianuro con hierro, zinc, níquel y cobre. Es ineficiente con complejos de cianuro con cobalto. La ozonización y la combinación de ozonización con U.V. son tratamientos que consumen una considerable cantidad de energía y, la presencia frecuente de otras especies oxidables en las aguas residuales pueden exigir un aumento considerable en los requerimientos de ozono. El costo capital para la producción de ozono y el equipo necesario para controlar el proceso es también significante (Dubey & Holmes, 1995). Dióxido de sulfuro/aire: El proceso de dióxido de sulfuro y aire utiliza SO2 o uno de sus derivados y aire en presencia de un catalizador de cobre soluble para oxidar el cianuro a cianato (OCN-)) que es menos tóxico (Akcil, 2003).. De la misma forma, existen técnicas fisicoquímicas para la degradación del mercurio queen términos generales consisten en una degradación con rayos ultra violeta: . . . . La degradación de metil-mercurio puede ser llevada a cabo por efectos de la luz solar, específicamente, rayos UV-A y UV-B, que abarca un rango de longitud de onda de 280400 nm(Suda, Suda, & Hirayama, 1993; Barkay, Miller, & Summers, 2003). En lugares expuestos a la luz del sol, como humedales o lagunas, y especialmente con bajas concentraciones de Hg, la foto-degradación puede ser el mayor mecanismo para la degradación del MeHg(Barkay, Miller, & Summers, 2003). De manera abiótica, el Hg+2 puede ser reducido por una transformación fotoquímica. Esta reducción se logra por la formación de radicales libres orgánicos que se producen por la fotolisis del carbón orgánico disuelto, oxígeno disuelto, complejos de carbón orgánico y compuestos ácidos órgano-ferrosos(Nriagu, 1994;Barkay, Miller, & Summers, 2003; Whalin, Kim, & Mason, 2007). En la oscuridad, el Hg+2 puede ser reducido por ácidos fúlvicos y húmicos asociados a radicales libres(Allard & Arsenie, 1991).. 3.

(5) 2. Procesos de extracción Identificar los principales procesos de extracción y su funcionamiento permite entender la problemática ambiental asociada a la actividad minera del oro, ya que es en esta etapa donde se genera la contaminación por mercurio y cianuro. En esta sección se explicarán los principales procesos de extracción, que incluyen: a) Amalgamación, b) proceso con cianuro y c) Pilan de Lixiviación a.Amalgamación Este es uno de los procesos más antiguos en los que se involucra la aleación de las partículas de oro y mercurio metálico para formar una amalgama y luego se busca separar el oro del mercurio calentando en retortas o barriles mientras el mercurio es destilado. Este procedimiento es fuertemente rechazado por las principales compañías mineras debido a la naturaleza extremadamente toxica del mercurio y al bajo desempeño del proceso cuando se compara con otras alternativas disponibles (Leong & Mujumdar, 2009). Este método es empleado principalmente por mineros artesanales ya que es la técnica más barata y simple que existe. Los artesanos se encargan de extraer el mineral para que este sea triturado, molido, concentrado y por ultimo amalgamado(Ball, Carrero, Castro, & Yarzábal, 2007; Velásquez & Veiga, 2010).La separación de la amalgama también se puede realizar por disolución del mercurio en ácido nítrico. (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) b. Proceso con cianuro Este es el proceso comúnmente usado en el mundo para extraer oro. Este procedimiento incluye la disolución de oro desde el mineral molido en una solución diluida de cianuro (usualmente conNaCN o KCN) y la presencia de cal. En general, el proceso con cianuro consiste en la percolación o agitación del lixiviado del mineral de oro en una solución diluida de cianuro, generalmente menor a 0.3% de cianuro de sodio. En la práctica se agrega cal para prevenir la hidrólisis y neutralizar cualquier componente acido presente en el mineral. (Leong & Mujumdar, 2009). La ecuación de reacción que se produce es la siguiente(Leong & Mujumdar, 2009; Gasparrini, 1993; Arbiter & Han, 1990): 1 2𝐴𝑢 + 4𝑁𝑎𝐶𝑁 + 𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 → 2𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2 + 2𝐾𝑂𝐻 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 2 𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2. 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜 𝐴𝑢(𝐶𝑁)− 2 + 𝑁𝑎+ →. 2𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2 + 𝑍𝑛 → 2𝐴𝑢 + 𝑁𝑎2 𝑍𝑛(𝐶𝑁)4 * A concentraciones optimas de cianuro (alrededor de 0.05%NaCN) partículas limpias de oro se disuelven a una tasa de 3.25 mg/cm2*h. Para hacer más eficiente el proceso, se puede retirar. *. (Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008). 4.

(6) previamente las partículas de oro más gruesas por medio de concentración por gravedad(Leong & Mujumdar, 2009). c. Pila de lixiviación La roca previamente extraída de la mina y triturada, es colocada en una pila construida sobre un revestimiento impermeable. Una solución de cianuro es distribuida a través de la superficie y la solución percola a través de la pila lixiviando el oro. La solución cargada en oro se drena desde la base y es recolectada para la recuperación del oro que puede ser por medio de carbón activado o precipitación de zinc. La solución de cianuro es luego reciclada en la pila (Leong & Mujumdar, 2009). Este proceso requiere de 60 a 90 días para el procesamiento mineral, mientras que, un proceso de lixiviación de agitación convencional puede tardar solo 24 horas. Los porcentajes típicos de recuperación de oro con pila son del 60-80%, en comparación con un 85-95% de recuperación que se obtiene con otros métodos. Incluso con ese bajo desempeño, este proceso tiene gran acogida debido a los bajos costos operacionales (Leong & Mujumdar, 2009). En el siguiente diagrama, se muestra el proceso general que se lleva a cabo en algunos municipios de Colombia. Es importante reconocer cada una de las etapas de este proceso para poder determinar en cuales de ellas se pueden realizar cambios específicos que beneficien el uso de los procesos microbiológicos. En el diagrama anterior se resume el proceso de recuperación con las dos técnicas más utilizadas, que es la amalgamación con mercurio y la percolación con cianuro.. 5.

(7) Diagrama del procesamiento generalizado para beneficiar minerales auríferos en Colombia. †. 3. Contaminantes clave El cianuro y el mercurio se encuentran en diferentes formas según las condiciones ambientales y biológicas que se presenten. Segúnla forma química,estos contaminantes se pueden encontrar en cuerpos de agua, suelos o aire, ademássu estado determina el grado de toxicidad. A continuación se expondrá las formas del cianuro, del mercurio y la toxicidad de cada uno. 3.1 Cianuro 3.1.1 Formas de Cianuro El cianuro puede estar presente en el ambiente en diferentes formas, incluyendo HCN, sales como NACN o KCN, complejos de cianuro descomponibles (como Zn(CN)2) y escasamente descomponibles (como ferrocianuro potásico). Los cianuros no pueden ser absorbidos o retenidos por sólidos, sino que se mantienen en una fase acuosa y, a menudo forman otros complejos con metales contaminantes o efluentes industriales como: Fe, Cu, Ni y Zn.Otras. †. (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007). 6.

(8) formas son: tiocianatos, cianuros orgánicos o nitrilos (Dubey & Holmes, 1995; Huertas, y otros, 2010; Kjeldsen, 1999). Los tiocianatos(SCN-) son conocidos originalmente bajocondiciones naturales y en los procesos industriales de la reacción de CN- con compuestos reducidos de azufre (Botz, Mudder, & Smith, 1991). Las formas de sulfuro que más reaccionan con el cianuro son el polisulfuro y tiosulfato(Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999): 𝑆𝑥 2− + 𝐶𝑁 − = 𝑆(𝑥−1). 2. + 𝑆𝐶𝑁 −. 𝐶𝑁 − + 𝑆2 𝑂3 2− = 𝑆𝑂3 2− + 𝑆𝐶𝑁 − Las concentraciones de tiocianato en aguas residuales de extracción de oro pueden ser tan altas como de varios gramos por litro (Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999). 3.1.2 Toxicidad La toxicidad del cianuro depende de su forma particular. El ión de cianuro es un potente inhibidor del crecimiento y metabolismo celular, incluyendo la respiración y el metabolismo del nitrógeno y el fósforo. También puede dañar tejidos, especialmente los del sistema nervioso central, ya que roba el oxígeno y esto rápidamente resulta en la muerte del organismo(Dubey & Holmes, 1995). La toxicidad del cianuro libre aumenta al decrecer el pH; de hecho, la forma acida, HCN, es 2.3 veces más toxica que la forma aniónica (CN-) (Huertas, y otros, 2010; Logsdon, Hagelstein, & Mudder, 1999). 3.2 Mercurio 3.2.1 Formas del mercurio Durante el proceso de minería con mercurio, este es liberado y puede contaminar cuerpos de agua, la atmosfera y los suelos. El mercurio entra a los sistemas acuáticos en su forma metálica y, a través de factores bióticos y abióticos el metal sufre modificaciones químicas y bioquímicas. En efecto, la oxidación de Hg metálico en sistemas acuáticos da lugar a la forma iónica Hg2+, el cual a su vez puede ser metilado por un cierto grupo de bacterias que producen Metilmercurio(Me-Hg). Este es un compuesto altamente liposoluble, que puede acumularse en los seres vivos y transferirse a través de la cadena alimenticia. (Ball, Carrero, Castro, & Yarzábal, 2007; Marvin-dispasquale, y otros, 2000) El vapor de mercurio elemental liberado en la atmosfera durante la quema de amalgamas es oxidado a Hg2+ a través de reacciones influenciadas por el ozono. La energía solar y el vapor de agua pueden también participar en los procesos de oxidación según la siguiente ecuación: (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) 𝐻𝑔 0 + 𝑂3 + 2𝐻 → 𝐻𝑔 2+ + 𝑂2 + 𝐻2 𝑂 Una vez formado el mercurio como Hg2+, es soluble en la lluvia y cae con esta (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007). Otra forma de mercurio que rara vez se encuentra en el 7.

(9) ambiente es eldimetilmercurio (diMeHg), el cual se produce a partir del metilmerturio y es conocido mundialmente por su altísima toxicidad. (Marvin-dispasquale, y otros, 2000) 3.2.2 Toxicidad del mercurio Se considera que las formas iónica y orgánica del Hg se encuentran entre los agentes citotóxicos y neurotóxicos más poderosos para humanos y animales. (Ball, Carrero, Castro, & Yarzábal, 2007; World Health Organization, 2000) El mercurio inorgánico produce daños en proteínas y ADN y sus efectos incluyen faringitis y hepatitis. El metil-mercurio conduce a una serie de trastornos neurológicos incluyendo encefalopatía y en algunos casos la muerte. Compuestos de mercurio también han estado ampliamente implicados en numerosos casos de mutaciones de ADN (Osborn, Bruce, Strike, & Ritchie, 1997;De Flora, Bennicelli, & Bagnasco, 1994). La intoxicación por metil mercurio se reconoce después de un tiempo con excepción del temblor patológico; sus síntomas incluyen la restricción delcampo visual, pronunciación y escritura poco claras, hipersensibilidad anormal, irritación dérmica, hemorragia nasal y depresión. El metil mercurio se disuelve fácilmente en grasas y atraviesa la barrera sangre-cerebro y la placenta. (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) Los vapores de mercurio también son tóxicos, especialmente en las personas que lo manipulan sin ninguna protección y constituyen la forma más frecuente de intoxicación laboral. Las sales inorgánicas de mercurio producen lesiones en la piel y en las mucosas generando inflamación de garganta dificultades para deglutir, entre otros. (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007). 4. Degradación microbiológica Actualmente se conocen diferentes tipos de cepas que permiten degradar de manera eficiente cianuro y mercurio. Diferentes investigaciones y estudios se han realizado en los últimos tiempos alrededor del mundo sobre la oxidación biológica como una nueva alternativa de tratamiento. En la siguiente tabla se presenta un resumen de los datos encontrados: Tabla 1. Tratamientos actuales en la degradación microbiológica de cianuro y mercurio Contaminante Cianuro, hierro ferroso, minerales de sulfuro. Cepa Acidithiobacillusferroxidans, Sulfobacillusthermosulfidooxidans, Alicyclobacillustolerans, Scenedesmusobliquus. Cianuro. P. pseudoalcaligenes. Observaciones En el ensayo se presenta el cambio en la tasa de crecimiento según la temperatura y la oxidación a través del tiempo. Examinaron la influencia del suministro de oxigeno y pH en la eficiencia de la. Referencia (Bulavev, y otros, 2011) (Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008). (Huertas, y otros, 2010). 8.

(10) Cianuro, Tiocianatos individual y simultáneamente. P. putida, P.stutzeri y Pseudomonassp.. 48 tanques biológicos rotatorios. Biopass: proceso biológico anaerobio pasivo in situ. Complejos de cianuro y níquel. Cryptococcushumicolus. Mercurio. Escherichiacoli Pseudomonasaeruginosa. Metil-mercurio. Metil mercurio. Bacterias Gram negativas y gram positivas que poseen el operonmer. Me2Hg y HgS. Desulfovibriodesulfuricans. degradación bajo condiciones alcalinas Los resultados mostraron que las bacterias primero procedieron con la degradación de CN-. Luego, cuando CNestaba casi degradado por completo, la degradación de SCN- fue llevada a cabo Una población mixta de bacterias es expuesta alternamente a condiciones aeróbicas para nitrificación y luego a condiciones anóxicas para denitrificación Se hace la caracterización de esta nueva cepa de levadura. La evidencia muestra que el complejo de cianuro puede ser utilizado como única fuente de nitrógeno para el crecimiento Las cepas interrumpieron la volatilización de Hg de una solución acuosa, a consecuencia de la reducción de Hg2+ a Hg0. Resistencia a Me-Hg Bacterias que presentaron resistencia y degradación de mercurio. Bacterias sulfo reductoras degradan Me2Hg en MeHg y CH4. (Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999). (Akcil, 2003) (Dubey & Holmes, 1995). (Kwon, Woo, & Park, 2002). (Ball, Carrero, Castro, & Yarzábal, 2007). (Marvindispasquale, y otros, 2000) (Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011) (Marvindispasquale, y otros, 2000). 9.

(11) 5. Bioquímica de la degradación 5.1. Cianuro Existen cuatro rutas generales para la biodegradación del cianuro: hidrolítica, oxidativa, reductiva y la de sustitución/transferencia (Tabla 2). Además, se identifican otras dos rutas para la biodegradación del tiocianato. Un microorganismo es capaz de utilizar diferentes rutas para degradar el cianuro. La ruta seleccionada es dictada por las condiciones externas como oxígeno, pH y concentración de cianuro. (Ebbs, 2004) Tabla2. Categorías generales de las reacciones químicas responsables de la biodegradación del cianuro y tiocianato. ENZIMAS ASOCIADAS CON LA DEGRADACIÓN DEL CIANURO Reacciones hidrolíticas Hidratasa de cianuro Hidratasa de nitrilo Cianidasa Nitralasa .. Reacciones oxidativas Monoxygenasa de cianuro Dioxigenasa de cianuro. Reacciones de sustitución/ Transferencia Sintasacianoalanina Tiosulfato. Reacciones reductivas. Biodegradación Tiocianato. Nitrogenasa. Ruta carbonilo Ruta cianato. Algunas especies de hongos (Fusarium sp., Hansenula anómala, snowmould) y bacterias (Escherichiacoli, Pseudomonasfluorescens, Citrobacterfreundii, Bacillussubtilisy algunas otras cepas de Bacillus) pueden asimilar cianuro y utilizarlo como fuente de nitrógeno y/o fuente de carbono, generalmente con una vía intermedia de NH3(Dubey & Holmes, 1995). 5.1.1. Ruta Hidrolítica La ruta hidrolítica puede ser catalizada por diferentes enzimas: Hidratasa de cianuro, Hidratasa de nitrilo, Cianidasa y Nitralasa. A continuación se explicara cada una de estas enzimas. Las reacciones hidrolíticas ocurren en dos pasos. El primero involucra la conversión de cianuro a formamida catalizada por la enzima hidratasa de cianuro. El segundo paso de la reacción consiste en la transformación de la formamida aformiatoy amonio(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010). La presencia de nutrientes orgánicos en el medio tiene una gran influencia es la ocurrencia del segundo paso. (Pereira, Arrabaca, & Amaral-Collaco, 1996) La hidratasa de cianuro es ante todo una enzima perteneciente a los hongos y, es altamente conservada entre especies. La cianidasa es principalmente una enzima bacteriana (Ebbs, 2004). Uno de los hongos más frecuentemente encontrado, moho de nieve, usa hidratasa de cianuro para degradar el cianuro. Esta ruta resulta en una conversión irreversible en formamida y esta última llega a convertirse en CO2 y NH3. Esta ruta también ha sido reportada en la bacteria P.fluorescens(Dubey & Holmes, 1995).. 10.

(12) 𝐻𝐶𝑁 + 𝐻2 𝑂 ↔ 𝐻𝐶𝑂𝑁𝐻2 ‡ La hidratasa pertenece a la familia de las enzimas liasa, específicamente a lahidro-liasa, la cual rompe los enlaces carbono-nitrogeno. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010).Estudios han demostrado que la hidratasa de cianuro de varios microorganismos tiene similitudes entre ellos y representa un grupo mucho más relacionado de enzimas. La subunidad másica molecular para todas las enzimas es aproximadamente similar (Yanase, Sakamoto, Okamoto, Kita, & Sato, 2000). Las enzimas que trabajan con hidratasa de nitrilo han sido encontradas en gran variedad de bacterias y hongos. Hidratasas de nitrilos y nitrilasas convierten alifáticos y nitrilos aromáticos en ácidos o amidas, respectivamente (Ebbs, 2004). Primero la hidratasa de nitrilo convierte el cianuro a una amida intermedia. Luego, la amidasa convierte la amida en un acido correspondiente y amonio. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) La cianidasa o dihidratasa de cianuro comprende un grupo de enzimas bacterianas que incluyeAlcaligenesxylosoxidanssubsp. denitrificans DF3, Bacilluspumilus C1, yPseudomonasstutzeri AK61(Ingvorsen, Hojer-Pedersen, & Godtfredsen, 1991;Meyers, Rawlings, Woods, & Lindsey, 1993; Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010). 5.1.2. Ruta oxidativa Una segunda ruta de conversión de cianuro involucra la conversión oxigenolíticaa dióxido de carbono y amonio. Los microorganismos que exhiben esta ruta también requieren una fuente de carbono extra al cianuro(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010). Hay dos tipos de rutas oxidativas que son catalizadas por lasmonoxigenasas de cianuro (cianasa) odioxigenasas de cianuro. La monoxigenasa de cianuro convierte cianuro a cianato en presencia de cianasa, la cual es una enzima que al parecer brinda protección ante el envenenamiento con cianuro. Luego cataliza la conversión dependiente de bicarbonato de cianato en amonio y dióxido de carbono. (Ebbs, 2004).Una de las vías involucra una conversión oxigeno dependiente de CN- a CO2 y NH3: 𝐻𝐶𝑁 + 𝑂2 + 2𝐻 + + 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻 → 𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻4 + + 𝑁𝐴𝐷𝑃+ §. Las rutas metabólicas de degradación de CN- más pertinentes probablemente son aquellas establecidas en las especies bacterianas Pseudomonasfluorescensy Pseudomonasstutzeri. En P. fluorescens La dioxigenasa de cianuro utiliza dos átomos de oxigeno para lograr la degradación. El crecimiento de biomasa con cianuro requiere que este deba convertirse enzimáticamente a amonio, que luego. ‡ §. Conversión del cianuro a través de la ruta de hidratasa de cianuro. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) (Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999). 11.

(13) será asimilado por otras rutas. Para este caso, la degradación del cianuro comienza con una enzima descrita como dioxigenasa de cianuro(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010): 𝐻𝐶𝑁 + 𝑂2 + 2𝐻 + + 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻 → 𝑁𝐴𝐷𝐻 + 𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻3 ** Se han identificado tres hongos capaces de degradar el cianuro a través de esta ruta. Estos hongoso son: Rametesversicolor ATCC 200801, Phanerochaetechrysosporium ME 496 y Pleurotussajor-caju(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) 5.1.3. Sustitución/ transferencia La actividad de esta ruta involucra la asimilación de cianuro, la cual tiende a incrementar el crecimiento de microorganismos, proporcionando una fuente de nitrógeno adicional y evitando la toxicidad del cianuro. Esta ruta involucra dos enzimas: Rodanasa ymercaptopiruvatosulfutransferasa(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) La rodanasa es una enzima también conocida comosulfutranferasa de cianuro, se encarga de la transferencia de grupos que contienen azufre. Esta enzima es altamente conservativa y común, considerada actualmente como una de lasmás evolucionadas involucrada en la detoxificación del cianuro. La rodanasa cataliza la reacción en la cual se transfiere un átomo de azufre desde el tiosulfato lo cual conlleva a una formación menos toxica de sulfito y tiocianato. La actividad de la enzima es modulada por iones fosfato y aniones divalentes que se encuentran para interactuar con el sitio activo. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010). 5.1.4. Reductiva Se considera que la ruta reductiva de degradación del cianuro ocurre generalmente bajo condiciones anaerobias. Esta ruta esta mediada por la enzima nitrogenasa la cual utiliza cianuro para producir metano y amoniaco como producto final(Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010). A continuación se muestra la reacción asociada: 𝐻𝐶𝑁 + 2𝐻 + + 2𝑒 − → 𝐶𝐻2 = 𝑁𝐻 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝐻2 𝑂 𝐶𝐻2 = 𝑁𝐻 + 2𝐻 + + 2𝑒 − → 𝐶𝐻3 − 𝑁𝐻 + 2𝐻 + + 2𝑒 − → 𝐶𝐻4 + 𝑁𝐻3 †† Sin embargo, la nitrogenasa suele ser inhibida por diferentes agentes como el oxigeno biatómico, iones de amonio y algunos aminoácidos. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) 5.1.5. Tiocianato La biodegradación de tiocianato puede ocurrir por lo menos por dos vías. La alta actividad de la cianasa permite convertir el cianato en amonio y dióxido de carbono. El hongo Acremoniumstrictum produce amonio y sulfato a partir de tiocianato sin la producción de cianato. En una segunda ruta, el tiocianato es convertido en amonio y sulfuro de carbonilo. La otra ruta. ** ††. (Gupta, Balomajunder, & Agarwal, 2010) (Ebbs, 2004). 12.

(14) oxidativa incluye la dioxigenasa de cianuro, produciendo de amonio y dióxido de carbono directamente. (Ebbs, 2004) La degradación de SCN- por Thiobacillusthiocyanoxidans demostró que la hidrólisis enzimática conduce a la formación de HS-, NH3 y CO2. Methylobacteriumthiocyanatumdegrada SCN-a S2O32(Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999):. 𝑆𝐶𝑁 − + 𝐻2 𝑂 → 𝐻𝐶𝑁𝑂 + 𝐻𝑆 − 𝐻𝐶𝑁𝑂 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻3. En la siguiente Tabla se resumen las rutas metabólicas para la degradación del cianuro. Tabla 3. Bioquímica de la degradación del cianuro y microorganismos involucrados‡‡ Ruta Oxidativas. Hidrolítica s. Enzima Monoxigenasa de cianuro. Ejemplo Pseudomonassp.. Dioxigenasa de cianuro Cianasa Hidratasa de cianuro Cianidasa. P. fluorescens, Bacillus pumillus, P. cereus Escherichia coli Moho de nieve y hongos patogénicos comunes Alcaligenesxylosooxidansdenit rificans Klebsiellaozaenae, Nocardiasp., Arthtobactersp., P. aeruginosa.. Nitrilasa. Tiocianato. Sustitución / Transferen cia. Carbonilo. Rodanasa. Sintasacianoala nina. ‡‡. B. subtilis, Thiobacillusdebnitrificans, B. stearothermophilus Ferrobacillusferroxidans, Thermobacillusdenitrificans, E. Coli, Desulforomaculumnitrificans B. megaterium. Reacción HCN+O2+H++NADPHHOCN+NA DP++H2O HCN+O2+2H++NADPHCO2+NH3 +NADP+ HOCN+H2OCO2+NH3 HCN +H2O HCONH2 HCAN+2H2O HCOOH+NH3 R-CN+2H2OR-COOH. SCN- +2H2OCOS +NH3+OH-. CN-+S2O32-SCN-+SO32-. Cianuroβ-Cianoalanina. (Dubey & Holmes, 1995; Ebbs, 2004). 13.

(15) 5.2. Mercurio. Se han identificado cinco mecanismos de resistencia o formas de liberación de toxinas para el mercurio. La genética y bioquímica de estos mecanismos está regida por la presencia del operónmer(Osborn, Bruce, Strike, & Ritchie, 1997). Varios genes están involucrados en el operónmer, entre los cuales se incluyenmerR/merD para detección de monómeros, merP/merT/merC para transporte o movilización, y finalmente merB/merA para la desintoxicación enzimática de los compuestos de mercurio inorgánico y orgánico en bacterias (Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011). En general, los mecanismos de tolerancia para metales pesados pueden ser clasificados como: (1) Bloqueo, donde la célula impide la entrada del ion toxico, (2) expulsión activa del ion metálico de la célula a través de un sistema codificado por el gen de resistencia de alta especificidad, (3) secuestro físico intercelular del metal por la unión de proteínas, (4) secuestro extracelular, a menudo por los polisacáridos extracelulares sobre la pared celular y (5) la conversión enzimática del metal o formas menos toxicas o volátiles(Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011).En la naturaleza, la función de un microorganismo resistente al mercurio es importante para la bioquímica del mercurio, ya que desempeña un papel clave en la degradación del MeHg y la reducción de Hg2+ en la forma volátil de Hg0 (Siciliano, O'Driscoll, & Lean, 2002). MerA La actividad del merA en ambientes anaerobios afecta de manera significativa la producción de MeHg compitiendo por H2+ con microbios metilantes, especificamente bacterias sulfato reductoras. El gen merA se encarga de la producción de una enzima denominadareductasa de mercurio,la cual se encarga de la conversión de Hg(II) a Hg(0) y utiliza NADPH como fuente de electrones. Recientemente, bacterias que trabajan con reductasa de mercurio han sido utilizadas en procesos industriales para la remoción de Hg2+(Barkay, Miller, & Summers, 2003; Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011) MerB El gen merB generalmente codifica para la enzimaliasa de organomercurio, que es una de las enzimas claves para la desintoxicación y bio-remediación de compuestos organomercuriales. Los productos formados por esta enzima son luego volatilizados por el gen merA(Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011). En la naturaleza existen dos tipos de resistencia al mercurio que son frecuentes en la naturaleza: (1) de espectro estrecho y (2) de amplio espectro. En el espectro estrecho, sólo el gen merA está presente y el mecanismo de resistencia se limita a la desintoxicación enzimática de mercurio inorgánico.Para el caso de amplio espectro, MerA y MerB actúan juntos como sistema de desintoxificación de mercurio y la tolerancia se exhibe a compuestos orgánicos así como inorgánicos de mercurio mediante la conversión de las dos formas de compuestos a sus formas volátiles(Sadhukhan, Ghosh, Chaudhuri, Ghosh, & Mandal, 1997;Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011). 14.

(16) En la siguiente tabla se describe la transformación biotica del mercurio en su ciclo bioquímico. Todos los mecanismos descritos y las enzimas utilizadas, son controladas por el operón Mer anteriormente descrito:. Tabla 4. Transformaciones bioquímicas del mercurio§§ Transformación Metilación Hg(II). Demetilación CH3Hg(I) Reducción de Hg(II). Oxidación Hg. Mecanismo Transformación del metil a través de la transferencia de CH3- a través de la ruta acetil-CoA en bacterias sulfato reductoras Demetilación reductiva por el merAB produciendo CH4 y Hg(0) Reductasa de mercurio bacterial y rutas indefinidas de crecimiento de algas. Oxidación por hidroperoxidasas en microrganismos, plantas y animales. Referencia (Choi, Chase, & Bartha, 1994) (Barkay, Miller, & Summers, 2003) (Ogunseitan, 1998) (Devars, Aviles, Cervantes, & MorenoSanchez, 2000) (Smith, Pitts, McGarvey, & Summers, 1998). 6. Estado de la minería del oro en Colombia Según la Dirección de Desarrollo Sectorial sostenible se reconoce que en Antioquia, Caldas, Cauca, Córdoba, Guainía, Nariño, Vaupés, Santander y Valle se realiza minería de oro: En la tabla 4 se resumen las operaciones efectuadas en cada región para los procesos de separación de la amalgama y cianuración. Tabla 5. Resumen de las técnicas mineras auríferas aplicadas en los municipio de Colombia*** Departamento. Antioquia. Caldas. Municipio. Separación Au-Hg. Cianuración por percolación. Segovia. Térmica. Si. Remedios. Térmica. Si. El Bagre. Térmica. No. Manizales. Térmica. No. Villa María. Térmica. No Cola por concentración. Marmato. §§. No. Descripción Departamento que más mercurio utiliza. Quema de amalgama Minería aluvión, buenos manejos de residuos Quema de amalgama, contaminación de una fuente de agua que abastece al acueducto de Caldas. (Barkay, Miller, & Summers, 2003) Adaptada de (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007). ***. 15.

(17) Suárez. Cauca. Buenos Aires Fondas. No No Térmica. Cola por concentración Si Cola por amalgamación. Córdoba. Pto. Libertador. Térmica. No. Guainía. Inírida. Térmica. No. Sotomayor. Térmica. Si. La Llanada. Térmica. Si. Vetas. Térmica. Si. California. Térmica. Si. Valle del cauca. Ginebra. Química. Si. Vaupés. Taraira. Térmica. Si. Nariño. Santander. Quema de amalgama. Residuos son almacenados para reprocesamiento por cianuración. También se hace recuperación del oro sin compuestos químicos. Quema de amalgama Previa limpieza del material con ácido nítrico. Vertimientos a fuentes hídricas de la región. Quema del amalgama. Desechos contaminados son enterrados. Quema amalgama. Contaminación de aire y fuentes hídricas. Que amalgama Vertimiento directo a fuentes hídricas Contaminación de fuentes de abastecimiento para los acueductos de Ginebra y Guacarí. Separación de la amalgama con ácido nítrico. Quema de amalgama. 7. Análisis de aplicabilidad La aplicabilidad en Colombia del uso de los procesos microbiológicos anteriormente presentados para el control de la contaminación producida por la minería del oro, depende de un gran número de factores tanto económicos, técnicos y culturales. Es necesario que la implementación de esta tecnología se promueva desde lo conceptual para que pueda ser aplicada en pruebas piloto y luego llevada a la práctica. Lo que se busca es emplear los conceptos de las técnicas de recuperación del oro para abordar el tratamiento de una problemática específica como es la amalgamación y la cianuración del mineral de oro. La primera observación que se debe tener en cuenta para que los procesos de degradación del mercurio y del cianuro sean eficaces, es que estos se deben encontrar en estado líquido o solución acuosa, esto con el fin de facilitar la tarea de degradación por parte de los microorganismos. En 16.

(18) términos prácticos, esto significa que se debe suspender por completo la quema de la amalgama Au-Hg, ya que, tratar los vapores generados por esta práctica esmas complicado debido a que se requieren tecnologías mas sofisticadas para atrapar estos gases. Sin embargo como se puede observar en la tabla 4, en la inmensa mayoría de los municipios de Colombia donde se realiza explotación aurífera, esta se hace a través de mercurio y de la quema de la amalgama. Este es uno de los desafíos sociales y culturales más grandes que presenta la aplicación de nuevas tecnologías, ya que consiste en cambiar una práctica que se ha desarrollado desde la época de la colonia. (Defensoría del Pueblo Colombia, 2010; Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007;Cordy, y otros, 2011) Cambiar prácticas que están tan arraigadas a la cultura de una comunidad solo se puede lograr capacitando a los trabajadores, lo cual requieren tiempo, dinero y esfuerzos humanos. Es necesario que el Estado llegue a estas comunidades y trabaje con ellas para lograr que los mineros tengan una mayor conciencia ambiental durante la práctica de sus activades y estén abiertos a aprender nuevas técnicas de extracción y del manejo adecuado de los desechos que se presentan. Sin embargo, esta tarea se dificulta aún más cundo se trata de minas ilegales. Es necesario generar políticas que motiven las buenas prácticas y permitan el libre acceso a técnicas más limpias. Es fundamental que los mineros reconozcan los peligros que esta labor conlleva y los riesgos no solo para ellos sino para las comunidades aledaña.(Defensoría del Pueblo Colombia, 2010; Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) El caso más representativo a nivel mundial en el tratamiento microbiológico del cianuro a gran escala, es el de La Mina de Homestake en Dakota del sur, Estados Unidos. Esta planta, que lleva casi 30 años en operación, presenta una remoción de más del 98% de cianuro además, es la prueba ideal de la ventaja económica de un tratamiento biológico, ya que presenta un ahorro tanto en costos operativos como de capital en comparación con el tratamiento con H2O2. (Dubey & Holmes, 1995) Sin embargo, para el tipo de minería que existe en Colombia, la cual en su gran mayoría es a pequeña escala(Defensoría del Pueblo Colombia, 2010), es necesario el desarrollo de tecnologías con un manejo sencillo y amigable, para que no se produzca un rechazo por parte de estos a las nuevas tecnologías que se quieren implementar. Otro aspecto importante que se debe considerar son las fuentes de Carbono y Nitrógeno. Como se explicó en el capítulo 5, la degradación del mercurio requiere de estas fuentes adicionales, mientras que, el cianuro a través de ciertas rutas de degradación, no necesita fuentes adicionales para llevar a cabo el proceso. Si se busca implementar un sistema de degradación de mercurio en campo, es necesario identificar posibles fuentes adicionales de nutrientes, como por ejemplo aguas residuales de los campamentos, y si las concentraciones de estos son suficientes para llevar a cabo las reacciones químicas. (Huertas, y otros, 2010) Uno de los puntos más importantes en la implementación de biotecnologías es realizar pruebas piloto, que basadas en la teoría microbiológica anteriormente expuestas, permitan determinar las condiciones óptimas de pH, temperatura, concentración de mercurio o cianuro, carbón y nitrógeno para que la degradación pueda ocurrir de forma eficiente. Además, los efluentes 17.

(19) resultantes de las plantas pilotos sirven como inóculo para un proyecto de mayor magnitud. Los resultados obtenidos son la clave para un análisis más detallado sobre una aplicación a gran escala.(Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007) Según los procesos de extracción anteriormente descritos es posible identificar en que etapas del proceso se pueden aplicar los procesos microbiológicos para el control de la contaminación. En la figura 2 se muestra un esquema general de procedimiento de extracción del oro y las partes del proceso en las que se pueden utilizar los procesos microbiológicos para controlar los efluentes de mercurio y cianuro.. Figura2. Aplicación de los procesos microbiológicos en las diferentes técnicas de extracción de oro.. 18.

(20) 7. Conclusiones y recomendaciones finales La utilización de procesos microbiológicos en la degradación de cianuro y mercurio, presenta grandes ventajas económicas en comparación con procesos de degradación físicos y químicos. Así mismo, diferentes autores reportan que las tasas de reacción pueden ser más rápidas bajo condiciones ideales de pH y nutrientes. De la misma forma, se registra que el manejo de estas tecnologías resulta simple, lo cual es ideal para las condiciones que se presentan en ambientes rurales, en los cuales se presenta la principal explotación aurífera del país. De acuerdo a la literatura consultada, existe un mayor conocimiento sobre el cianuro que el mercurio en cuanto a su biodegradación y tecnología aplicable. Según esto, es recomendable que la explotación del oro se realice con cianuro y no con mercurio, como ocurre en la mayor parte del mundo. El mercurio tiene un mayor tiempo de residencia en el ambiente, el riesgo toxicológico es mayor y su degradación más complicada, además los costos de tratamiento son mayores.. La explotación minera en general es una actividad económica de gran auge en el país que involucra miles de familias que dependen de esta actividad. Actualmente existen tecnologías mas limpias que permiten desarrollar esta labor generando un menor impacto ambiental. La invitación para futuras investigaciones es profundizar en la aplicabilidad a través de pruebas piloto, comenzar en pequeñas minas y donde la extracción del oro se realiza de forma artesanal. Así mismo, se invita a tratar los temas de lixiviación microbiológica del oro con la cual se evitaría el uso y generación de contaminantes que resulta en una tarea mucho más importante y valiosa que el simple hecho de tratarlos.. 19.

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