Bacterias microencapsuladas: una alternativa para la recuperación de minerales

M. en C. Anakaren López-Martínez, Dra. María Adriana Martínez-Prado, Dra. Diola Marina Núñez-Ramírez, Dr. Luis Medina-Torres, Dr. Juan Antonio Rojas-Contreras, Dr. Nicolás Oscar Soto-Cruz.

Nuestro planeta tiene una edad aproximada de 4 mil 500 millones de años y los primeros organismos vivos fueron los microorganismos (MOs). Estos pequeños seres vivos están en todas partes, y podemos encontrarlos en lugares inesperados como en rocas y minerales. Existe un género muy particular de bacterias llamadas Acidithiobacillus, las cuales crecen en medios ácidos y requieren del hierro y el azufre para su crecimiento. Dichos MOs son capaces de disolver minerales con la finalidad de recuperar metales de gran valor como el oro (Au), la plata (Ag) y el cobre (Cu), entre otros. A este proceso se le conoce como biolixiviación [1].

Las industrias mineras localizadas en países como Chile, Canadá, Australia y China han empleado bacterias del género Acidithiobacillus, aumentando así la producción mundial de oro y cobre [2]. Si estos MOs han beneficiado ambiental y económicamente al mundo, ¿por qué México no ha implementado la biolixiviación a nivel industrial?

Esto se debe a varios factores, incluyendo que la industria minera mexicana no es muy innovadora y, por otra parte, a algunos aspectos técnicos relacionados con la disponibilidad de los microorganismos necesarios para la biolixiviación. Si se requiere su generación in situ (esto es, en el sitio en donde se lleva a cabo la biolixiviación), el proceso de producción de los microorganismos requiere mantener y reproducir las cepas requeridas y contar con equipos de fermentación para la preparación continua de los cultivos microbianos, así como la reutilización o manejo de los residuos generados por el cultivo microbiano.

Por lo tanto, la disponibilidad de las bacterias Acidithiobacillus, su manejo y transporte deben ser prácticos y sencillos, si se pretende que sean usados por la industria minera mexicana. Justamente eso es lo que ofrece la microencapsulación de bacterias, que es una alternativa interesante y prometedora que puede ayudar a resolver, al menos la parte técnica, de esta problemática en la industria minera en nuestro país. Esto es, que la industria minera pueda contar con proveedores de los microorganismos, de una forma que mantengan su efectividad y que sean fáciles de transportar y de usar.

La microencapsulación como una herramienta biotecnológica

¿Dónde y para qué se ha empleado la microencapsulación? Algunos ejemplos son sabores, vitaminas, hormonas e incluso con MOs. Los MOs se microencapsulan para protegerlos contra humedad, pH, para conservar sus características genéticas, facilitar su almacenamiento y transporte y, sobre todo, garantizar su óptimo desempeño en los procesos. En este sentido, el proceso de microencapsulación consiste en que las bacterias (principio activo) sean envueltas por un recubrimiento con biopolímeros (goma arábiga y/o maltodextrina), denominado también agente encapsulante. Dichos recubrimientos presentan características como: propiedad emulsificante (capacidad de unir dos líquidos difíciles de mezclar), no reaccionar, sellar y sostener el principio activo, buena solubilidad (disolverse) y baja viscosidad (fluidez) [3].

El secado por aspersión (SA) es el proceso más utilizado a nivel industrial para llevar a cabo la microencapsulación, debido a su bajo costo comparado con otros procesos industriales. La técnica consiste en alimentar al secador una mezcla líquida (emulsión) formada por microorganismos y biopolímeros, que pasa a través de un atomizador, en donde entra en contacto con aire caliente y evapora el agua contenida, obteniendo como producto final pequeñas cápsulas de tamaño micrométrico, equivalente a mil veces más pequeño que un milímetro. Estas microcápsulas son denominadas “polvos” o bacterias en polvo (Figura 1).

Sin embargo, es importante asegurar que las bacterias se encuentren en el interior de estas microcápsulas y en estado activo, de ahí la importancia de analizar los polvos obtenidos mediante instrumentos especializados, que proporcionen información relevante sobre el desempeño del proceso de encapsulamiento y sobre la protección exitosa de dichas bacterias.

Apariencia y almacenamiento

A simple vista, el conjunto de las microcápsulas tiene apariencia de polvo. Sin embargo, vistas al microscopio, tienen una forma y tamaño muy singulares. La forma de las microcápsulas es esférica, del tipo balón desinflado, sin fisuras y sin aglomeración, con un tamaño de 15 a 20 micrómetros (µm) (Figura 2a). También es posible, usando un microscopio electrónico, observar la profundidad al interior de las microcápsulas, en donde se puede apreciar la pared interna del biopolímero y la presencia de los MOs (Figura 2b).

Estas evidencias confirman que los microorganismos fueron encapsulados exitosamente en el biopolímero. Por otro lado, si se hacen pruebas de viabilidad de los MOs encapsulados, ha sido posible demostrar que están vivos y que son capaces de reproducirse rápidamente una vez que son hidratados para su uso [4].

Las bacterias (Acidithiobacillus) en estas microcápsulas son estables a condiciones ambientales, es decir, pueden almacenarse en bolsas metálicas perfectamente selladas en un rango de 0 a 50°C.

Liberación de bacterias: ¿vivas o muertas?

Las bacterias deben ser liberadas para que realicen la función de disolver minerales; por lo tanto, las microcápsulas son suspendidas en medio líquido acidificado, y en un lapso aproximado de 2 horas, el 96% de los MOs es liberado.

Dependiendo del comportamiento viscoso del componente polimérico de las microcápsulas se manifestarán distintos patrones de liberación de las bacterias acidófilas en un proceso de biolixiviación. Por ello es importante conocer el comportamiento reológico (esto es, de cómo se comporta la viscosidad de los fluidos en función de cómo se deforman) de los fluidos que generan las microcápsulas cuando su componente polimérico se disuelve en agua.

Además, esto en la industria minera es de suma importancia, ya que los materiales mostrarán distintos comportamientos viscosos cuando se sometan a diversas condiciones de flujo mecánico, como bombas, tuberías, mezcladores y otros equipos similares. La utilidad de la caracterización reológica, en el diseño de equipos y en la optimización de procesos en la industria minera, es sin duda necesario para encontrar las condiciones óptimas de un potencial proceso de biolixiviación [5].

En un proyecto realizado por nuestro grupo de investigación, se microencapsularon diferentes cultivos del género Acidithiobacillus, demostrándose que las bacterias siguen vivas y son capaces de reproducirse nuevamente. Se ha logrado que el 93% de las bacterias permanezcan vivas después de un año de haberse microencapsulado [Figura 3]. Ello significa que las bacterias Acidithiobacillus son protegidas por el recubrimiento del biopolímero. Por lo tanto, los MOs son viables y pueden ser utilizadas en los procesos de biolixiviación [4, 6].

Eficiencia lixiviante

De acuerdo con los resultados de la investigación, las bacterias pueden ser liberadas de manera inmediata una vez que se hidratan las microcápsulas. Por otra parte, ya que las bacterias fueron cosechadas en su fase exponencial de crecimiento, y en esa condición se microencapsularon, al hidratarse, las bacterias crecen rápidamente (ya que no pasarán por una fase de adaptación, que en microbiología se llama fase “lag”).

Sin embargo, la cuestión es, ¿son efectivas para solubilizar metales y aplicarlas en un proceso de biolixiviación? La respuesta es sí. Llevando a cabo pruebas de biooxidación a nivel laboratorio, es decir, disolver y descartar “impurezas metálicas” como el plomo (Pb), azufre (S), hierro (Fe), zinc (Zn), cobre (Cu) y Manganeso (Mn) con el fin de concentrar los sólidos insolubles (plata y oro), se emplearon bacterias Acidithiobacillus microencapsuladas y sin microencapsular. Se observó que la eficiencia de lixiviación de los MOs encapsulados fue de un 95% con respecto a las no encapsuladas, logrando, por lo tanto, ser efectivos para la disolución de metales [4].

Bacterias microencapsuladas en la minería

Sin lugar a duda, las bacterias del género Acidithiobacillus han impactado de manera positiva alrededor del mundo, pues han demostrado ser capaces de recuperar metales valiosos de manera sostenible. En la actualidad, los países que optan por la biolixiviación tienen a su disposición equipos y laboratorios para reproducir a los microorganismos.

En México aún no hay industrias mineras que cuenten con esta infraestructura, a causa de la inversión que dicha biotecnología requiere. Por lo tanto, la conservación y manejo de las bacterias en forma de polvo resultaría ser más atractiva y sencilla de usar para las industrias mineras mexicanas. Esto puede traer beneficios como que la industria en cuestión no tendría que preocuparse de la conservación de la integridad genética de las bacterias, ni de su reproducción. Por otra parte, como ya se mencionó previamente, los microorganismos fueron cosechados en la fase exponencial (para ser microencapsulados en su etapa más activa) y, al ser liberados, sus tiempos de reproducción serían más cortos y en consecuencia su acción lixiviante sería más rápida.

Cabe señalar que la biolixiviación es un pretratamiento que se puede usar previo al proceso de cianuración, reduciendo hasta en un 70% el cianuro (que es consumido por los metales solubilizados), logrando así una tecnología amigable con el medio ambiente. Hay que recordar que el cianuro es un compuesto altamente tóxico: daña el cerebro y el corazón, además de que puede producir coma y la muerte.

Es sin duda necesario lograr una interacción más dinámica de la investigación con la industria minera mexicana, con el fin de usar tecnologías sustentables y para incorporar procesos biotecnológicos que puedan resultar rentables, a esta actividad económica tan importante en nuestro país.

Referencias

1. Roberto, F. F., y Schippers, A. (2022). Progress in bioleaching: part B, applications of microbial processes by the minerals industries. Applied Microbiology and Biotechnology 106:18 (5913–5928). Springer Science and Business Media Deutschland GmbH. DOI: 10.1007/s00253-022-12085-9
2. Ospina Correa, J. D., Osorno Bedoya, L., Giraldo Builes, J., Mejía Restrepo, E., & Márquez Godoy, M. A. (2011). Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera: Estado del arte sobre la oxidación bacteriana de arsenopirita (FeAsS). Informador Técnico, 75, 53–65. DOI: 10.23850/22565035.20
3. Nava Reyna, E., Michelena Álvarez, G., Iliná, A., & Martínez Hernández, J. (2015). Microencapsulación de componentes bioactivos. Investigación y Ciencia, de La Universidad Autónoma de Aguascalientes, 66, 64–70. https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=67446014009
4. Núñez-Ramírez, D. M., López-Martínez, A., Medina-Torres, L., Calderas, F., Martínez-Prado, M. A., Lara, R. H., Herrera-Valencia, E. E., Anguiano-Vega, G. A., & Manero, O. (2021). Microencapsulation of Acidithiobacillus thiooxidans by spray drying using biopolymers as wall materials: A potential alternative for its application in the mining industry. Minerals Engineering, 166(106882). DOI: 10.1016/j.mineng.2021.106882
5. Medina-Torres, L., García-Cruz, E. E., Calderas, F., González Laredo, R. F., Sánchez-Olivares, G., Gallegos-Infante, J. A., Rocha-Guzmán, N. E., & Rodríguez-Ramírez, J. (2013). Microencapsulation by spray drying of gallic acid with nopal mucilage (Opuntia ficus indica). LWT - Food Science and Technology, 50(2), 642–650. DOI: 10.1016/j.lwt.2012.07.038
6. López-Martínez A. (2023). Estudio de la viabilidad y estabilidad estructural de bacterias del género Acidithiobacillus encapsuladas en biopolímeros para posibles aplicaciones biotecnológicas en la industria minera. Tesis de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Bioquímica (en proceso) en el TecNM – ITD.