El cobre representa uno de los mayores recursos del país. En 2008 la población mundial alcanzó la cifra de 6.700 millones de personas, Chile con sus 16,4 millones, representa apenas el 0.2 por ciento de esta población, pero, dispone de casi un 40 por ciento de las reservas de cobre conocidas del planeta. Y un dato adicional: en la actualidad, las exportaciones de este mineral son cercanas a los US$ 7 mil millones anuales.
Durante los últimos 50 años, la vida útil de las reservas mundiales de cobre se han mantenido constantes. Sin embargo, el desafío para las empresas mineras es cómo introducir innovación tecnológica para satisfacer la creciente demanda de este mineral. Y, en este campo, la biolixiviación o biominería debiera tener un protagonismo cada vez más importante.
Esa es la postura del doctor Carlos Jerez, bioquímico de la Universidad de Chile, Ph.D. en Bioquímica de la Universidad de Iowa, Estados Unidos, quien es Jefe del Laboratorio de Microbiología Molecular y Biotecnología del Departamento de Biología de la Facultad de Ciencias e Investigador Clave del Instituto de Dinámica Celular y Biotecnología de la Universidad de Chile.
En su laboratorio, el doctor Jerez se ha dedicado a estudiar particularmente un tipo de microorganismos: los extremófilos, en especial acidófilos y termófilos. Junto a sus alumnos de pre y posgrado y colaboradores, espera poder desarrollar bacterias mejoradas para obtener productos de utilidad mediante biodegradación y para la biorremediación o control de contaminantes ambientales que afectan la salud humana, como metales pesados y compuestos organoclorados.
Según el investigador del ICDB existe un gran desconocimiento del papel que cumplen los microorganismos en el equilibrio de la vida en la tierra, por lo que resulta difícil pensar que estos organismos que, sólo podemos observar a través del microscopio, son clave para el equilibrio de los ecosistemas.
• ¿Cuál es su área específica de investigación?
Estudiamos los microorganismos extremófilos, los que pertenecen fundamentalmente a los Dominios Bacteria y Arquea de los seres vivos. Son denominados extremófilos porque viven en condiciones extremas. Muchos de ellos son capaces de desarrollarse en temperaturas muy altas, entre 50 y 110°C (termófilos) o muy bajas como en el caso de los psicrófilos que resisten temperaturas entre -0 y 20°C. Por su parte, los acidófilos soportan una acidez extrema y los alcalófilos una alcalinidad altísima. Existen varios otros, además, que logran ambientarse a dos o tres de estas condiciones límites. Por ejemplo, está el caso de los termoacidófilos, que viven a pH 1-2 y a temperaturas de 50-90ºC.
• ¿Por qué les interesa el estudio de los extremófilos, en particular?
Hay tres razones fundamentales que explican nuestro interés. En primer lugar, son interesantes para la Astrobiología. La Astrobiología se preocupa de la posible existencia de vida en otros planetas. Lo más probable es que si existe vida, se trate de microorganismos extremófilos. En segundo lugar, porque nos interesa hacer ciencia, aportar nuevos conocimientos y conocer los mecanismos que tienen estos microorganismos que les permite resistir estas condiciones extremas. Y, en tercer lugar, nos interesa su estudio por sus aplicaciones en el área de la biotecnología, ya que algunos poseen enzimas termoresistentes, otros poseen proteínas que funcionan a bajas temperaturas y muchos otros presentan capacidades fisiológicas que se emplean exitosamente en diversos procesos biotecnológicos. En este ámbito, y para ser más precisos aún, nuestras investigaciones están centradas en bacterias y arqueas, termoacidófilas y acidófilas.
• ¿Por qué?
Hay ambientes naturales en el planeta en los que viven estos microorganismos y que son parte de los ciclos biogeoquímicos, en los que se produce la interacción entre los compuestos químicos inorgánicos presentes en el ambiente y los organismos vivos. Estos microorganismos están allí oxidando o reduciendo compuestos inorgánicos, por lo tanto, ellos determinan en gran medida la composición de la superficie de la tierra. Participan, por ejemplo, en los ciclos del oxígeno, del azufre, del hierro, del fósforo, del carbono y muchos otros elementos químicos. Algo similar ocurre con la biogeoquímica de la minería. La diferencia está en que el hombre aprovecha estos comportamientos para extraer metales desde la superficie terrestre. Y, dado que Chile es un país minero, nos interesó estudiar aquel grupo de bacterias que son capaces de resistir condiciones extremas, en este caso pH ácido y altas concentraciones de metales. Se trata del grupo de bacterias que participan en la biominería o lixiviación bacteriana de minerales.
Una alternativa a la minería tradicional
• ¿Qué es la biominería o lixiviación bacteriana de minerales?
La biolixiviación o biominería es un proceso en el cual se emplean microorganismos para recuperar metales como cobre y oro desde los minerales que los contienen. En concreto, estas bacterias llamadas quimiolitoautotróficas, tienen la capacidad de obtener energía a partir de los electrones contenidos en compuestos inorgánicos, y no de la glucosa u otros compuestos orgánicos como ocurre en la mayoría de los otros tipos de células. De esta forma, los microorganismos acidófilos oxidan sustratos minerales como su alimento, liberando el cobre y otros metales. Sin embargo, la gran importancia de la lixiviación bacteriana, en botaderos o en pilas de minerales es que permite recuperar el cobre desde estos materiales de descarte que no podrían ser tratados económicamente con las tecnologías convencionales.
• ¿Cómo funciona el proceso de lixiviación bacteriana?
En la gran minería del cobre, a medida que el mineral se extrae, va perdiendo su ley, es decir se va agotando. Entonces no resulta económico extraerlo a través de los métodos estándar y el mineral se desecha. El proceso de lixiviación bacteriana se puede emplear en los botaderos de minerales de baja ley. También se pueden construir pilas de mineral, que pueden ir entre los 10 y 20 metros de alto por 100 o más de 200 metros de largo, las que son regadas con una solución de lixiviación que contiene ácido, oxígeno y nutrientes. Para impedir la evaporación en la superficie y cambios bruscos de temperatura, las pilas se tapan con un cobertor de polietileno. En estas condiciones de acidez, sumado al oxígeno necesario, las bacterias comienzan a poblar la pila o el botadero e inician el proceso de disolución del mineral. Por último, la solución es recolectada en la parte inferior de la pila y dirigida a plantas de recuperación de cobre mediante electroobtención.
• ¿Cuáles son las ventajas de este sistema?. ¿Es muy demoroso?
Sí, es más lento en comparación a la pirometalurgia, mediante la cual el cobre se extrae de los minerales por la fundición de los sulfuros de cobre previamente concentrados a altas temperaturas. La pirometalurgia es más rápida y eficiente cuando se trabaja con grandes cantidades de cobre. El problema es que contamina la atmósfera. Por su parte, el método donde se utilizan las bacterias, si bien es más lento, es menos contaminante. Es un sistema más barato y apropiado para minerales de baja ley, es decir aquellos que contienen los sulfuros metálicos en baja concentración.
• ¿Se puede mejorar el procedimiento para hacerlo más rápido?
Sí, la idea es mejorar la actividad de las bacterias con el objeto de aumentar su capacidad y velocidad de oxidar y, por ende, incrementar su capacidad para extraer más cobre. Como ejemplo, hemos encontrado recientemente que una de estas bacterias, el Acidithiobacillus ferrooxidans, secreta algunas proteínas hacia su medio ambiente ácido. Cuando estas proteínas se aislan y se agregan a cultivos de laboratorio de los mismos microorganismos, éstos aumentan notablemente su velocidad de crecimiento. Esta propiedad puede ser muy útil para la biolixiviación de minerales, por lo que hemos protegido este conocimiento mediante una postulación de patentamiento. Actualmente, y luego de largos años de estudio, se sabe que son muchos y diferentes los microorganismos que participan en este proceso, formando biopelículas de comunidades microbianas sobre la superficie de los minerales.
• ¿Qué hace cada uno de ellos en ese entorno?
No se conoce con exactitud. Por ello es necesario aplicar la Microbiología de Sistemas, con el objeto de conocer e integrar las funciones globales de este consorcio bacteriano. Para ello se emplean las técnicas actuales de la genómica, proteómica, transcriptómica, metabolómica y otras, de tal manera que este conocimiento permitirá no sólo un control riguroso de los procesos biomineros, sino que surgirán nuevas ideas para acelerar el proceso biominero y hacerlo más eficiente. Adicionalmente, nuestra investigación busca determinar los distintos sistemas de adaptación de estas bacterias extremófilas a las condiciones límite. Sabemos que el cobre, por ejemplo, es un mineral muy oxidante y tóxico.
• ¿Qué características particulares tienen estas bacterias que les permite resistir concentraciones de cobre cien veces más altas respecto de las bacterias comunes?
Esos mecanismos los estamos investigando. En conjunto con los Ingenieros y Matemáticos del Instituto ICDB, estamos modelando los mecanismos de resistencia de los microorganismos a la presencia del cobre, con la idea de poder predecir los posibles comportamientos de estas células frente a los metales tóxicos presentes en su ambiente. Estos conocimientos serán de mucha utilidad para escoger aquellos microorganismos que están más capacitados para la biolixiviación de minerales. Si logramos mejorar la eficiencia de las bacterias, ya sea porque les damos las condiciones adecuadas o porque seleccionamos algunas que son más efectivas, se conseguirá finalmente hacer más rentable el negocio de la producción de cobre mediante biolixiviación.
• ¿Existen otras tareas pendientes en este ámbito?
Sí, por un lado, existen muchas cosas por descubrir aún para el mejoramiento de la acción bacteriana sobre los minerales. Por otro, tenemos que hacernos cargo del tema de la contaminación derivada de los drenajes ácidos de las faenas mineras activas o abandonadas y su posible biorremediación. Esto quiere decir que al degradar los minerales durante el proceso de lixiviación bacteriana, las bacterias generan metales pesados y agua ácida que se distribuye por filtraciones o derrames, contaminando efluentes y generando daño al ecosistema.
• ¿Cómo se puede evitar algo así?
Existen varias formas de evitar que esto ocurra o de neutralizar los derrames mediante el empleo de compuestos químicos. Sin embargo, se pueden emplear el mismo tipo de bacterias biomineras en un proceso llamado biorremediación. Este permite eliminar o extraer los tóxicos sin utilizar compuestos químicos que pudieran tener efectos secundarios en la estabilidad ecológica
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