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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
1
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
2
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
3
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 280-
400 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).
4
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):
2𝐴𝑢 + 4𝑁𝑎𝐶𝑁 +1
2𝑂2 + 2𝐻2𝑂 → 2𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2 + 2𝐾𝑂𝐻 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻
𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜
→ 𝐴𝑢(𝐶𝑁)−
2+ 𝑁𝑎+
2𝑁𝑎𝐴𝑢(𝐶𝑁)2 + 𝑍𝑛 → 2𝐴𝑢 + 𝑁𝑎2𝑍𝑛(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)
5
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.
6
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)
7
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):
𝑆𝑥2− + 𝐶𝑁− = 𝑆(𝑥−1)
2+ 𝑆𝐶𝑁−
𝐶𝑁− + 𝑆2𝑂32− = 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)
𝐻𝑔0 + 𝑂3 + 2𝐻 → 𝐻𝑔
2+ + 𝑂2 + 𝐻2𝑂
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
8
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 Cepa Observaciones Referencia
Cianuro, hierro ferroso, minerales de sulfuro
Acidithiobacillusferroxidans, Sulfobacillusthermosulfido-oxidans, Alicyclobacillustolerans, Scenedesmusobliquus
En el ensayo se presenta el cambio en la tasa de crecimiento según la temperatura y la oxidación a través del tiempo.
(Bulavev, y otros, 2011) (Gurbuz, Hasan, & Ata, 2008)
Cianuro P. pseudoalcaligenes Examinaron la influencia del suministro de oxigeno y pH en la eficiencia de la
(Huertas, y otros, 2010)
9
degradación bajo condiciones alcalinas
Cianuro, Tiocianatos individual y simultáneamente
P. putida, P.stutzeri y Pseudomonassp.
Los resultados mostraron que las bacterias primero procedieron con la degradación de CN-. Luego, cuando CN- estaba casi degradado por completo, la degradación de SCN- fue llevada a cabo
(Karavaiko, Kondrat'eva, Savari, Grigor'eva, & Avakyan, 1999)
48 tanques biológicos rotatorios. Biopass: proceso biológico anaerobio pasivo in situ
Una población mixta de bacterias es expuesta alternamente a condiciones aeróbicas para nitrificación y luego a condiciones anóxicas para denitrificación
(Akcil, 2003) (Dubey & Holmes, 1995)
Complejos de cianuro y níquel
Cryptococcushumicolus 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
(Kwon, Woo, & Park, 2002)
Mercurio Metil-mercurio
Escherichiacoli Pseudomonasaeruginosa
Las cepas interrumpieron la volatilización de Hg de una solución acuosa, a consecuencia de la reducción de Hg2+ a Hg0. Resistencia a Me-Hg
(Ball, Carrero, Castro, & Yarzábal, 2007)
Metil mercurio Bacterias Gram negativas y gram positivas que poseen el operonmer
Bacterias que presentaron resistencia y degradación de mercurio
(Marvin-dispasquale, y otros, 2000) (Mathema, Thakuri, & Sillanpää, 2011)
Me2Hg y HgS Desulfovibriodesulfuricans Bacterias sulfo reductoras degradan Me2Hg en MeHg y CH4
(Marvin-dispasquale, y otros, 2000)
10
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 Nitrogenasa
Biodegradación Tiocianato 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).
11
𝐻𝐶𝑁 + 𝐻2𝑂 ↔ 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)
12
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 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝐻2𝑂
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)
13
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− + 𝐻2𝑂 → 𝐻𝐶𝑁𝑂 + 𝐻𝑆−
𝐻𝐶𝑁𝑂 + 𝐻2𝑂 → 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 Enzima Ejemplo Reacción
Oxidativas Monoxigenasa de cianuro
Pseudomonassp. HCN+O2+H++NADPHHOCN+NA
DP++H2O
Dioxigenasa de cianuro
P. fluorescens, Bacillus pumillus, P. cereus
HCN+O2+2H++NADPHCO2+NH3
+NADP+
Hidrolíticas
Cianasa Escherichia coli HOCN+H2OCO2+NH3
Hidratasa de cianuro
Moho de nieve y hongos patogénicos comunes
HCN +H2O HCONH2
Cianidasa Alcaligenesxylosooxidansdenitrificans
HCAN+2H2O HCOOH+NH3
Nitrilasa Klebsiellaozaenae, Nocardiasp., Arthtobactersp.,
P. aeruginosa.
R-CN+2H2OR-COOH
Tiocianato Carbonilo B. subtilis, Thiobacillusdebnitrificans, B.
stearothermophilus
SCN- +2H2OCOS +NH3+OH-
Sustitución/
Transferencia
Rodanasa Ferrobacillusferroxidans, Thermobacillusdenitrificans, E.
Coli, Desulforomaculumnitrificans
CN-+S2O32-SCN-+SO3
2-
Sintasacianoalanina
B. megaterium Cianuroβ-Cianoalanina
‡‡
(Dubey & Holmes, 1995; Ebbs, 2004)
14
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).
15
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 Mecanismo Referencia
Metilación Hg(II) Transformación del metil a través de la transferencia de CH3
- a través de la ruta acetil-CoA en bacterias sulfato reductoras
(Choi, Chase, & Bartha, 1994)
Demetilación CH3Hg(I)
Demetilación reductiva por el merAB produciendo CH4 y Hg(0)
(Barkay, Miller, & Summers, 2003)
Reducción de Hg(II)
Reductasa de mercurio bacterial y rutas indefinidas de crecimiento de algas
(Ogunseitan, 1998) (Devars, Aviles, Cervantes, & Moreno-Sanchez, 2000)
Oxidación Hg Oxidación por hidroperoxidasas en microrganismos, plantas y animales
(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 Municipio Separación
Au-Hg Cianuración por
percolación Descripción
Antioquia
Segovia Térmica Si Departamento que más mercurio utiliza. Quema de amalgama Remedios Térmica Si
El Bagre Térmica No Minería aluvión, buenos manejos de residuos
Caldas
Manizales Térmica No Quema de amalgama, contaminación de una fuente de agua que abastece al acueducto de Caldas
Villa María Térmica No
Marmato No
Cola por concentración
§§
(Barkay, Miller, & Summers, 2003) ***
Adaptada de (Dirección de desarrollo Sectorial Sostenible, 2007)
16
Cauca
Suárez No
Cola por concentración
Quema de amalgama. Residuos son almacenados para reprocesamiento por cianuración. También se hace recuperación del oro sin compuestos químicos.
Buenos Aires
No Si
Fondas Térmica
Cola por amalgamación
Córdoba Pto.
Libertador Térmica No
Quema de amalgama Previa limpieza del material con ácido nítrico. Vertimientos a fuentes hídricas de la región.
Guainía Inírida Térmica No Quema del amalgama. Desechos contaminados son enterrados.
Nariño Sotomayor Térmica Si Quema amalgama.
Contaminación de aire y fuentes hídricas.
La Llanada Térmica Si
Santander Vetas Térmica Si Que amalgama
Vertimiento directo a fuentes hídricas California Térmica Si
Valle del cauca
Ginebra Química Si
Contaminación de fuentes de abastecimiento para los acueductos de Ginebra y Guacarí. Separación de la amalgama con ácido nítrico.
Vaupés Taraira Térmica Si 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
17
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
18
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.
19
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.
20
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