LA BIOTECNOLOGÌA EN LA INDUSTRIA PETROLERA Y MINERA

BIORREMEDIACIÒN RAMA DE LA BIOTECNOLOGÌA

La BIOTECNOLOGÍA utiliza organismos vivos (o partes de organismos) para hacer o modificar productos, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para usos específicos".

La BIODEGRADACIÓN ocurre en la naturaleza, y la actuación humana transformo esos procesos naturales en BIOTECNOLOGÍAS para acelerar la tendencia natural.

La BIODEGRADACIÓN ocurre en la naturaleza, y la actuación humana transformo esos procesos naturales en BIOTECNOLOGÍAS para acelerar la tendencia natural.

La BIORREMEDIACIÓN surgió como una rama de la biotecnología, a mediados del siglo XX con las primeras investigaciones para estudiar el potencial de los microorganismos para biodegradar contaminantes. Las primeras técnicas de BIORREMEDIACIÓN que se aplicaron fueron hechas por compañías petrolíferas, similares a la actual Biolabranza (landfarming).

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Las primeras patentes, para remediación de vertidos de gasolina, aparecen en los años 70. En los años 80 se generalizó el uso de la Bioventilación para suministrar oxígeno a las zonas contaminadas. Durante los años 90 el desarrollo de las técnicas de Bioburbujeo (air sparging), se hizo posible la biorremediación en zonas por debajo del nivel freático.

Al mismo tiempo, la implementación en la práctica de aproximaciones experimentales en el laboratorio permitió el tratamiento de hidrocarburos clorados, los primeros intentos con metales pesados, el trabajo en ambientes anaerobios, etc. Paralelamente, se desarrollaron métodos de ingeniería que mejoraron los rendimientos de las técnicas más populares para suelos contaminados (Biolabranza, Composteo, etc.).

La BIORREMEDIACIÓN se refiere a:

i) Cualquier proceso de recuperación medioambiental producido por el uso de microorganismos, hongos, plantas o enzimas derivadas de ellos

ii) Uso de procesos biológicos para la limpieza de la tierra y el agua, por lo general el agua subterránea contaminada .

En los países en desarrollo, hay dos principales tipos de contaminación que amenazan la salud humana: desechos orgánicos y metales pesados (plomo, mercurio, cadmio).

La BIORREMEDIACION por ejemplo, se emplea en grupos de compuestos organoclorados, compuestos orgánicos no naturales que tienen cloro en su molécula (como el DicloroDifenilTricloroetano - DDT), y son capaces de intervenir en los procesos celulares normales, entre otros la reproducción.

Estos productos de la contaminación, también pueden incorporarse en la mayoría de los alimentos, como pollos, carnes rojas, pescados, productos lácteos, aceites vegetales y verduras.

La BIORREMEDIACIÓN puede realizarse in situ y ex situ. Son menos compendiosas in situ, puesto que involucran un número significativo menor de desplazamiento de materiales, pero también requieren de tratamiento más largos y menos control en comparación con las tecnologías ex situ.

La biorremedición funciona a nivel: sub-celular, unicelular o multicelular.

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La BIORREMEDIACIÓN debe distinguirse de la BIODEGRADACIÓN, en el sentido en que está última ocurren las complejas interacciones que se dan en todos los niveles de un ecosistema. Mientras que generalmente en la Biorremediación se incide en uno de esos niveles.

BIOTECNOLOGÌA EN LA INDUSTRIA PETROLERA

Los devoradores de petróleo de Anandachakrabarty

¿Pueden contribuir los "supermicrobios" a salvar el medio ambiente? El biotecnólogo hindú afincado en Estados Unidos Ananda Mohán Chakrabarty (nacido en 1938) había cultivado bacterias en General Electric que podían descomponer el aniquilador de plantas (herbicida) 2, 4,5-T. Este herbicida se utilizó en grandes cantidades durante la Guerra del Vietnam como componente esencial del agente naranja (además, contenía impurezas mutágenas de dioxina) para "desforestar" grandes superficies selváticas, y tuvo consecuencias catastróficas -malformaciones y cáncer- en los vietnamitas y en los hijos de los soldados estadounidenses implicados.

A partir de los devoradores de herbicidas, Chakrabartycrió devoradores de grasas en toda regla. Extrajo de cuatro cepas de Pseudomonas que degradan respectivamente el octano, el alcanfor, el xilol y la naftalina, los plásmidos, y por vías separadas creó el "superplásmido" y lo volvió a introducir en las bacterias. De este modo creó un Superbug [supermicrobio) que puede descomponer los cuatro productos.

Las bacterias transformadas de este modo atacaron con un "hambre canina" los restos de petróleo tóxicos. Aparentemente, cuando se producen catástrofes con petroleros y hay enormes superficies del mar en peligro por la marea negra, éstas degradan rápidamente el petróleo. Los microorganismos, que crecerían

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masivamente, serían devorados a su vez por otros seres marinos, y de este modo volverían a desaparecer. Sin embargo, los devoradores de petróleo de Chakrabarty nunca se utilizaron en el medio ambiente, porque en aquel momento no se permitirá liberar bacterias manipuladas genéticamente.

En la avería del petrolero Exxon Valdez, en 1989, frente a las costas de Alaska, se aspiró y se filtró la masa principal del petróleo espeso. Sin embargo, la capa situada sobre las rocas y en la arena se degradó con bacterias cultivadas "normales". Añadiendo "abonos" [fosfato y nitrato), el crecimiento de los microbios mejoró considerablemente. Hasta el momento no se permite nada más.

Sin embargo, las espectaculares catástrofes de petroleros sólo causan un pequeño porcentaje de la contaminación por el petróleo. Anualmente siguen vertiéndose millones de toneladas de petróleo al mar, una cuarta parte de ellas procedentes de la limpieza ilegal de los tanques vacíos en mar abierto, y un tercio de las aguas residuales que se echan a los ríos. Los suelos contaminados con petróleo (bajo las gasolineras, por ejemplo) son más complicados: después de la reuníficación, en Alemania Oriental hubo un gran auge de la limpieza de los suelos. Se infectan dos metros de profundidad de suelo con microbios específicos, se airean y mezclan. A menudo, después de dos semanas ya se ha eliminado el 90% de las sustancias tóxicas.

En 1980, el Tribunal Supremo estadounidense dio la razón a Chakrabarty en el juicio Diamond contraChakrabarty 447 U.S. 303 (1980). En 1971 había inscrito una patente para un ser vivo y desde entonces había estado pleiteando. Su cepa bacteriana devoradora del petróleo fue el primer ser vivo "creado" de la historia

Fabricación de un "supermicrobio" (superbug) que puede degradar las sustancias hidrocarbonadas pesadas del petróleo. En primer lugar.se integró un plásmido que degrada el alcanfor (CAM) en una bacteria que ya contenía un plásmido que degrada el octano (OCT). Ambos plásmidos se fusionaran. De este modo, un plásmido codificó enzimas para ambas rutas de degradación. Por el contrario, para los plásmidos del xilol (XYL) y la naftalina (NAH) ocurrió de otro modo. En este caso, ambos plásmidos coexistían en una célula. Finalmente. Chakra barty juntó todos estos plásmidos en una cepa. Ésta creció bien en crudo y utilizó alcanfor, xilol, octano y naftalina como fuente de hidrocarburos.

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para el que se concedió una patente en Estados Unidos (Fig. 6,19). De este modo se creó un precedente para la industria biotecnológica.

Bases bioquímica de la biorremediación del petróleo

ATRIBUTOS DE LAS BACTERIAS:

- Fueron los primeros organismos pobladores del planeta.- Están adheridas a la matriz del suelo o Están adheridas a la matriz del

suelo.- Tienen una velocidad de crecimiento mayor que la de cualquier otro tipo de

microorganismo otro tipo de microorganismo.- Tienen la más amplia versatilidad bioquímica, por ello se han adaptado en

forma natural a una gran variedad de compuestos de adaptado en forma natural a una gran variedad de compuestos de tipo orgánico que satisfacen sus requerimientos nutricionales.

Por lo tanto:

- Sobreviven en condiciones microambientales extremas(lluvia/estiaje;frío/calor;día/noche;abundancia/inanición)

- Adaptan su “maquinaria enzimática” para degradar una amplia variedad de sustratos incluyendo los “xenobióticos”(compuestos de origen sintético, ajenos a la naturaleza)

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Las reacciones químicas de las bacterias con el sustrato son mediadas por enzimas Degradativas, estas le permiten utilizar compuestos orgánicos como sustrato (alimento).

Los microorganismos no comen petróleo, sólo degradan los hidrocarburos para los cuales existe una ruta metabólica, es decir, para los cuales existen las enzimas necesarias para las reacciones de degradación necesarias para las reacciones de degradación.

Sólo cuando hay participación de microrganismos en la degradación se llama biorremediación, de lo contrario se trata de otra técnica diferente.

La biorremediación ocurre sólo si: existen microorganismos degradadores, si los sustratos son biodegradables, si hay nutrientes básicos y si las condiciones microambientales son favorables (pH, temperatura, humedad, oxígeno).

Las preparaciones comerciales no tienen las enzimas que llevan a cabo las reacciones de degradación de hidrocarburos

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MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS EN LA EXPLORACIÓN DEL PETRÓLEO

Los métodos de exploración de petróleo mediante técnicas microbiológicas forman parte de los métodos de prospección geoquímica de superficie. La exploración geoquímica de superficie investiga la presencia de hidrocarburos químicamente identificables que se encuentren en la superficie o cerca de ella, o los cambios que se inducen por la presencia de esos hidrocarburos en el suelo. Las evidencias que se obtienen de estos estudios permiten localizar en el subsuelo acumulaciones de hidrocarburos.

La expresión geoquímica de superficie de las microfugas de hidrocarburos toma formas diferentes:

- Concentración anómala de hidrocarburos en sedimentos, suelos, aguas y también en la atmósfera.

- Anomalías microbiológicas.- Formación de lutitas parafínicas.- Presencia de gases anómalos no relacionados con hidrocarburos, tales

como el helio y el radón.- Cambios mineralógicos en el suelo como la formación de calcita, pirita,

uranita, azufre elemental, así como ciertos sulfuros y óxidos de hierro.

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- Alteraciones de minerales de arcilla.- Anomalías de radiación.- Anomalías geotermales e hidrológicas.- Decoloración de las capas rojas.- Anomalías geobotánicas.- Alteraciones acústicas, eléctricas y magnéticas del suelo y los

sedimentos.

Los métodos de prospección microbiológica en la exploración de yacimientos de petróleo se utilizan desde hace cinco décadas. La base científica de estos métodos de exploración y prospección de petróleo consiste en la migración de hidrocarburos ligeros gaseosos, como:

metano (C1), etano (C 2), propano (C3) y butano (C4), desde el reservorio hasta la superficie del yacimiento y en la asimilación de estos compuestos hidrocarbonados por grupos específicos de microorganismos que habitan el subsuelo de estos ecosistemas.

Existen bacterias que oxidan metano, etano, propano y butano, y que además, usan exclusivamente estos gases como única fuente de carbono y energía para su crecimiento. La densidad de estas bacterias varía de áreas con presencia de hidrocarburos respecto a otras donde no se localizan reservorios de petróleo.

El aislamiento y enumeración de bacterias que oxidan esos hidrocarburos se usan como método indirecto en la prospección de petróleo. Algunos estudios informan una relación directa y positiva entre la densidad de estos grupos microbianos y la concentración de hidrocarburos en el suelo.

La aplicación de estos métodos en la exploración de petróleo se discute fuertemente en la actualidad. Las técnicas microbiológicas modernas permiten la detección de forma indirecta de la presencia de hidrocarburos livianos (hidrocarburos con hasta cuatro átomos de carbono) en suelos y el mapeo de su extensión con precisión.

Las condiciones petrofísicas de las rocas reservorio presentan connotaciones geológicas interesantes, ya que un reservorio pobre, con baja permeabilidad, no favorece el escape de hidrocarburos, mientras que uno de muy buena permeabilidad permitirá una migración activa desde el reservorio hasta la superficie. Una anomalía microbiológica en superficie se asocia a fases porosas y permeables del reservorio y con la presencia de hidrocarburos, además permite la localización de trampas estratigráficas.

Las bacterias que oxidan metano se encuentran con predominio en el subsuelo de cualquier reservorio, ya que el metano constituye el gas en mayor proporción y el hidrocarburo más liviano, por tal razón, se favorece su difusión del reservorio a la superficie.

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Los grupos bacterianos que con mayor frecuencia se informan con la potencialidad de oxidar hidrocarburos ligeros son: Brevibacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas y Rhodococcus.

Los citados grupos microbianos se consideran bacterias indicadoras y su existencia en cantidades anómalas se relaciona con la presencia de hidrocarburos en el subsuelo. Se informa que el éxito de estas metodologías es igual o superior al 90 %. El método se integra con los datos experimentales que aportan otros métodos geológicos, geofísicos y geoquímicos que evalúan la presencia de hidrocarburos en un área determinada y contribuye a disminuir el riesgo exploratorio y a potenciar el éxito de la actividad de exploración de petróleo. Entre las técnicas de valor exploratorio que se contemplan para la integración de los resultados resaltan el complejo redox y el análisis cualitativo y cuantitativo de gases absorbidos y libres.

Se informan relaciones inversamente proporcionales entre las cantidades de microorganismos y de gases libres y absorbidos, de manera que cuando se detecta un máximo de actividad microbiana, se cuantifica un mínimo de gases, de acuerdo con el consumo de estos por los microorganismos.

Las técnicas de prospección geomicrobiológicas son de máximo interés para muchos países y numerosos grupos de investigación apelan a su estandarización.

Varios países como Libia, Irán, Estados Unidos, Brasil y en especial, la India, informan resultados relevantes en el tema. En Cuba, no existen experiencias en estos estudios y la aplicación de estas técnicas ayudaría a la localización de nuevos reservorios en tierra y a la disminución del riesgo exploratorio en las acciones de prospección de los yacimientos nacionales.

La exploración geomicrobiológica de petróleo ofrece algunas fortalezas: valor exploratorio según las experiencias internacionales, complementa criterios geológicos con criterios geomicrobianos en los procesos de exploración de petróleo, asumiendo posiciones multidisciplinarias en las experiencias exploratorias e informa sobre la presencia de hidrocarburos en el perfil vertical de la zona de muestreo. De igual modo, presenta algunas desventajas tales como: no ofrece información cuantitativa respecto a la presencia de hidrocarburos ni sobre la composición hidrocarbonada del reservorio.

RECUPERACIÓN MEJORADA DE PETRÓLEO CON EMPLEO DE MICROORGANISMOS

Las reservas de petróleo tienen una capacidad de producción limitada, por lo que se prevé su agotamiento en el futuro. El descubrimiento de nuevos yacimientos con grandes reservas de crudo ocurre cada vez con menos frecuencia y los esfuerzos se abocan hacia la recuperación del que permanece

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aún entrampado dentro del yacimiento y que no fluye espontáneamente a través de los pozos de producción.

Del total de crudo presente en un yacimiento, solo se recupera de un 10 a un 50 % por métodos convencionales. Por esta razón, existe gran interés en el desarrollo de metodologías químicas y físico químicas que permitan recuperar parte del petróleo remanente en el yacimiento.

Estas metodologías se agrupan en los procesos de Recuperación Mejorada de Petróleo (RMP). El desarrollo de métodos microbiológicos para aumentar la producción de petróleo comenzó a considerarse desde la mitad del siglo pasado. Los procesos microbiológicos de RMP se sustentan en el aprovechamiento de los metabolitos producidos por los microorganismos durante su crecimiento y se consideran ventajosos respectos a las variantes físico químicas por ser más económicos al consumir menos energía, no depende de los precios del petróleo y no emplea sustancias químicas agresivas al medio ambiente.

Los metabolitos microbianos disminuyen las tensiones interfacial y superficial en el sistema, reducen la viscosidad del crudo, aumentan la permeabilidad del reservorio, desplazan el crudo de la matriz del yacimiento y facilitan los procesos de extracción.

Entre los metabolitos microbianos de interés en estas metodologías se encuentran: polímeros, gases, ácidos carboxílicos, hidroxiácidos, aldehídos, cetonas, alcoholes, peróxidos orgánicos, ésteres, aunque de especial interés son los biosurfactantes.

Los biosurfactantes disminuyen la tensión interfacial entre dos fluidos y los requerimientos de presión en el yacimiento, hechos que permiten el desplazamiento del crudo. La búsqueda de nuevas cepas y metabolitos con aplicación en procesos de Recuperación Mejorada de Petróleo constituye una prioridad para muchos grupos de investigación.

Segnini et al. aislaron de la formación petrolera brasileña Carmópolis Basin la cepa Klebsiella pneumoniae con potencialidades de aplicación en procesos de RMP. Los estudios microbiológicos concluyeron que la cepa es viable luego de 91 dias de conservación en medio salino y además, como consecuencia de los cambios morfológicos celulares penetra fácilmente en los poros del reservorio modelado. Se construyeron en el laboratorio reservorios con dimensiones y tipos de poros diferentes para evaluar la remoción de crudo a partir del impacto de los metabolitos excretados y de la interacción de las células bacterianas con los poros de los yacimientos modelados. El uso de cepas de Klebsiella pneumoniae en estimulación a pozos de petróleo debe considerarse de acuerdo con su carácter patógeno.

El grupo de los bacilos halotermófilos Gram positivos formadores de esporas es uno de los grupos microbianos de interés en las estrategias de Recuperación Mejorada de Petróleo mediante microorganismos.

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Dastgheib et al. Informaron el aislamiento de la cepa Bacillus licheniformissp. ACO1 de un reservorio de petróleo de Irán con crecimiento óptimo a 45 ºC, pH 8 y resistente a 180 g / Lde cloruro de sodio. Esta cepa mostró elevada capacidad para producir bioemulsificantes, aunque no creció en presencia de hidrocarburos como fuente de carbono. La producción de emulsificantes resultó óptima en medio con extracto de levadura como fuente de carbono y nitrato de sodio como fuente de nitrógeno. Estudios de laboratorio demostraron la recuperación de petróleo residual en 22 % cuando se empleó un tratamiento con la cepa ACO1.

Por otra parte, experimentos en el laboratorio demostraron que el surfactante producido por Bacillus subtilis20B removió el 30,22 % del petróleo contenido en una columna empaquetada con arena y petróleo.

Esta bacteria mostró otras cualidades de interés para los procesos de RMP como crecer a 55 ºC y tolerar 7 % de cloruro de sodio. La cepa produjo el surfactante a partir de diversas fuentes de carbono: glucosa, alcohol e hidrocarburos.

Bacillus amyloliquefaciens LP03, aislado de una muestra de suelo, produjo un lipopéptido con actividades surfactante y emulsificante. Se identificó que el lipopéptido, de 1 022,6 Da de masa molecular, lo componen cuatro aminoácidos: glutamina (Glu), leucina (Leu), metionina (Met) y prolina (Pro), organizados en la secuencia de siete aminoácidos siguiente: Glu-LeuMet-Leu-Pro-Leu-Leu y por el ácido graso β-hidroxi-C13.

El lipopéptido identificado difirió de las surfactinas y se clasificó como un nuevo lipopéptido: bamilomicina A.

En la purificación del lipopéptido se usaron métodos de precipitación ácida, extracción por precipitación en metanol, cromatografía en columna de gel sílice y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC: High Pressue Liquid Cromatography), mientras que, en los análisis de composición molecular del metabolito se utilizaron técnicas analíticas como la espectrometría de masas y HPLC.25

Serratia marcescens MTCC 86 produjo un lípido con elevada actividad emulsificante durante su crecimiento en sucrosa. El lípido compuesto por unidades de 3-(3’-hidroxitetradecanoloxi) y 3-(3’-hidroxihexadecanoloxi) resultó efectivo a nivel de laboratorio, ya que removió el 90 % del crudo en una columna empacada con arena y petróleo, hecho que demuestra la potencialidad del producto microbiano en procesos de RMP. El producto también mostró efectividad al remover petróleo impregnado en las paredes de contenedores de almacenamiento.

Para los estudios de estructura molecular, se realizaron extracciones con acetona, cloroformo y metanol y posteriormente, se aplicaron técnicas analíticas tales como cromatografía en capa delgada, cromatografía gaseosa acoplada a espectrometría de masas y espectroscopia infrarroja.

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Los dos ejemplos anteriores demuestran la importancia de los métodos analíticos espectroscópicos y cromatográficos en la identificación y caracterización molecular de los metabolitos producidos durante el crecimiento microbiano. Una adecuada metodología de purificación, basada en estrategias de sucesivas precipitaciones con disolventes, evaporización y extracción, seguida de la disposición de técnicas analíticas, permiten informar sobre los detalles estructurales de la composición molecular del metabolito de interés. La estructura molecular permite que se explique, o al menos teorice, sobre los fenómenos moleculares que ocurren en el sistema en estudio y la función de las entidades moleculares que se identifican.

Wang et al. demuestran que los procesos de RMP con microorganismos son factibles. Inocularon dos pozos petroleros (26-195 y 27-221) con tres cepas de bacterias exógenas y luego de la inyección microbiana, el pozo se cerró durante un tiempo. Cuando comenzó la producción, se comprobó un aumento en los volúmenes de crudo extraído de 1,58 y 4,52 toneladas diarias en los pozos 26-195 y 27-221 respectivamente, comparado con los volúmenes de producción obtenidos antes del tratamiento. Los análisis electroforéticos de las muestras de crudo tomadas durante el proceso indicaron que las proteobacterias predominaron en el yacimiento. Otra experiencia productiva a partir del empleo de RMP con microorganismos la desarrolló Behlulgil et al.en un reservorio turco de petróleo pesado. El reservorio se inoculó con Clostridium acetobutylicumy luego del tratamiento, la producción aumentó en 12 %, además, se comprobaron cambios en el pH y la viscosidad del crudo.

La producción de biosurfactantes en el interior del yacimiento se demuestra en los estudios de Youssef et al., cuando comprobaron la síntesis de un biosurfactante lipopeptídico en un reservorio inoculado con un cultivo mixto de dos cepas de Bacillus(Bacillus RS-1 y Bacillus subtilis subs. spizizenii NRRL B-23049) y nutrientes (glucosa, nitrato de sodio, trazas de metales).

La concentración de biosurfactantes alcanzó 90 mg /L, concentración nueve veces superior a la requerida para remover el petróleo de los poros de las rocas, según estudios de laboratorio de este mismo grupo de investigación. En los pozos inoculados se detectó dióxido de carbono, acetato, lactato y 2,3-butanodiol.

Aunque estos ejemplos demuestran las ventajas de las variantes microbianas de RMP, muchos empresarios se muestran escépticos al asunto. La estequiometría del proceso, así como los rendimientos y las concentraciones de productos en las condiciones del yacimiento, son aspectos que deben sistematizarse. Otros aspectos de importancia son la movilización del crudo por acción de los metabolitos microbianos, el período de vida media de estas moléculas orgánicas, el rango de actividad biológica en las condiciones reológicas y de pH, temperatura y fuerza iónica del reservorio y las técnicas de control y seguimiento de las concentraciones de microorganismos y metabolitos en el yacimiento.

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LA BIOTECNOLOGÍA EN LA INDUSTRIA MINERA

PRINCIPALES TENDENCIAS EN EL SECTOR MINERO.

La Biominería es la extracción de metales específicos de sus respectivas menas a través de medios biológicos, generalmente mediante bacterias. Las extracciones tradicionales implican muchos pasos costosos, tales como tostación y fundición, que requiere una concentración suficiente de elementos minerales en las menas. Por el contrario, las bajas concentraciones no son un problema para las bacterias porque éstas simplemente ignoran los residuos que rodea a los metales, alcanzando rendimientos de extracción de más del 90% en algunos casos.

El gran desafío de la biotecnología es incrementar significativamente la obtención de metales mediante la biominería, a bajo costo y de manera más amigable con el medio ambiente. Esto podrá conseguirse conociendo mejor estas bacterias y haciendo su función más eficiente en el proceso tecnológico. Para aumentar la eficiencia de la biominería, la búsqueda se centra en las cepas bacterianas que se adapten mejor a las operaciones de gran escala. El bioprocesamiento emite una gran cantidad de calor, y esto puede disminuir o eliminar la bacteria que se está utilizando. Los investigadores están recurriendo a las bacterias termófilas amantes del calor que se encuentra en aguas termales y alrededor de los respiraderos oceánicos para resolver este problema.

Son varias las ventajas de la tecnología microbiana (biominería) sobre los métodos no biológicos o tradicionales, entre ellas:

i. Requiere de poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas)

ii. Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas.

iii. Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso

iv. Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metal en las minas, los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales y habitualmente se acumulan sin ningún tipo de tratamiento

v. Permite explotar los recursos mineros en forma más limpia y más económica siendo esta otra ventaja competitiva.

Sin embargo, a pesar de dichas oportunidades, las cifras que se invierten en investigación y desarrollo en los países mineros latinoamericanos son aún bajas comparadas con el tamaño del negocio. De los países latinoamericanos, Chile es el que muestra el esfuerzo más consistente por llevar a la industria minera más allá de la simple explotación de minerales. La creación del Instituto de Innovación en Minería y Metalurgia S.A. (IM2, Filial Codelco, Chile) y las experiencias de Biosigma y Alliance Copper son buenos ejemplos. Otros ejemplos constituyen México y Brasil.

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En México, Industrias Peñoles, uno de los mayores productores de plata del mundo, maneja un Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico que concentra los esfuerzos de investigación de la empresa. Peñoles invierte alrededor del 0,5% de sus ventas en proyectos de investigación y desarrollo, enfocados tanto en el desarrollo de nuevos procesos, como métodos alternativos para la lixiviación de oro y plata, de optimización de procesos o ambientales.

El conglomerado minero brasileño Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) inició en 2005 la construcción de una planta de U$D 58 millones para lixiviar concentrados de cobre mediante oxigenación a presión, utilizando una tecnología desarrollada por la canadiense Cominco Engineering Services Ltd.

Los países de la región presentan aun así un gap respecto de lo que se está haciendo en países mineros como Australia, Canadá o Sudáfrica. Casos exitosos se han forjado en Australia, donde se generan instituciones público-privadas que se focalizan en áreas prioritarias del sector minero, no sólo en la parte extractiva sino también en la parte tecnológica. Dicho modelo de negocio y de investigación y desarrollo sugiere la estrategia a seguir en nuestra región, donde el sector minero y las aplicaciones biotecnológicas ofrecen tanta oportunidad como potencial de desarrollo.

Se cita el caso de la empresa Phelps Dodge (EEUU) que trabajó en un proyecto de lixiviación de concentrados de mineral de cobre sulfurado. La empresa comenzó a trabajar en este proyecto en 1998 y en 2003 puso en marcha la primera planta de lixiviación de concentrados en Bagdad, mina que opera en Arizona. Esta planta tiene capacidad para producir 40 millones de libras de cobre al año. La inversión en capital de una planta de lixiviación de concentrados de alta presión es de entre U$D 1.000 y U$D 2.000 por tonelada anual de capacidad de producción instalada, lo que se compara con una inversión de entre U$D 3.000 y U$D 6.000 por tonelada anual en el caso de una fundición-refinería.

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La Lixiviación Bacteriana, también conocida como Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural de disolución que resulta de la acción de un grupo de bacterias - principalmente del género Thiobacillus - con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxigeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro- y sulfo-oxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente.

En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias específicas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal valor en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación es un utilizado para describir un proceso que emplea bacterias paradegradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados.

Bacterias asociadas a la lixiviación de minerales

Microrganismo Fuente energética

pH Temperatura

Thiobacillus ferrooxidans

Fe+2 , U+4 , S0 1.5 25 – 35

Thiobacillus thiooxidans

S0 2.0 25 – 35

Leptospirillum ferrooxidans

Fe+2 1.5 25 – 35

Sulfolobus S0, Fe+2, C orgánico

2.0 > a 60

Acidiphilium cryptum

C orgánico 2.0 25 – 35

Th. intermedius S0, S-2, C orgánico

2.5 30

Th. napolitanus S0, S-2 2.8 30Th. acidophilus S0, S-2 3.0Th. thioparus S0, S-2 3.5Thiobacillus TH2 y TH3

Fe+2, S-2 6.0 50

Metallogenium sp. Fe+2 4.5Heterotrofos C orgánico 25 – 40

Thiobacillus ferrooxidans:

Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos

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pertenecientes al género Thiobacillus, señalada en un párrafo y tabla anterior, no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans, cuya presencia fue demostrada por Colmer y Hinkle, a comienzos de los años 50, en el drenaje unas minas de carbón, que reportaban altos contenidos de ácido y fierro.

Thiobacillus ferrooxidans presenta forma bacilar, gram negativas, de 0.5 a 1.7 μ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (Fe (II)) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin - Benson). Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a temperaturas que oscilan entre 25-35ºC. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico.

Mecanismos de Lixiviación

Los principales mecanismos involucrados en el proceso de lixiviación bacteriana son: directa e indirecta.

a) Lixiviación Indirecta:

Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son:

Pirita FeS2 + 3.5 O2 + H2O = FeSO4 + H2SO4 (1)2 FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + H2O

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El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver una amplia variedad de minerales sulfurados. La lixiviación con Fe2(SO4)3 recibe el nombre de lixiviación indirecta porque se realiza en ausencia de oxígeno o de bacterias y, es responsable de la disolución o lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de importancia económica:

Chalcopirita CuFeS2+ 2 Fe2(SO4)3 = CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº (3)Chalcocita Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 = 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + 2 Sº (4)

El mecanismo de lixiviación indirecta depende de la regeneración biológica del sulfato férrico (reacción 2). El azufre (Sº) generado en las reacciones 3 y 4 puede ser convertido en ácido sulfúrico (H2SO4) por T. ferrooxidans según:

2 Sº + 3 O2 + 2 H2O = 2 H2SO4 (5)

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Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene el pH del sistema a niveles favorables para el desarrollo de la bacteria.

b) Lixiviación Directa:

Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en la siguiente reacción:

MS + 2 O2 = MSO4 (6)

Donde M representa un metal bivalente.

Pirita 2 FeS2 + H2O + 7.5 O2 = Fe2(SO4)3 + H2SO4 (7)Chalcopirita 2 CuFeS2 + 8.5 O2 + H2SO4 = 2CuSO4 +

Fe2(SO4)3+ H2O(8)

Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.

Mecanismos directo e indirecto de la acción bacterial

Desarrollo bacteriano

El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias juega un rol importante dentro del proceso de lixiviación bacteriana, es por ello de mucha importancia el control de factores, como el pH, la presencia de oxígeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula, y el efecto de inhibidores, entre otros.

pH: En general los T. ferrooxidans, desarrollan bien en medios ácidos, siendo incapaces de desarrollar sobre Fe+2 a un pH mayor de 3.0. Normalmente los valores sobre el que los Thiobacillus se desarrollan se ubican dentro del rango de 1.5 a 2.5.

Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la extracción de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dióxido de

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carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular.

Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T. ferrooxidans requiere de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que tenemos fuente de N2

(amonio), de fosfato, de S, iones metálicos (como Mg+), etc.

Magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético. Los medios de cultivo empleados presentan estos requerimientos, siendo los más importantes el 9K y el TK.

Fuente de Energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferroso y azufre inorgánico. El fierro ferroso debe ser suplementado al medio cuando se trata de medios sintéticos. En caso de utilizar mineral, no es necesario añadir Fe+2.

Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece alguna protección a los rayos visibles.

Temperatura: El rango sobre el cual se desarrollan se encuentran entre 25ºC y 35ºC.

Presencia de Inhibidores: En los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn+2 = 15 -72 g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+1 = 1ppb; UO2

+2 = 200 - 500 mg/l, entre otros.

Otros microorganismos de importancia:

Dentro de este grupo y estrechamente asociados a T. ferrooxidans encontramos a:

Thiobacillus thiooxidans: Se lo puede encontrar en depósitos de azufre y sulfurosos, desde donde es fácil aislarlos. Se caracteriza porque sólo es capaz de oxidar azufre. Desarrollan a temperatura entre 5ºC y 40ºC, a un pH en el rango de 0.6 a 6.0, siendo el óptimo 2.5. Son aerobios estrictos.

T. acidophilus: Fue aislado por primera vez por Markosyan en 1973 a partir de minerales, describiéndolo con el nombre de T. organoparus. Presentan forma bacilar, son aerobios estrictos, oxida azufre y utiliza compuestos orgánicos como parte de sus requerimientos nutricionales.

Tiobacilos semejantes a termófilos: Aunque no están bien estudiadas, es reconocida su importancia en los procesos hidrometalurgicos. Muestran un activo

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crecimiento sobre medios conteniendo Fe+2 y sulfuros en presencia de extracto de levadura.

Leptospirillum ferrooxidans: Son vibriones en forma de espira, como Pseudococos. Móviles por la presencia de un flagelo polar simple. Las colonias sobre silica gel son pequeñas y de color marrón rojizo debido a la formación de fierro férrico. Son aerobios estrictos y quimioautotróficos obligados. Utiliza Fe+2 y FeS2 como fuente energética.

Sulfolobus: Son bacterias gram negativas, que se presentan como células esféricas, con lóbulos, inmóviles, y la ausencia de flagelos y endosporas. Su pared celular carece de mureina.

Biooxidación de Sulfuros

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento.

Oxidación de la Pirita: La pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico (Reacciones 1 y 2).

Sulfuros de Cobre: La oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La chalcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. Bajo la influencia de T. ferrooxidans la velocidad de oxidación de este sulfuro ase incrementa hasta en 12 veces más que el proceso netamente químico. Los sulfuros secundarios de cobre -chalcocita (Cu2S), covelita, bornita-, son oxidados más fácilmente bajo el impacto de las bacterias (Reacciones 3 y 4). A nivel industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas (Chile, USA, Perú, etc.). Southern Perú viene aplicando la tecnología para la recuperación de cobre en sus botaderos de sulfuros de baja ley de Toquepala.

Más recientemente, Billiton, de Sudáfrica, realiza investigaciones para recuperar el cobre contenido en minerales arsenicales, en un proceso que ha denominado BIOCOP.

Sulfuros de Metales Preciosos: La lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra "atrapada" la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso resulta siendo un pretratamiento antes que una disolución directa del metal. Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1000 tpd de mineral.

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En el Perú la tecnología es aplicada en el Proyecto Tamboraque de Minera Lizandro Proaño, para recuperar oro contenido en arsenopirita. Mintek, también ha desarrollado el proceso MINBAC, y Bactech de Australia ha desarrollado un proceso que emplea bacterias moderadamente termófilas para el tratamiento de sulfuros preciosos y de metales base que se conoce como el proceso BACTECH. En 1998, Mintek y Bactech se han asociado para comercializar el proceso a nivel mundial. Esta asociación ha dado sus primeros frutos y ya se ha iniciado la construcción de la planta que emplea esta tecnología en Tasmania para tratar el mineral aurífero refractario del proyecto Beaconsfield. Las evaluaciones preliminares han reportado una recuperación de hasta el 98% del oro contenido en el mineral.

Sulfuros de Zinc: La acción bacterial de sulfuros de zinc también ha sido evaluada, y aunque no se conoce de plantas comerciales su aplicación tiene un enorme potencial. La marmatita es el sulfuro de zinc más fácil de oxidar, influenciado enormemente por la presencia de fierro.

Sulfuros de Plomo: La lixiviación bacterial de galenita origina la formación de PbSO4 que es insoluble en medio ácido, característica que puede ser empleada en la separación de algunos valores metálicos acompañantes en una mena de plomo.

Sulfuros de Níquel: El níquel es lixiviado a partir de sulfuros (pentandlita y milerita) y de menas de fierro en presencia de T. ferrooxidans de 2 a 17 veces más rápido que el proceso netamente químico.

Sulfuros de Antimonio: Se conocen de algunos trabajos que reportan la habilidad de T. ferrooxidans de oxidar antimonita (Sb2S3) a pH 1.75 y a 35ºC. También se reporta la capacidad de B. thioparus y T. thiooxidans de oxidar este sulfuro.

Sulfuros de Metales Raros: Los metales raros se presentan en la parte cristalina de muchos sulfuros o silicatos. Para liberarlos es necesario oxidar los sulfuros o destruir la matriz de silicato. La literatura reporta la posibilidad de oxidar, empleando bacterias del grupo de Thiobacillus, de una variedad de estos metales, entre los que podemos encontrar galio y cadmio presente en la esfalerita (el principal transportador de estos elementos); de germanio y cobalto, de renio, selenio y telurio, titanio y uranio, entre otros.

Desulfurización de Carbón

La presencia de azufre en las menas de carbón constituye un contaminante, cuya eliminación se presenta como un problema, sobre todo desde el punto de vista ambiental. La oxidación biológica de la porción piritosa o sulfurada permitirá eliminar el azufre presente. Muchos trabajos de laboratorio han demostrado que un importante porcentaje (generalmente por encima del 90%) del azufre contenido en la pirita puede ser removido del carbón bituminoso, sub-bituminoso y lignito en periodos de una a dos semanas por T. ferrooxidans. También es posible emplear bacterias termófilas del género Sulfolobus en la desulfurización de las menas de carbón.

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La remoción del azufre orgánico presente en el carbón por vía microbiana es un área de interés por muchas razones. En algunos casos, la presencia de este tipo de azufre representa un porcentaje considerable del azufre total del carbón.

Debido a que la efectiva desulfurización del carbón involucra la remoción del carbón orgánico como del inorgánico, los procesos microbianos que operan en condiciones cercanas a las ambientales, presentan innumerables ventajas sobre los métodos químicos y físicos convencionales.

Biorecuperación de Metales

Una tarea importante de la hidrometalurgia es la recuperación de los metales presentes en las soluciones, así como el tratamiento de las aguas residuales de las diferentes industrias, en cumplimiento de las rigurosas normas ambientales.

Existen muchos microorganismos con capacidad para adsorber o precipitar metales. Algunas de las formas como los microbios recuperan los metales se detallan a continuación:

Precipitación: La precipitación de metales bajo la forma de sulfuros involucra el empleo de bacterias sulfato-reductoras para producir H2 S, que tiene la capacidad de precipitar prácticamente la totalidad del metal contenido en una solución. Debemos hacer notar que el proceso se realiza en ausencia de oxigeno (anaerobiosis) en contraposición a la biooxidación de sulfuros que requiere de oxigeno (proceso aeróbico).

Biosorción: Las investigaciones sobre las biosorción de metales a partir de soluciones señalan que la habilidad de los microorganismos permitiría recuperar hasta el 100% de plomo, mercurio, zinc, cobre, níquel cobalto, etc., a partir de soluciones diluidas. El empleo de hongos hace posible recuperar entre 96% a 98% de oro y plata.

También se ha demostrado que cepas de Thiobacillus son capaces de acumular plata, lo que permitiría recuperar este metal a partir de aguas residuales de la industria fotográfica. La biosorción de metales conduce a la acumulación de estos en la biomasa. El mecanismo involucra a la pared celular. En los hongos, la adsorción de metales se encuentra localizada en las moléculas de chitina y chitosan. De otro lado, el cobre puede ser recuperado a partir de óxidos, por hongos, que producen ácidos orgánicos que forman complejos con el cobre.

Reducción: La reducción microbial de metales implica una disminución en la valencia del metal. En algunos casos, la reducción es parcial (el metal reducido aún exhibe una carga neta), mientras que en otros el ion metálico es reducido a su estado libre o metálico.

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Microorganismo Forma de adsorción y precipitación

Hongos, Levaduras y Bacterias

Biosorción de elementos radioactivos y otros: Al, Ag, Zn, Cr, Ni, Cu, etc.

Chitina y Chitosan Adsorción de Se, Zr, Hf, Ru de aguas circundantes en un sistema de enfriamiento de un reactor nuclear.

Bacterias Sulfato Reductoras

Precipitación de metales a partir de soluciones.C orgánica. + SO4 = Õ Sº + CO2S = + Me Õ MeS ↓

Bacterias Reductoras Reducción del metal. Cr+6 Õ Cr+3

Perspectivas futuras

Son numerosas las posibilidades que se presentan para la aplicación de los procesos biotecnológicos en el beneficio de los minerales, algunos de los cuales reseñaremos brevemente en las siguientes líneas.

Los microorganismos pueden ser utilizados como agentes floculantes o como colectores en los procesos de flotación de minerales. La capacidad de muchos microorganismos de poder adherirse a superficies sólidas gracias a la interacción existente entre la carga de la pared celular y las condiciones hidrofobicas, modificando la superficie del mineral permitiendo su flotación y floculación (empleado en la separación de las fases sólida y líquida de una pulpa). Por ejemplo, se ha reporta que una bacteria hidrofobica es un excelente floculante para un número de sistemas minerales. Los minerales que han podido se floculados con esta organismo incluye a la hematita, ciertos lodos de fosfatos, floculación selectiva de carbón en menas piritosas, entre otras. Igualmente, este microorganismo es buen colector de hematita, y puede ser empleado en reemplazo del colector químico.

Otra área de enorme interés es el empleo de microorganismos heterótrofos, generalmente parte de la flora acompañante de Thiobacillus, como herramienta para la lixiviación de sistemas no sulfurados. Tal es el caso del empleo de un esquema de lixiviación bacterial heterotrófico para menas lateríticas de baja ley y que permitiría incrementar enormemente las reservas económicamente explotables de níquel. También el empleo de heterotrofos en la lixiviación de menas de manganeso, plata y fosfato podría incrementar el número de reservas para estos commodities importantes. Su empleo radica en la enorme ventaja que significa su rápida velocidad de crecimiento, en comparación con los autótrofos.

La biodegradación de compuestos tóxicos orgánicos representa otro rubro importante de aplicación de los procesos biológicos. Debemos recordar que una amplia variedad de sustancias, tóxicas y no tóxicas, pueden ser descargadas al medio ambiente como consecuencia de las operaciones mineras. Muchos de estos compuestos son productos químicos complejos empleados en flotación y en procesos hidrometalurgicos. Otros incluyen a productos derivados del petróleo

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empleados de manera diversa en las operaciones mineras. Se reporta la capacidad de especies de Klebsiella y Pseudomonas en la degradación de reactivos de flotación.

Asimismo, se reconoce la habilidad de ciertos microorganismos o de sus enzimas de degradar, bajo ciertas condiciones, cianuro empleado en la recuperación de oro y plata. Ejemplo a nivel industrial de esta aplicación, lo representa la planta de Homestake, en Estados Unidos, que viene funcionando desde 1984, y emplea una cepa nativa de Pseudomonas. En el Perú, se han realizado numerosas investigaciones al respecto por J. Guerrero (1992), J. Hurtado en la Universidad

Cayetano Heredia y por investigadores del Centro de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Nacional de Trujillo.

También es de potencial importancia el empleo de ciertas especies vegetales en la prospección geológica de yacimientos minerales como en la limpieza y recuperación de suelos contaminados con iones metálicos pesados. Aunque el empleo de plantas u organismos completos escapa a la definición de biotecnología, el uso de estas permitirá centrar su aplicación en áreas donde se tiene depósitos de relaves antiguos o en zonas urbanas caracterizadas por su alto grado de contaminación.