Hugo
Apaza Aquino

Resumen

Uno de los mayores problemas ambientales que se tiene es referente a los efluentes mineros con cianuro. Por su alto grado de toxicidad, ocasiona impactos altamente significativos en el ecosistema en general. A pesar de que existen diversas tecnologías para su tratamiento, la biorremediación es una alternativa potencial por ser amigable con el medio ambiente. En este trabajo se tiene como objetivo principal analizar los principales microorganismos empleados para llevar a cabo procesos de biorremediación de efluentes mineros con cianuro. Para esto se realizó una revisión de las distintas fuentes de información de microorganismos biorremediadores de cianuro.

Hallándose que se reportan una amplia diversidad de microorganismos que se pueden emplear como agentes biológicos potenciales para biorremediar el cianuro, entre las que sobresalen las del género de Pseudomonas y Bacillus; los principales factores que se debe tener en cuenta para lograr altas eficiencias son el pH, temperatura, nutrientes, concentración de la biomasa y concentración de cianuro. La biorremediación empleando microorganismos cada vez va tomando mayor posición para remediar contaminantes como el cianuro, pero aun así en el Perú faltan mayores estudios a nivel piloto y planta para demostrar su eficiencia que se logra a nivel laboratorio.

Palabras claves: Bacillus; Biorremediación; Cianuro; Minería de oro; Pseudomona.

Introducción

La actividad minera es de gran importancia en el desarrollo económico de muchos países en todo el mundo (Sosa y Argota, 2017 ), principalmente la extracción de minerales auríferos; debido a su alto valor comercial. Para la obtención de este metal precioso se realizan actividades que involucran técnicas de procesamiento (Gordillo, 2018 ), entre las principales técnicas se encuentra la lixiviación con cianuro, la cual se caracteriza por ser económica y de fácil manejo (Valenzuela, 2017); sin embargo, el cianuro es considerado como un elemento tóxico de acción rápida que provoca efectos irreversibles (Boadi et al., 2009 ) cuando se tiene un manejo inadecuado y falta de conocimiento sobre el peligro potencial que tiene sobre la salud de los seres vivos. Existen diversas tecnologías que se emplean para tratar el cianuro. Tecnologías que comprenden métodos químicos, electroquímicos, fotoquímicos y biológicos para eliminar el cianuro (Kuyucak y Akcil, 2013 ). En los últimos años cada vez más se está dando importancia a sistemas de trataLa biorremediación en los últimos años ha cobrado mayor interés; la biorremediación es el uso del metabolismo de microorganismos para eliminar contaminantes (Sharma, 2012 ), es un proceso natural (Lovasoa et al., 2017 ), una técnica eficiente y económica en la desintoxificación de los residuos de lixiviación de cianuro (Díaz y Caizaguano, 1999 ), además causa un impacto menos negativo al medio ambiente (Deloya, 2012 ). Los métodos aplicados en la biorremediación puede utilizarse en el lugar de la contaminación o en la contaminación retirada del lugar original (Sharma, 2012 ). El potencial de la tecnología de la biorremediación depende de la existencia de una población de bacterias que degradan el cianuro, la disponibilidad de cianuro como contaminante y factores ambientales (Lovasoa et al., 2017). Entre los principales factores a tener en cuenta son: pH, temperatura y la toxicidad de los contaminantes, a fin de garantizar una tecnología competitiva con las actuales estrategias de remediación química y física que se emplean para combatir la contaminación por cianuro (Baxter y Cummings, 2006 ).

La degradación de cianuro por microorganismos puede ocurrir tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas (Natarajan, 2018 ). Se ha demostrado que los microorganismos poseen una variedad de actividades catabólicas que pueden aprovecharse para remediar el cianuro y los nitrilos inorgánicos (Baxter y Cummings, 2006 ), debido a que estas utilizan el cianuro como fuente de carbono o nitrógeno, en la que lo asimilan, lo metabolizan y posteriormente lo degradan en porcentajes de hasta del 97 %; lo que podría indicar su efectividad y beneficio ambiental para este tipo de tratamientos (Cartagena, 2019 ). Para el tratamiento con microorganismos se aíslan generalmente a partir de residuos de cianuración industrial (Díaz y Caizaguano, 1999 ) o aislados de casi cualquier condición ambiental (Sharma, 2012 ). Entre los microorganismos que degradan el cianuro están: Streptococcus sp. (Cartagena, 2019 ), Pseudomonas fluorecens (Gordillo, 2018 ), Pseudomonas alcalófilas (Castillo y Vega, 2018 ), Pseudomonas pseudoalcaligenes (Zapata y Bermúdez, 2015 ), Klebsiella sp., (Copari et al., 2020 ).

Esta revisión tiene como objetivo principal analizar los principales microorganismos empleados para llevar a cabo procesos de biorremediación de efluentes mineros con cianuro, mediante la revisión de las distintas fuentes de información.

Materiales y Métodos

Especies seleccionadas

Se realizó una revisión exhaustiva de fuentes primarias de información, consultando bases de datos especializados en el área ambiental y de biotecnología. El criterio de selección para la búsqueda de información, en principio se realizó de acuerdo a las palabras clave asociadas al estudio. La calidad de los artículos seleccionados fue procesada mediante indicadores como el factor de impacto; así como la variabilidad, fiabilidad y validez de los artículos; considerándose la relevancia del tema en materia de biorremediación empleando microrganismos. En base a la revisión de la literatura científica existente se generaron tablas y gráficos a partir de fuentes de información primaria, realizando un contraste con los estudios preexistentes, para lo cual se empleó el paquete de Microsoft Office Word y Excel 2013.

Discusión

Empleo del cianuro para extraer el oro

Existen diversas tecnologías para extraer el oro, pero dentro de estas resalta la extracción con el cianuro. El cianuro ha sido utilizado en la extracción de metales desde el siglo XVII y actualmente se utiliza en la recuperación de oro en todo el mundo (Gutierrez, 2018 ). Esta sustancia química se emplea para extraer minerales de baja ley y mineral que no es de fácil tratamiento mediante procesos físicos convencionales como la trituración y la separación por gravedad (Saavedra, 2018).

La extracción de oro en el Perú principalmente es por la técnica de lixiviación, tal comose aprecia en la Figura 1. La lixiviación consiste en la disolución de oro del mineral molido en una solución diluida de cianuro que por lo general es NaCN oKCNen presencia de cal y oxígeno (Corilloca y Vargas, 2020 ); existen dos formas de procesamiento: la lixiviación en tanque y la lixiviación en pila Logsdon et al. (2001).

Efectos en la salud por exposición al cianuro

El cianuro de hidrógeno y las sales alcalinas de cianuro pueden entrar al cuerpo por inhalación, ingestión y absorción a través de la piel (Egekeze y Oehme, 1980 ; Estrada et al., 2019; Kuyucak y Akcil, 2013 ). Estos compuestos cianurados son venenos muy activos y de acción rápida,

Figura 1. Tecnologías empleadas y producción de oro por las diversas minerías de oro en Perú. Elaborado en base a los datos de MINEM (2020).

la gravedad de los efectos sobre la salud depende del tiempo de exposición y la dosis principalmente (Candeias et al., 2019 ; Kuyucak y Akcil, 2013 ). De acuerdo a ATSDR(2006) ”el cianuro produce efectos tóxicos a niveles iguales o mayores de 0; 05 miligramos de cianuro por decilitro de sangre (mg/dL), y casos fatales a niveles de 0; 3 mg/dL”. Si la exposición es breve, pero en concentraciones altas, se genera daños cerebrales y cardíacos; si la exposición se da por un largo tiempo, a concentraciones bajas, se pueden presentar: dificultad para respirar, vómito, dolor de cabeza, alteraciones en la sangre seguido de convulsiones y pérdida de conocimiento, el ingreso del cianuro a la piel es más lento y al estar en contacto directo produce irritación, llagas y úlceras, siendo un riesgo potencial para las personas que lo manipulan constantemente (Agudelo et al., 2010 ; ATSDR, 2006; Candeias et al., 2019 ).

Tratamientos para tratar cianuro

Con el trascurrir del tiempo se han desarrollado diversas tecnologías para eliminar el cianuro que incluyen métodos químicos, biológicos, electroquímicos y fotoquímicos (Kuyucak y Akcil, 2013 ). Entre los tratamientos químicos se tienen: Cloración alcalina, proceso de oxidación del peróxido de hidrógeno (Gaviria y Meza, 2006 ; Kuyucak y Akcil, 2013), proceso SO2/Aire (INCO), procesos de precipitación de hierro/cobre, procesos de precipitación de sulfuro de hierro (FeS), Sulfidización-Acidificación-Reciclaje-Espesamiento (SART), proceso de acidificación y recuperación de cianuro, acidificación-volatilización-regeneración (AVR) o proceso Mills-Crowe para la recuperación de cianuro Kuyucak y Akcil, (2013). Por su parte, el tratamiento de oxidación fotocatalítico es una tecnología que asegura la destrucción de cianuro sin generarse compuestos intermedios extremadamente tóxicos, como es el caso del cloruro de cianógeno en la cloración (Blanco et al., 2001 ). A pesar de existir diversas tecnologías, cada una tiene sus ventajas y desventajas; por ejemplo, el compuesto oxidante peróxido de hidrógeno tiene un 92; 7 % remoción de cianuro libre en 45 minutos y la remoción de cianuro por el método biológico alcanza el 73; 7 %(Jumbo y Nieto, 2014 ). En los últimos años se ha dadomayor énfasis en encontrar soluciones más ecoamigables. Una de estas tecnologías es el mecanismo enzimático y bioquímico que tiene por objetivo generar una reacción química para transformar el cianuro a cianato no tóxico (Gupta et al., 2010 ).

Biorremediación del cianuro

La biorremediación del cianuro es un método de tratamiento ampliamente estudiado debido a que las especies vegetales y microorganismos tienen la capacidad para degradar los compuestos simples y complejos del cianuro, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas (Akcil y Mudder, 2003 ; Boucabeille et al., 1994 ), convirtiéndolos en otros compuestos menos tóxicos y más estables que tengan niveles ambientalmente aceptables (Akcil y Mudder, 2003; Deloya, 2012; Lovasoa et al., 2017 ). Es por ello que este método es considerado respetuoso con el ambiente y rentable desde el punto de vista económico (Botz et al., 2016 ).

Los microorganismos que llegan adaptarse a condiciones en las que está presente el cianuro, logran degradarlo. Razanamahandry et al. (2016) mencionan que los microorganismos que biodegradan el cianuro tienen sistemas enzimáticos específicos que les permiten desarrollarse en ambientes con alta concentración de cianuro, las bacterias utilizan este compuesto como nutriente para su crecimiento, ya sea como fuente únicamente de nitrógeno o también de carbono (Bouari, 2012 ). Existen bastantes microorganismos con esta capacidad de biodegradar, pero entre las que más destacan, son las especies y géneros que se muestra en la tablas 1 y 2.

Pero cuando se realiza procesos de biorremediación se debe tener en cuanta algunos factores; la temperatura, el pH, el oxígeno, la disponibilidad de nutrientes y la concentración del cianuro son los principales factores que se deben tener en consideración en el proceso de biorremediación para garantizar una correcta eficiencia (Deloya, 2012 ; Singh et al., 2018 ). La biorremediación puede aplicarse a gran escala y en presencia de diferentes contaminantes cianurados, ya sean líquidos y/o gaseosos (Lovasoa et al., 2017 ); sin embargo, la elección de un solo género de microorganismo o mixto es importante, por las ventajas que tiene utilizar un consorcio de especies bacterianas (Jandhyala et al., 2005 ).

Bacterias biorremediadoras de cianuro

La biorremediación por bacterias se da en la conversión de los contaminantes orgánicos solubles en energía, masa celular y otros subproductos menos tóxicos (Akcil y Mudder, 2003 ). La biodegradación del cianuro por las bacterias degradadoras de cianuro, se aíslan de las aguas residuales de la minería y de las aguas residuales que contienen tiocianato (Razanamahandry et al., 2019 ); también pueden ser aislados de casi de cualquier condición ambiental Sharma (2012). El potencial de la biorremediación depende de la existencia de una población de bacterias que degradan el cianuro, la disponibilidad del cianuro como contaminante y factores ambientales (Lovasoa et al., 2017 ): como el pH, temperatura, la toxicidad de los contaminantes (Baxter y Cummings, 2006 ) y oxígeno (Deloya, 2012 ). A partir de ello se puede desintoxicar el cianuro a niveles ambientalmente aceptables y en subproductos menos dañinos (Akcil y Mudder, 2003).

Tabla 1. Degradación de cianuro por bacterias según género

Nº	Géneros de bacterias	Formas de cianuro	Remoción de cianuro	Tiempo	Referencia
1	Halomonas	Cianuro	75 %	96 h	(Khamar et al., 2015)
2	Pseudomonas	Cianuro	-	-	(Akcil y Mudder, 2003)
3	Bacillus	Cianuro	97 %	15 días	(Cornejo, 2016)
4	Alcaligenes	Cianuro	97 %	15 días	(Cornejo, 2016)
5	Rhodococcus	Cianuro	97 %	15 días	(Maniyam et al., 2019)
6	Lactobacillus	Cianuro	-	-	(Gupta et al., 2018)
8	Clostridium	Cianuro	-	-	(Gupta et al., 2018)
9	Cellulomonas	Cianuro	-	-	(Gupta et al., 2018)

Tabla 2. Degradación de cianuro por bacterias según especies

Nº	Géneros de bacterias	Formas de cianuro	Remoción de cianuro	Tiempo	Referencia
1	Pseudomonas sp.	Cianuro	>1 ppm	70 h	(Akcil y Mudder, 2003)
2	Pseudomonas putida	Cianuro	80; 60 %	48 h	(Singh et al., 2018)
3	Pseudomonas stutzeri	Cianuro	80; 60 %	48 h	(Singh et al., 2018)
4	Pseudomonas aeruginosa	Cianuro	87 %	15 días	(Agudelo et al., 2010)
5	Pseudomonas aeruginosa	Tiocianato libre	78 %	200 h	(Mekuto et al., 2016)
6	Pseudomonas fluorescens	Cianuro	98 %	236 h	(Restrepo et al., 2006)
7	Pseudomonas pseudoalcaligenes	Cianuro	78; 60 %	240 h	(Jumbo y Nieto, 2014)
8	Pseudomonas alcalófilas	Cianuro	34 %	54 h	(Castillo y Vega, 2018)
9	Thiobacillus sp.	Tiocianato y cianuro libre	79 - 98 %	150 h	(Mekuto et al., 2017)
10	Thiobacillus ferrooxidans	Cianuro	79 %	15 días	(Agudelo et al., 2010)
11	Serratia sp.	Tiocianato y cianuro libre	>99; 9 %	7 días	(Mekuto et al., 2017)
12	Bacillus sp.	Cianuro libre	89; 50 %	8 días	(Mekuto et al., 2013)
13	Bacillus safensis	Cianuro libre	44; 30 %	48 h	(Mekuto et al., 2013)
14	Bacillus pumilus	Cianuro	70 %	3 días	(Vargas-Serna, 2020)
15	Bacillus lichenformis	Cianuro libre	44; 30 %	48 h	(Mekuto et al., 2013)
16	Bacillus tequilensis	Cianuro libre	44; 30 %	48 h	(Mekuto et al., 2013)
17	Rhizobium sp.	Cianuro	85; 37 %	72 h	(Calle Del Aguila, 2017)
18	Trichoderma spp	Cianuro	95; 50 %	15 días	(Arévalo, 2018)
19	Halomonas sp.	Cianuro de sodio	33; 97 %	7 días	(Calixto, 2018)
20	Streptococcus sp.	Cianuro	91 %	-	(Cartagena, 2019)

Proceso de biodegradación del cianuro

Para la degradación del cianuro, los microorganismos producen los cofactores necesarios que catalizan las vías de degradación; la perinat es uno de los cofactores para la degradación del cianuro (Mahendran et al., 2020 ). Existen cinco vías diferentes en la biodegradación del cianuro; como la vía hidrolítica, la vía oxidativa, la vía reductora, la vía de sustitución y la vía de síntesis (Khamar et al., 2015 ). Las primeras tres vías siguen la conversión de cianuros en moléculas simples (orgánicas o inorgánicas) y otras dos vías se ocupan de la utilización de cianuro como fuente de carbono y nitrógeno (Mahendran et al., 2018 ). En la figura 2 se aprecia una representación básica sobre el mecanismo de asimilación del cianuro en el microorganismo. De acuerdo a Botz et al. (2016), mencionan que mediante el proceso aeróbico, el cianuro, el tiocianato, el nitrito y el amoníaco se oxida a nitrato; mientras que en el proceso anaeróbico, el nitrato y el nitrito se eliminan como gas nitrógeno.

Tabla 3. Eliminación de constituyentes en procesos biológicos aeróbicos y anaeróbicos

Tratamiento biológico aeróbico	Tratamiento biológico anaeróbico
Cianuro	Nitrato
Amonio	Nitrito
Tiocianato	Metales
Nitrito
Metales
Fuente: Botz et al. (2016)

Biorreactores

Uno de los principales aspectos a tener en cuenta en los procesos de biorremediación es la configuración del biorreactor. Los biorreactores consisten en una gran cámara donde ocurren reacciones bioquímicas en condiciones ambientales controladas para obtener importantes compuestos biológicos (Jaibiba et al., 2020 ), a través de las cuales se da la conversión de los compuestos de alimentación en productos de biotransformación deseados o en compuestos menos dañinos para el ambiente (Kumar et al., 2020). Los biorreactores que son utilizados para el proceso de degradación del cianuro y sus compuestos están diseñados para proporcionar un ambiente adecuado que garantice las condiciones óptimas para el desarrollo de los microorganismos Copari et al. (2020); Jaibiba et al., 2020.

Los tipos de biorreactores que se emplean según ; Jaibiba et al., 2020 incluyen: biorreactores aeróbicos, biorreactores anaeróbicos, biorreactores de flujo pistón, biorreactores de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente, fotobiorreactores, biorreactores de membrana inversa, biorreactores de membrana sumergida, biorreactores de lecho fluidizado, biorreactores de lecho empacado, biorreactores de lodo activado, biorreactores de membrana y biorreactores de células inmovilizadas.

Los biorreactores batch o discontinuos se utilizan para las reacciones llevadas en el laboratorio (Gómez, 2010). En su funcionamiento no existe flujo de entrada ni de salida, simplemente es un biorreactor con un agitador que homogeniza la mezcla (Muñoz, 2009 ) tal como se aprecia en la figura 2. En cambio, los biorreactores continuos rara vez se utilizan en laboratorios Gómez (2010); el funcionamiento se basa en una entrada y salida de un flujo de materia de forma continua durante todo el período de operación Grau (1999).

Figura 2. Configuración básica de reactores. (A) Reactor régimen batch y (B) reactor de régimen continuo.

Factores a controlar en el proceso de biorremediación

En los procesos de biorremediación es determinante controlar los factores como la composición del medio, concentración inicial de cianuro, adición de sustratos, pH, temperatura, oxígeno y tiempo; de estos dependerá la eficiencia del proceso de biorremediación del cianuro. Los biorreactores se caracterizan por una alta eficiencia de degradación porque realizan el monitoreo y el control de estos parámetros que son muy importantes; para ello se utilizan sensores y elementos de control incorporado ( Abraham et al. , 2017; Mekuto et al., 2017 ), ya que de estos depende el rendimiento óptimo del proceso. De acuerdo a Lovasoa et al. (2017) las condiciones óptimas de temperatura oscilan entre 25 a 50 °C; pero la mayoría está alrededor de 30 °C para bacterias y 43 °Cpara hongos. En cuanto al valor depHoscila entre 5; 2 a 10; 5 para bacterias y 6 a 8; 5 para hongos. Por otra parte, para la especie de Klebsiella sp. se comprobó que presenta una excelente biodegradación de cianuro entre 25 a 35 °C, en concentraciones iniciales de cianuro de 100 a 500 ppm y que crece a unpHneutro y alcalino (Khamar et al., 2015; Razanamahandry et al., 2016 ). No todas las condiciones de trabajo son iguales, por eso es importante optimizar los factores mencionados en base a modelos y experimentos in vitro e in situ.

Ventajas y desventajas de la biorremediación con microorganismos

Las ventajas que presentan la biodegradación del cianuro son más económicas por cuanto no se requiere de reactivos químicos. Es un método sencillo, causa un impacto menos negativo al medio ambiente, ya que se basa en la acción de microorganismos autóctonos. Siendo un proceso natural de gran sencillez con modificaciones ambientales (Deloya, 2012 ) y es una técnica eficiente en la desintoxicación de los residuos de lixiviación de cianuro (Díaz y Caizaguano, 1999 ). Por otro lado, las desventajas de este tipo de tratamiento es que presenta un proceso lento que es difícil de optimizar y controlar en tratamientos in situ a gran escala (Srivastava, 2021 ).

Conclusiones

Existen diversas tecnologías para tratar los efluentes mineros con cianuro, pero la biorremediación va tomando mayor importancia por los resultados que se obtienen y porque es una tecnología amigable con el medio ambiente. Hay una amplia diversidad de microorganismos que se pueden emplear como agentes biológicos potenciales para biorremediar el cianuro, entre las que sobresalen las del género de Pseudomonas y Bacillus. Trabajar con microorganismos resulta complicado si no se tiene experiencias preliminares principalmente por los factores que se debe tener en cuenta para lograr altas eficiencias como pH, temperatura, nutrientes, concentración de la biomasa y concentración de cianuro; por eso son importanten los procesos de acondicionamiento y adaptación de los microorganismos que se vayan a emplear con la finalidad de optimizar el proceso acorde a las condiciones propias del lugar de estudio; razón por la que se opta por trabajar con microorganismos nativos, aminorando de esta manera el tiempo requerido para establecer las condiciones óptimas de los factores a operar. Los microorganismos tienen gran capacidad para remediar este tipo de efluentes, pero aún así, es una tecnología limitada, debido al tiempo que tarda y por el volumen de efluente que se trata.

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Acerca

La revista de investigación Aporte Santiaguino es una publicación científica de periodicidad semestral. Tiene como objetivo difundir los resultados de los trabajos de investigación desarrollados en los ámbitos regional, nacional e internacional, como una contribución a la solución de la problemática natural, social y cultural, La revista publica artículos científicos originales e inéditos en las Ingenierías. Los trabajos recepcionados son evaluados por árbitros externos según criterios de calidad.