Biomineralización de un medio poroso en un modelo de acuífero utilizando un consorcio microbiano reductor de sulfato en presencia de agua de barrera hidráulica de un tranque de relave

Abstract

Los acuíferos son formaciones geológicas subterráneas que almacenan gran parte del agua dulce líquida del planeta, y son uno de los principales reservorios hídricos para el suministro de agua potable y la producción de alimentos a nivel mundial. En la minería del cobre, los procesos de separación de los minerales de interés generan residuos que pueden contener elevadas concentraciones de sulfato y ciertos metales pesados, debido a la oxidación de los minerales que contienen cobre. Estos residuos, conocidos como relaves, son almacenados en estructuras llamadas “tranques de relaves”, con el fin de aislar del medioambiente los compuestos tóxicos presentes en estos residuos. Sin embargo, una de las fallas más comunes de estas estructuras corresponden a las filtraciones de su contenido acuoso, las cuales pueden percolar en el suelo y provocar la contaminación con sulfato de los acuíferos subyacentes al lugar donde se emplazan los tranques de relaves. Con el fin de controlar las filtraciones desde los tranques de relaves, en esta tesis se desarrolló un método para disminuir la permeabilidad por biomineralización, de un medio poroso empacado en un modelo de acuífero, utilizando un consorcio microbiano reductor de sulfato proveniente desde un microbialito del Lago Sarmiento (XII región, Chile). La biomineralización consiste en la estabilización de la estructura de un medio poroso por la precipitación de minerales de carbonato de calcio (CaCO3) inducida por microorganismos, lo que provoca la disminución de la conductividad hidráulica del medio poroso. La utilización de formiato como dador de electrones para la reducción microbiana de sulfato ha demostrado favorecer las condiciones para la precipitación de carbonatos respecto a otros dadores. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis fue maximizar el alcance de la biomineralización de un medio poroso empacado en un modelo de acuífero por efecto de la noculación y estimulación con medio de cultivo que contiene formiato de un consorcio microbiano reductor de sulfato. En el modelo de acuífero utilizado se logró la biomineralización de un medio poroso (arena de cuarzo) como resultado de la inoculación con un consorcio microbiano reductor de sulfato. La biomineralización fue la responsable de la reducción de la permeabilidad del medio poroso, la que produjo el aumento del tiempo de retención del trazador utilizado. Además, se encontró una concentración de formiato en el medio de cultivo suficiente para lograr el máximo alcance de la biomineralización del medio poroso en el modelo de acuífero. Esta concentración fue de 12 g/L, y provocó el enriquecimiento de las secuencias pertenecientes al género reductor de sulfato Desulfomicrobium en la comunidad microbiana adherida al medio poroso. Los resultados obtenidos en esta tesis constituyen el primer acercamiento reportado para la reducción de la permeabilidad de un medio poroso debida a la precipitación de minerales de CaCO3 inducida por microorganismos, con el fin de disminuir el desplazamiento de las aguas provenientes de las filtraciones de un tranque de relave. Además, constituyen un precedente clave para posteriores escalamientos del proceso que apunten a disminuir la permeabilidad del sedimento del subsuelo de un acuífero en un estudio de campo piloto.

Aquifers are underground geological formations that store an important fraction of the fresh water of the planet, and are one of the main hydric reservoirs for worldwide drinking water supply and foodstuff production. In copper mining, the separation processes of relevant mineral results in wastes that may contain high sulfate and heavy metals concentrations, due to oxidation of minerals that contain copper. This waste, known as mining tailings, are stored in structures called “tailings dams”, so as to isolate from the environment the toxic compounds found in this wastes. Nevertheless, one of the most common failures of this structures correspond to the leakage of their watery content, which can percolate in soil and cause sulfate contamination of aquifers underlying the site where tailings dam are placed. In order to control leakage from tailings dams, in this thesis, a method for reduce the permeability by means of biomineralization, of a porous medium packed in a model aquifer, using a sulfate-reducing microbial consortium from a microbialite of Lago Sarmiento (XII region, Chile), was developed. Biomineralization consists in the stabilization of structure of a porous medium by calcium carbonate (CaCO3) minerals precipitation induced by microorganisms, which decreases the hydraulic conductivity of porous medium. Utilization of formate, as electron donor by sulfate-reducing microorganisms, has proven to favor the conditions to carbonate precipitation with respect to other donors. Therefore, the main aim of this thesis was to maximize the extent of biomineralization of a porous medium packed in a model aquifer by effect of the inoculation and stimulation with culture medium containing formate of a sulfate-reducing microbial consortium. In the model aquifer used, the biomineralization of a porous medium (quartz sand) due to the inoculation of a sulfate-reducing microbial consortium was achieved. Biomineralization was responsible of the reduction of permeability of porous medium, and this provoked the increase of the time of residence of tracer used. Moreover, a formate concentration to achieve the maximal extent of biomineralization of the porous medium in the model aquifer was found (12 g/L). This concentration allowed the enrichment of sequences belonging to the sulfate-reducing genus Desulfomicrobium in microbial community adhered to porous medium. The results obtained in this thesis constitute the first reported approach for permeability reduction of a porous medium due to precipitation of CaCO3 minerals induced by microorganisms, with the purpose of reduce the displacement of water coming from leakage of tailings dam. Moreover, they constitute a key preceding for further scaling up of the process pointed to diminish the permeability of the sediment of subsoil of an aquifer in a field pilot study.