Biolixiviación de tierras raras provenientes de relaves mineros mediante el uso de bacterias solubilizadoras de fosfatos

Abstract

El crecimiento sostenido de la industria minera en Chile ha generado una gran cantidad de residuos acumulados en depósitos de relaves, los cuales contienen elementos de alto valor estratégico como las tierras raras (REEs). En este contexto, el relave Cauquenes, uno de los más antiguos del país, representa una oportunidad para transformar un pasivo ambiental en un recurso económico, especialmente si se consideran estrategias sostenibles para la recuperación de elementos de interés. En esta tesis se propuso evaluar el uso de bacterias nativas del relave Cauquenes como agentes para la solubilización de REEs mediante procesos de biolixiviación heterotrófica, poniendo especial énfasis en la producción de ácidos orgánicos y las posibles interacciones sinérgicas entre especies. Como resultados, se observaron condiciones ambientales extremas, como pH ácido y alta concentración de metales, en el relave, que se correlacionaron con una comunidad bacteriana de baja diversidad, dominada por géneros como Pseudomonas, Serratia, Burkholderia y Acidocella. Esta composición sugiere una estructura funcional adaptada a la presión abiótica del ambiente y con potencial para procesos de solubilización. Se aislaron 60 cepas no redundantes, principalmente pertenecientes a los filos Proteobacteria y Actinobacteria. La colección fue caracterizada morfológica y molecularmente, permitiendo seleccionar aislados candidatos para la solubilizar fosfato. A partir de pruebas de solubilización de fosfato en medio PVK, dos aislados, Pseudomonas alvandae y Pseudomonas rustica, mostraron halos de solubilización superiores al control positivo, así como alta viabilidad en matrices minerales del relave. En ensayos de biolixiviación, ambas cepas por separado lograron solubilizar elementos como Ce, La, Nd e Y en concentraciones significativamente superiores al control, con eficiencias totales de 8 y 9 veces mayor al control positivo. Estos resultados permiten confirmar la validez de la hipótesis tecnológica, estableciendo que bacterias nativas del relave Cauquenes pueden ser utilizadas efectivamente para biolixiviar REEs. Adicionalmente, se evaluó la producción de ácidos orgánicos como mecanismo principal de solubilización. Ambas cepas mostraron niveles comparables de ácido glucónico respecto al control, lo que coincide con la presencia de genes funcionales como gcd y el operón pqq, asociados a su biosíntesis. También se detectó producción de ácido acético, aunque en menor cantidad, y no se observó ácido málico. La dotación genética identificada respalda el perfil metabólico observado en los cultivos, conectando la capacidad biolixiviante con la producción activa de ácidos orgánicos. Se probaron formulaciones binarias entre los aislados más prometedores y se identificaron dos combinaciones con efecto sinérgico comprobado en medio sólido PVK: Formulación 1 (P. alvandae y Arthrobacter sp.) y Formulación 2 (P. rustica y Paenarthrobacter nicotinovorans). Estas formulaciones presentaron, mayor producción de ácido acético y mayores concentraciones de REEs extraídas en comparación con los cultivos individuales. Estos resultados evidencian que la acción combinada de especies filogenéticamente distintas, pero funcionalmente complementarias, puede potenciar la solubilización de REEs. No obstante, la hipótesis científica de esta tesis, que postulaba una sinergia basada en cercanía filogenética, no fue confirmada, ya que las formulaciones exitosas involucraron especies taxonómicamente distantes. En conjunto, esta tesis demuestra que el relave Cauquenes es un reservorio de bacterias, las cuales son capaces de adaptarse a condiciones geoquímicas extremas y de movilizar elementos de interés para la minería. El uso de bacterias nativas y formulaciones sinérgicas representa una estrategia prometedora para desarrollar tecnologías limpias orientadas a la recuperación de REEs desde relaves, abriendo nuevas posibilidades para la valorización de pasivos mineros en Chile.

The sustained growth of the mining industry in Chile has generated a large amount of waste accumulated in tailings deposits, which contain elements of high strategic value such as rare earths (REEs). In this context, the Cauquenes tailings deposit, one of the oldest in the country, represents an opportunity to transform an environmental liability into an economic resource, especially if sustainable strategies for the recovery of elements of interest are considered. In this thesis we proposed to evaluate the use of native bacteria from the Cauquenes tailings as agents for the solubilization of REEs through heterotrophic bioleaching processes, with special emphasis on the production of organic acids and possible synergistic interactions between species. As results, extreme environmental conditions, such as acid pH and high metal concentration, were observed in the tailings, which correlated with a low diversity bacterial community, dominated by genera such as Pseudomonas, Serratia, Burkholderia and Acidocella. This composition suggests a functional structure adapted to the abiotic pressure of the environment and with potential for solubilization processes. 60 non-redundant isolates were isolated, mainly belonging to the phyla Proteobacteria and Actinobacteria. The collection was morphologically and molecularly characterized, allowing the selection of candidate isolates for phosphate solubilization. From phosphate solubilization tests in PVK medium, two isolates, Pseudomonas alvandae and Pseudomonas rustica, showed solubilization halos higher than the positive control, as well as high viability in tailings mineral matrices. In bioleaching tests, both strains were able to solubilize elements such as Ce, La, Nd and Y in concentrations significantly higher than the control, with total efficiencies 8 and 9 times higher than the positive control. These results confirm the validity of the technological hypothesis, establishing that native bacteria from the Cauquenes tailings can be effectively used to bioleach REEs. Additionally, the production of organic acids was evaluated as the main mechanism of solubilization. Both strains showed comparable levels of gluconic acid with respect to the control, which coincides with the presence of functional genes such as gcd and the pqq operon, associated with its biosynthesis. Acetic acid production was also detected, although in smaller amounts, and no malic acid was observed. The identified genetic endowment supports the metabolic profile observed in the cultures, connecting the bioleaching capacity with the active production of organic acids. Binary formulations were tested among the most promising isolates and two combinations with proven synergistic effect were identified in solid PVK medium: Formulation 1 (P. alvandae and Arthrobacter sp.) and Formulation 2 (P. rustica and Paenarthrobacter nicotinovorans). These formulations presented higher acetic acid production and higher concentrations of extracted REEs compared to the individual cultures. These results show that the combined action of phylogenetically distinct but functionally complementary species can enhance the solubilization of REEs. However, the scientific hypothesis of this thesis, which postulated a synergy based on phylogenetic closeness, was not confirmed, as the successful formulations involved taxonomically distant species. Overall, this thesis demonstrates that the Cauquenes tailings are a reservoir of bacteria, which are able to adapt to extreme geochemical conditions and mobilize elements of interest for mining. The use of native bacteria and synergistic formulations represents a promising strategy to develop clean technologies oriented to the recovery of REEs from tailings, opening new possibilities for the valorization of mining liabilities in Chile.