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Nuestra especie carne y verduras. Otras comen hierro.

14 agosto, 2012

Hierro, o Fierro. Del latín ferrum, con el mismo significado.  Símbolo Fe. Número atómico 26. Metal de transición del grupo VII B. Peso atómico de 55’84. Densidad de 7874 kg/m3. Temperatura de fusión de 1535 °C. Temperatura de ebullición de 2750 °C. Vulnerable a la corrosión y oxidación. Quinto elemento más abundante en la corteza terrestre. Principal componente del núcleo del planeta, responsable de protegernos del viento solar. El hierro es un elemento químico muy importante para la vida humana y el metal por excelencia a la hora de crear aleaciones, destacando el magno acero. También componente de nuestra sangre y responsable de su rojo color, al formar parte de nuestra valiosa hemoglobina. Y para otras criaturas que pueblan este canoso planeta, el hierro es el menú del día.
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Para conocer al hierro como elemento químico creo que una buena recomendación es este artículo publicado en El Tamiz. Aunque se trata de uno de los elementos químicos más importantes de la corteza terrestre, rara vez se presenta solo, sino que suele ir acompañado de otros elementos. Ese es un fenómeno que conocemos bien… ¿Quién no ha visto materiales fabricados con hierro que se oxidan a la mínima? Ahí reside el por qué es raro ver hierro puro a la intemperie: se oxida muy fácilmente con el oxígeno dando lugar a óxido de hierro. De igual manera, en la corteza terrestre suele aparecer asociado a elementos químicos como el azufre y el oxígeno, formando parte de diversos minerales, como la pirita (FeS2), la calcopirita (CuFeS2) o la hematita (Fe2O3). Pero en esta entrada no hablaremos del hierro como elemento químico o de la belleza de los cristales que forman sus minerales. Sino que veremos al hierro como el alimento básico de un grupo de microorganismos. Porque por raro que parezca, hay seres que han convertido al hierro en algo comestible.

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África. La Fundición del Hierro y mitología asociada.

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La fundición y elaboración de artesanías de hierro en algunos lugares del mundo tiene, aún en fechas recientes, una manifiesta vinculación a mitos y creencias diversas, a menudo relacionadas con un poder que va más allá de lo humano. Al oeste de África, en Togo, la fundición debe ser preparada en una gran ceremonia ritual, que incluye la realización de libaciones y la incorporación de elementos animales y vegetales que son guardados en los muros de la fundición mientras que el herrero permanece desnudo. El simbolismo tiende indicar el deseo de la fijación de la naturaleza viva de todos esos elementos en la fundición, convirtiéndola en una entidad viva y mágica.

Las gentes de la tribu Fipa o Wafipa (Tanzania) decoran la fundición a la manera de una novia humana, para considerarla “casable”, mientras que el herrero se unta de arcilla roja actuando como si fuese a entrar en la noche de bodas. En ese sentido, el herrero está realizando una unión mágica con la fundición de modo que, simbólicamente, producirá descendencia. No es casualidad que los trabajadores del hierro estén sujetos a multitud de tabúes de tipo sexual mientras realizan su trabajo en la fundición.

En Etiopía existe la percepción de que el artesano del hierro realiza creaciones mágicas, estando su trabajo cargado de simbolismo. Donde el hierro, en ocasiones caído del cielo en forma de meteoritos, es visto allá como un material derivado de los cielos y convertido mediante un proceso que sería análogo a la alquimia en un producto final de gran valor. De ahí que mientras sus creaciones son producto de un proceso desconocido, los herreros forman una casta especial e intocable de conocimientos cerrados, protegida a sí misma al ser fuente y remedio de sortilegios muy arraigados y temidos en el folklore popular, como el llamado «mal de ojo».

Sacado de: Finneran N. 2003. Ethiopian Evil Eye Belief and the Magical Symbolism of Iron Working. Folklore 114 (3): 427-433

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Una dieta que ni Popeye

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Nuestra protagonista es una humilde bacteria llamada Acidithiobacillus ferrooxidans (antaño Thiobacillus ferrooxidans). Es una criaturita muy especial, aunque para algunos científicos no es una criaturita, sino que podrían ser cuatro o más especies de bacterias estrechamente emparentadas y con un modo de vida idéntico (ref. 22). Lo cual no sería raro, las bacterias son por lo general físicamente muy parecidas y monótonas, no destacando precisamente por su disparidad de formas y modelos. Se trata de una bacteria de tipo Gram (-) con aspecto de bacilo, cuyo tamaño habitual es de 0.5 – 0.6 micras de ancho y 1.0 – 2.0 micras de largo. Son bacterias que suelen asociarse en parejas y más raramente forman cortas cadenas. Como complemento poseen un único flagelo que les proporciona movilidad (ref. 3 y 14).

Dado que su aspecto no es nada destacable, lo que las hace fascinantes es su modo de vida. Su mundo ideal tiene algo en común con el nuestro: es preferible que tenga temperaturas moderadas tirando a altas, unos 33° C vienen de perlas, pero sobreviven bien en un rango situado entre los 20 y los 40° C. Pero el otro rasgo de su mundo ideal nos haría huir despavoridos: charcos de ácido sulfúrico concentrado, si tales charcos son tan ácidos como para derretir nuestra humana piel, mejor que mejor. No es ninguna broma, a pesar de que toleran un rango de pH entre el 1.5 hasta el 6.0, su pH ideal se sitúa entre 2 y 2.5. Muy alejado del nuestro, de hecho… ¿Qué tal les sentaría nuestro pH ideal, entorno a 7.0, a estas bacterias? Directamente, las mataría (ref. 14).

Un elegante ejemplar de Acidithiobacillus ferrooxidans visto con microscopio electrónico de transmisión. Escala: 500 nm. Crédito: Journal of Bacteriology (aquí en pdf).

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Y todavía más fascinante que su modo de vida es su dieta. Nosotros, como animales que somos, nos alimentamos de otros seres vivos, los consumimos para obtener la energía química y los materiales de construcción que necesitamos para crecer, vivir y multiplicarnos. Por su parte, las plantas convierten parte de la energía procedente de las radiaciones del Sol a un formato químico mediante un proceso llamado fotosíntesis; tal energía, ahora en un formato químico, les permite combinar los compuestos inorgánicos del aire y del suelo para fabricar los compuestos orgánicos que necesitan para crecer, vivir y multiplicarse. Ahora bien, nuestras bacterianas protagonistas ni consumen a otros seres vivos como los animales ni convierten la energía del Sol en energía química para fabricar compuestos orgánicos como las plantas. Tienen… otra forma de ganarse la vida.

Ya que ni devoran compuestos orgánicos ni utilizan la luz del Sol deben de tener otra forma de obtener energía. Dicha fuente energética son ciertos minerales que pueblan la corteza terrestre. Para Acidithiobacillus ferrooxidans este mineral es uno de los más abundantes, es el llamado “oro de los locos”, “oro de los tontos” u “oro de los pobres”: el sulfuro de hierro (II), de fórmula química FeS2 y cuyo nombre más famoso es el de pirita. Este mineral es una de las más importantes menas de hierro, además de formar preciosos cristales en forma de cubos metalizados que no pueden faltar en ninguna colección de minerales digna de mención (ref. 14).

Desde hace más de medio siglo se conoce la capacidad de esta bacteria para devorar la pirita, tanto de forma directa como indirecta. En el mecanismo directo son las propias bacterias las que se adhieren al mineral, aprovechándose de las imperfecciones, roturas y fracturas que presenta; también emplea una especie de pegamento formado por unas sustancias llamadas «lipopolisacáridos» para adherirse con firmeza (ref. 4 y 8). De modo que una vez adheridas y por mecanismos aún en investigación, estas bacterias usan el agua y el oxígeno de su entorno para romper la pirita (FeS2) y convertirla en ión ferroso y ácido sulfúrico (ref. 3 y 18). La ecuación química del proceso es la siguiente:

FeS2 + H2O + 7/2 O2 → Fe2+ + 2SO42- + 2H+

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El proceso descrito anteriormente sucede de forma natural, tanto en yacimientos ricos en minerales con filtraciones de agua como en minas abandonadas. Pero es extraordinariamente acelerado por estas bacterias. Por su parte, el mecanismo indirecto por el cuál diluye la pirita también es interesante, ya que esta bacteria convierte al ión ferroso (Fe2+), que no es sino un átomo de hierro al que le faltan dos electrones; en ión férrico (Fe3+), que no es sino un átomo de hierro al que le faltan tres electrones. Y aunque parezca que el cambio es leve, no lo es químicamente hablando. Ya que el ión férrico, en cantidades suficientes, permite que de forma natural la pirita poco a poco se vaya convirtiendo por sí sola en ión ferroso y ácido sulfúrico (ref. 3 y 18). Esta vez, la ecuación química del proceso es la siguiente:

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO4 2- + 16 H+

Izquierda, botellita con ácido sulfúrico (H2SO4), créd.: wiki. Derecha, cristales de sulfuro de hierro (II) cuya fórmula química es FeS2 y su nombre como mineral es pirita, créd.: wiki

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Visto esto no extraña que la bacteria viva nadando en ácido sulfúrico concentrado ¡Si es que lo fabrica por sí misma! Pero… ¿Por qué la bacteria haría eso? ¿Es que le mola el riesgo? No realmente, tal tarea es “simplemente” su medio para ganarse la vida.

Primero necesita disolver la pirita para disponer de ión ferroso (Fe2+) en grandes cantidades, para luego convertir este ión ferroso en ión férrico (Fe3+). Como ya dijimos, si el primero es un átomo de hierro al que le faltan dos electrones y el segundo es un átomo de hierro al que le faltan tres electrones, quiere decir que el átomo de hierro ha perdido un electrón (e) por el camino. La pérdida de un electrón es un proceso llamado oxidación; pero la gracia del asunto reside en que el electrón (e) no está perdido por algún lugar de La Mancha, sino que dicho electrón ha sido robado por la bacteria. Por lo tanto, la bacteria ha oxidado al hierro (ref. 3 y 18). Por esa razón esta bacteria se llama ferrooxidans, es la “oxidadora de hierro”.

Fe 2+ → Fe 3+ + e (electrón)

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Esto nos abre una ventana para ver un proceso aún más maravilloso: la historia de ese electrón robado por la bacteria. Aunque dicha historia aún está en pleno estudio, los microbiólogos y bioquímicos han logrado un mapa general que merece la pena comentar. Como ya hemos dicho, estas bacterias viven en un medio extremadamente ácido y… ¿Alguna vez os habéis preguntado qué es realmente la acidez?

Todos los ácidos son moléculas que disueltas en agua se rompen muy fácilmente liberando protones. Un ácido débil libera protones pero también los vuelve a capturar con relativa facilidad. Un ácido fuerte libera protones pero no los volverá a recoger, estos protones libres y sin ataduras se presentan como H+. Esa es también la razón por la que un ácido nos quema y un ácido muy concentrado nos derrite: ese ácido está a reventar de protones (H+), hay tantos que están reaccionando con las moléculas que componen nuestro cuerpo, haciendo que se desprendan, que pierdan su forma y su función, y/o provocando su conversión en otras moléculas que no forman parte de nosotros.

disociación (“ruptura”) del ácido sulfúrico:   H2SO4 → SO42- + 2H+ (dos protones)

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Pero por lovecraftiano que parezca, Acidithiobacillus ferrooxidans ha aprendido a usar la acidez a su favor. Su primera gran victoria es conseguir crear dos mundos: un mundo exterior donde gobierna el ácido concentrado y un mundo interior habitable. Sí, mientras que su entorno es un infierno de pH 2 – 2.5, el interior del cuerpito unicelular de Acidithiobacillus tiene un pH de 6.5 (próximo al nuestro). Esto crea una diferencia de acidez de al menos cuatro puntos entre el interior y el exterior de la célula, lo que viene a significar que fuera de la célula hay una densidad de protones libres diez mil veces mayor que dentro de la célula. Es una diferencia bárbara, tiene que haber algo impidiendo que esa marabunta de protones entre dentro de la célula. Y ese algo es la membrana que recubre el cuerpo de Acidithiobacillus, esta membrana actúa como una formidable presa o dique, reteniendo una espeluznante avalancha de protones que inundaría al interior celular, aniquilándolo cual cuatro jinetes del Apocalipsis (ref. 14 y 15). Pero todavía más…

¿Cuál es uno de los usos más pensados que les damos a las presas hoy día? Para nosotros un gran embalse no solo es un almacén de agua, sino de energía: energía hidroeléctrica. El agua acumulada por la presa tiende a pasar al otro lado; si nosotros permitimos que el agua pase de forma controlada por unos canales provistos de turbinas, el agua en su movimiento hará girar las turbinas generando electricidad. Bien, nuestras bacterias han inventado algo parecido: se trata de una súper estructura formada por muchas proteínas diferentes, su nombre es «ATPasa» y básicamente es un híbrido entre canal y turbina. Su función es permitir el paso controlado de protones desde el exterior hasta el interior de la célula; y como sucede en las grandes hidroeléctricas, dicho movimiento genera energía, pero no de tipo eléctrico sino químico: una molécula rica en energía llamada ATP. Dicha molécula es la que todos los seres celulares emplean en los procesos que requieren energía (ref. 15).

La ATPasa de Acidithiobacillus ferrooxidans. Tenemos un exterior lleno de protones (pH=2) y un interior con pocos protones (pH=6.5). Los protones tienden a entrar, el permitir esto de forma controlada logra que se pueda fabricar ATP fácilmente. Crédito: (ref. 15)

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¿Pero si entran muchos protones dentro de la célula no subirá la acidez a niveles alarmantes y se producirá el desmadre? Sí. Y para eso tenemos el hierro. Como ya comentamos, la bacteria convierte al ión ferroso (Fe2+) en ión férrico (Fe3+), robándole un electrón en el proceso. Este electrón entra en otra súper-estructura formada por muchas moléculas diferentes y que se llama «cadena de transporte de electrones». Como si estuvieran en un PinBall gigante, los electrones se moverán a lo largo de la «cadena de transporte de electrones» hasta toparse con una molécula llamada «citocromo oxidasa tipo-aa3». Esta molécula es la repanocha. Lo que hace es agenciarse dos electrones robados al hierro y un par de esos protones que entraron del mundo exterior para generar ATP. Si a un protón le sumas un electrón tienes hidrógeno, pero como el hidrógeno no es un gas de fiar la bacteria hace algo más molón todavía (ref. 15).

Lo que hace la molécula «citocromo oxidasa tipo-aa3» es tomar dos electrones robados del ión ferroso, dos de esos protones que pasaron a nuestro lado para fabricar ATP y también toma oxígeno del que hay en el entorno. Con todo ello fabrica una molécula de agua. Sí, lo que hace la bacteria es utilizar los electrones robados del hierro para convertir los pérfidos protones en parte de la más inocente de las moléculas: agua, H2O. Y menos mal que el agua no tiene memoria porque sus orígenes son un tanto violentos, podría terminar traumatizada (ref. 15).

Así que resumiendo un poco bastante, puede afirmarse que la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans es más lista que el hambre. Convierte la pirita, el sulfuro de hierro (II), en ión ferroso y ácido sulfúrico. Por un lado el ácido sulfúrico le viene de perlas porque es su hogar y además genera ese mundo exterior infernal rico en protones, infierno que aprovecha para generar ATP by the face. Y además libera ión ferroso, que va genial para oxidarlo, robándole los electrones necesarios para reconvertir los peligrosos protones que entran en su interior en inocentes moléculas de agua. No lo he mencionado, pero también puede conducir tales electrones por otra vía con el fin de fabricar NADH, otra molécula básica y fundamental para sostener la bioquímica de la célula (ref. 15).

La «cadena de transporte de electrones» de Acidithiobacillus ferrooxidans. A la izquierda la ruta para generar NADH, una molécula indispensable para convertir materia inorgánica en materia orgánica. A la derecha la ruta para convertir los peligrosos protones en inocuas moléculas de agua. Crédito: (ref. 15)

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¡Pero! Estas bacterias cuentan con otra fuente de energía: el azufre. Por eso se llaman Acidithiobacillus, ya que «thio» es un término griego que hace referencia a dicho elemento, son los “bacilos ácidos del azufre”. Y en este caso la bacteria también hace uso de la «cadena de transporte de electrones» y de algún otro elemento. Los científicos aún no han aclarado pormenorizadamente el cómo utilizan el azufre, pero a rasgos generales el proceso es el que sigue: tras la ruptura de la pirita el azufre se presenta con un electrón de sobra, por lo que debe perder dicho electrón. Para ello puede reaccionar con el oxígeno y terminar originando ácido sulfúrico, o bien puede terminar formando azufre purificado; la cuestión importante es que con ello el electrón sobrante ha sido robado por la bacteria, ha circulado por su «cadena de transporte de electrones» y ha ido a parar a las «citocromo oxidasa», moléculas que han utilizado dicho electrón para, nuevamente, convertir a los malvados protones en buenas moléculas de agua (ref. 16).

La «cadena de transporte de electrones» de Acidithiobacillus ferrooxidans. A la izquierda la ruta para generar ácido sulfúrico y a la derecha para generar azufre puro. Otra forma de convertir los peligrosos protones en inocuas moléculas de agua. Crédito: (ref. 16)

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Un hogar de otro mundo

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Por su modo de vida son bacterias que viven en ambientes peligrosos. Quizás uno de los lugares más chungos del planeta es la «Iron Mountain Mine», un importante sistema minero localizado en el estado de California (USA). Siendo explotadas entre 1860 y los años ‘60, hoy albergan más de diez kilómetros de galerías y túneles subterráneos bastante peligrosos. Es llamada “Montaña de Hierro”, pero más que eso es un yacimiento masivo de sulfuros, minerales que incluyen azufre en su composición. También fue fuente de diversos metales como plata, oro, cobre, hierro y zinc, siendo el mineral más importante de dicha mina la pirita. Pero no solo es un lugar peligroso porque como en toda mina existe el intrínseco peligro de galerías sumidas en las tinieblas en constante riesgo de derrumbamiento. Sino porque existen filtraciones de agua que disuelven los compuestos de azufre allí presentes, haciéndolos reaccionar de diversas formas y generando charcos de ácido sulfúrico altamente concentrado. Por ello dicha mina cuenta con algunos de los puntos más ácidos del mundo ¡Alcanzando un pH negativo de hasta -3.5! (ref. 5 y 18).

Aún así en dicha mina prospera la vida. Cuenta con pequeñas zonas de drenaje internas, con una temperatura entre 42 y 48° C, cuyo pH oscila entre 0.4 y 0.6 ¡Extremadamente ácido! Pues bien, a pesar de ser charcos de ácido concentrado en ellos crece vida microbiana. Y abundantemente: 2.5 x 105 células por cada mililitro de medio líquido, 4.2×106 células en cada mililitro de sedimentos y hasta 1.6×109 células/ml en las colonias formadas por los microbios en tales charcos, es decir, hasta 1.600.000.000 células en cada mililitro de colonia. Pero no eran nuestras bacterias comedoras de hierro quienes vivían en tales ambientes, sino otros grupos bacterianos (ref. 18).

Nuestras bacterias más bien colonizan ambientes fronterizos a tales charcos de ácido concentrado y altas temperaturas. Se conforman con ambientes de ácido sulfúrico un poquín menos concentrado y temperaturas más moderadas (pH > 1.3 y temperaturas de 30° C más o menos) (ref 18). Pero Acidithiobacillus ferrooxidans no vive sola, se une a otras bacterias, siendo la más importante Leptospirillum ferrooxidans. Otra bacteria interesante de aquellas comunidades es Acidithiobacillus caldus así como la arquea Ferroplasma acidarmanus. Tales criaturas forman grandes asociaciones llamadas consorcios en las que los compuestos producidos por unas son aprovechados por otras. Los consorcios pueden llegar a ser muy grandes, llegando a formar grandes masas de bacterias aglomeradas por sustancias mucosas, de modo que cuando son visibles a simple vista se las llama biopelículas o películas bacterianas, ocasionalmente parecidas a largos filamentos que crecen a modo de alga en torrentes de ácido. Sobre estas películas pueden crecer algunos hongos y también son zona de pastoreo para otros microbios como los protozoos, aunque solo para aquellos adaptados a tales entornos únicos (ref. 5).

La «Iron Mountain Mine» de California (USA), con sus escombreras mineras (izquierda) y películas bacterianas creciendo en charcos de ácido concentrado en el interior de la mina (derecha). Crédito: Phisical and Life Sciences & CDSTC

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Realmente Acidithiobacillus ferrooxidans es una bacteria con una amplia distribución que aparece haya donde la minería haya hecho estragos. Estos son suelos muy contaminados por metales pesados, por lo que no es de extrañar que nuestra protagonista haya desarrollado una tolerancia elevada a tales tóxicos, pudiendo aguantar altas dosis de aluminio, cobalto, hierro, manganeso, níquel, zinc e incluso dosis muy peligrosas de arsénico (ref. 10 y 16). Por ello también encontramos a estas comunidades de microbios, incluyendo a nuestra protagonista, en río Tinto (Huelva, España), otro lugar extremo (aunque no tanto como «Iron Mountain Mine») que nace de Peña de Hierro, un importante yacimiento metalífero explotado con avaricia durante 5000 años (ref. 9 y 12).

Es un río rico en metales disueltos (hierro, cobre, zinc), compuestos de azufre y muy ácido, con un pH entre 1.7 y 3.1. Es un ambiente tan agresivo que en él solo crecen microbios. La base del ecosistema se sostiene por algas microscópicas, incluyendo euglénidos (Euglena mutabilis), diatomeas, algas verdes (Chlamydomonas, Klebsormidium o Zygnema), cianobacterias; y por nuestras bacterias, Acidithiobacillus ferrooxidans junto a Leptospirillum ferrooxidans. Gracias a los productos sintetizados por estos organismos, prosperan otras bacterias (Acidophilum o Bacillus) así como algunas especies de hongos y diversos tipos de protozoo. También aparecen algunas arqueas, organismos microscópicos unicelulares que no son ni bacterias ni eucariotas sino otra cosa distinta, incluyendo algunas muy parecidas a Thermoplasma y Ferroplasma (ref. 9 y 12).

Aparte de las altas concentraciones de metales pesados y la extrema acidez, estas bacterias además pueden añadir a sus hazañas el sobrevivir en antiguas regiones mineras dedicadas a la extracción de uranio, donde en las escombreras las emisiones de radiación pueden oscilar entre 200 y 1000 nGy/h o incluso algo más, muy superior a las dosis a las que nosotros estamos expuestos, alrededor de ~40-50 nGy/h de media. Así se han hallado tanto en el interior de las minas de uranio de Alemania como en sus escombreras y residuos (algunas explotadas durante más de 40 años), donde se encuentran formando comunidades con muchas otras bacterias, incluyendo ciertos tipos de Pseudomonas (ref. 2, 11 y 17).

Estampa de río Tinto (Huelva, España). Nótese la gama de rojos (óxidos de hierro) y amarillo (precipitación de minerales de azufre). Así como el color del río en el que solo pueden vivir diversos microbios. Crédito: absoluthuelva

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Y una excusa clara para invertir en I+D+i

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Quizás todo lo contado hasta ahora parece cosa de frikis de la biología, de los amantes del mundo natural y de esos locos de bata blanca. Y apurando mucho, para personas poco interesadas en este mundillo lo contado llegaría al nivel de anécdota a contar en la barra del bar. Pero… la cruda realidad es que desde muy pronto, las investigaciones realizadas sobre esta bacteria, iniciadas por la innata curiosidad del ser humano, han dado lugar a una importantísima rama de la investigación enfocada sobre la industria metalúrgica, la minería y el tratamiento de residuos peligrosos y altamente tóxicos para todo lo que se mueva.

Hace ya muchos siglos (diría incluso que hace dos milenios como muy pronto) que los recursos naturales dejaron de ser fáciles de extraer. En este sentido, yo entiendo por fácil la posibilidad de conseguirlos sin necesidad de tecnología. Para el caso de la extracción de metales, diría que era muy simple conseguirlos cuando afloraban a flor de piel. Sin embargo, en el siglo XXI los metales y otros elementos valiosos por su interés industrial son extraídos como parte de parte de compuestos químicos mucho más complejos. Por lo que para acceder al metal es necesario romper dichos compuestos y eliminar los elementos sobrantes, con el objetivo de quedarnos con el metal purificado.

Este es un proceso complejo y muy caro energéticamente. Pero gracias a la investigación básica se vio que podría haber una forma de abaratar costes y simplificar enormemente el proceso de purificación. De ese modo, si por lixiviación (o «leaching» en lengua inglesa) entendemos la posibilidad de purificar metales desde su mineral o mena original, por biolixiviación (o «bioleaching» en lengua inglesa) entendemos la realización de este proceso usando microorganismos como Acidithiobacillus ferrooxidans. Hoy por hoy la industria metalúrgica ha desarrollado dos procesos básicos para extraer el metal de esta forma:

  • Pilas. Grandes acumulaciones del mineral objetivo situadas sobre una base impermeable. El objetivo es acumular dicho material y rociarlo con grandes cantidades de medio de cultivo con nuestra bacteria. De ese modo, el mineral empapado es colonizado por las bacterias y disuelto liberando el metal (tal y como hemos visto en las reacciones químicas donde, por ejemplo, queda libre el hierro de la pirita). Luego hay que recoger la sopa ácida resultante y recuperar el metal. En Chile la Sociedad Contractual Minera El Abra y  Codelco Division Radimiro Tomic producen así 225 mil y 180 mil toneladas de cobre respectivamente. Por su parte, en USA la empresa Newmont Mining facilita la extracción de oro con este método, abaratando costes de purificación (ref. 16).
  • Tanques. Otra posibilidad es utilizar enormes tanques (también llamados biorreactores) provistos de medio de cultivo con nuestro mineral disuelto y donde se crían titánicas cantidades de organismos. Es más caro, pero las cantidades obtenidas en semanas o meses por el procedimiento anterior, mediante este sistema se pueden conseguir en días. Claro que esto requiere un conocimiento exhaustivo del microbio para optimizar resultados y ha sido razón de gran inversión financiera para investigar la criatura… La mayor industria en este sentido se encuentra en el continente africano, en Ghana, donde se producen entre 55 y 960 toneladas diarias de oro concentrado cada día; mientras que en Uganda este sistema logra la extracción de 240 toneladas de cobalto (ref. 16).

Proceso de biolixiviación aplicado a la obtención de cobre a partir del mineral original. Crédito: Springer 2009

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Otro grave problema industrial reside en la rama de los combustibles. Petróleo, gas, carbón… todos ellos pueden albergar compuestos de azufre que cuando el combustible es quemado reaccionan con el oxígeno formando dióxido de azufre (SO2), un elemento altamente tóxico para el ser humano y que además puede tener graves consecuencias medioambientales, ya que al reaccionar con los gases de la atmósfera da lugar a ácido sulfúrico, el principal ingrediente de la lluvia ácida.

Por ello en esta industria es muy importante llevar a cabo la eliminación del azufre. Y una forma relativamente sencilla de conseguirlo es, nuevamente, mediante microorganismos como Acidithiobacillus ferrooxidans. El proceso en sí recibe el nombre de biodesulfuración. Con el carbón dicho proceso no parece haber sido llevado a escala industrial, pero hay varios experimentos de laboratorio que indican que a priori debe de ser posible (ref. 6 y 21). Por otro lado, con el gas natural también tiene posibilidades, trabajos realizados en China intuyen la posibilidad de usar a estas bacterias para limpiar de H2S el gas natural empleado en los hogares de China (ref. 1). Por su parte en Países Bajos ya existe una empresa llamada Dirkse Milieutechniek que ha desarrollado tecnología para disponer de tanques de biodesulfuración, es decir, de tanques donde crían los microbios encargados de eliminar los compuestos de azufre presentes en el gas natural.

Esquema y fotografía de una planta aplicada a la biodesulfuración de gas natural, es decir, a la eliminación de los compuestos de azufre del gas natural mediante el uso de microorganismos. Crédito: Dirkse Milieutechniek

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Otro problema son aquellas áreas donde residen suelos mineros abandonados, a causa de la actividad minera dichos suelos suelen ser extremadamente tóxicos, muy ricos en metales pesados que los hacen lugares donde pocas cosas pueden vivir y crecer, aparte de microorganismos. En este caso habría que buscar una forma de “descontaminar” el suelo, por lo que aquí es donde entran en juego nuestras bacterias y el proceso llamado biorremediación, por el cual entendemos la “descontaminación” de suelos por medios biológicos. Una parte de este proceso puede llevarse a cabo con bacterias como Acidithiobacillus ferrooxidans, aunque siempre es bueno combinarlas con muchas más para mejorar la eficiencia de la biorremediación. Una parte de ella puede realizarse gracias a una característica de estos organismos que es la bioacumulación: son capaces de acumular metales pesados en sus diminutos cuerpos, por lo que dichos metales dejan de existir en el suelo durante el periodo de vida de la bacteria, pudiendo ser recolectados por otra bacteria a la muerte de esta. De ese modo, la concentración de metales pesados puede reducirse rápidamente gracias a estos microbios (ref. 13 y 20).

El otro proceso que pueden realizar es lo opuesto del anterior. Ya lo vimos, se llama biolixiviación. Solo que esta vez no la vemos como una forma de purificar metales, sino de lavar (literalmente) el suelo de metales. La acción de estas bacterias es capaz de conseguir que los metales se puedan disolver el agua, sin ir más lejos conocimos al inicio de este artículo al ión férroso (Fe2+) y al ión férrico (Fe3+), dos formas solubles del hierro. Este mismo fenómeno también puede ser conseguido gracias al aumento de acidez que pueden causar estas bacterias. Por lo tanto, se puede tomar los lodos contaminados y limpiarlos de metales, estos metales purificados quizás puedan usarse en la industria, mientras que los lodos “limpios” pueden emplearse como fertilizantes en agricultura (ref. 7). Con este tratamiento quizás también puedan eliminarse el zinc y el aluminio de diversos residuos industriales caracterizados por su toxicidad (ref. 19). En sentido práctico, en Toronto (USA) existe una empresa llamada BacTech que ha incorporado la tecnología que ya hemos mencionado de la biolixiviación con diversos usos. Dos de sus fuentes de ingresos son la venta de tecnología para dicha tarea en zonas mineras activas y para la mejora de la captura de compuestos extremadamente tóxicos como el arsénico, todo ello trabajando con bacterias. Y además, también tiene otras ramas enfocadas en la limpieza de suelos contaminados y su reaprovechamiento.

Planta industrial diseñada para la biolixiviación en tanques, es decir, para la purificación de metales a partir de los minerales que estos contienen empleando para ello medios biológicos y aumentando el rendimiento mediante tanques de cultivo. Crédito: BacTech

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Y aquí lo dejamos. Ciertamente ha sido una entrada con bastante química (y espero que lo haya sido en ambos sentidos de la palabra). Hemos conocido una bacteria que vive gracias a la naturaleza propia de la acidez (una ingente cantidad de protones libres) y la oxidación del hierro, cuyos electrones usa para evitar un caos protónico en el interior de sus liliputienses cuerpos. Mas no solo es una extravagante criatura que vive en charcos de ácido concentrado, oxidando hierro y azufre, tolerando metales pesados y hasta uranio… Sino que también es extremadamente útil para la industria metalúrgica y la eliminación de compuestos tóxicos tanto en los combustibles como en las actividades mineras; luego van los creacionistas y dicen que la ciencia no vale para nada. Desde luego, una criatura fascinante como pocas que nos demuestra que sin ciencia básica no hay ciencia aplicada; y que sin inversión en investigación no hay beneficios para la nación. Llamativo… todo lo que puede enseñar una humilde bacteria.

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Entradas relacionadas:

  • El increíble mundo bacteriano: (I), (II)

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BONUS TRACK

La importancia de la biolixiviación para aumentar el rendimiento minero. Esta vez, para obtener cantidades de oro que antes de este procedimiento eran impensables extraer por carecer por completo de rentabilidad económica. Para aquellos a los que les sepa a poco este bonus track, traigo un documental en inglés dedicado a la extracción de metales gracias a los microbios: pulsar aquí para ver.

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Referencias.


  1. 14 agosto, 2012 en 8:05

    Quiero felicitarlos por tan excelente labor que realizan aca, de verdad hacen un gran equipo chicos…sigan hacia delante !!

  2. Salvador
    14 agosto, 2012 en 10:25

    Menuda gozada de artículo. Muchísimas gracias, Cnidus.

    Una pequeña puntualización: cuando has escrito “lovercraftiano” imagino que querías escribir “lovecraftiano” como referencia a H.P. Lovecraft y se te ha colado la “r” (al lado de la “e” en un teclado “qwerty”).

  3. Anarres
    14 agosto, 2012 en 12:12

    Que entrada tan bonita. Y eso que la química no me gusta mucho, y con la bioquímica me pierdo completamente (ATP?, NADH?). Pero la membrana-dique me ha emocionado. Y tantas aplicaciones… Es lo que tienen la ciencias puras, de entrada puede parecer que se dedican solo a “frikadas” sin ninguna utilidad práctica, pero luego resultan ser la base de mil aplicaciones técnicas.

  4. Juan de terzas
    14 agosto, 2012 en 12:22

    La hostia, Cnidus. ¿pero, de dónde te sacas el tiempo necesario para escribir artículos tan ricos, extensos y documentados?. Menos mal que escribes sobre ciencia, que cada frase conlleva un trabajo enorme de documentación y verificación; porque si llegas a escribir sobre religión, que solo precisa de imaginación y especulación, nos arrearías en cada entrada textos no mas pequeños que le quijote…

    ” Y menos mal que el agua no tiene memoria porque sus orígenes son un tanto violentos, podría terminar traumatizada (ref. 15).” (encima hasta te queda tiempo para soltar ironís extrafinas y elaborada,, jajajajaja)

    Quiero llamar la atención de los lectores del blog, y muy especialmente de los lectores amantes del creacionismo, sobre lo que implica escribir un artículo científico como este: Cada afirmación es el resultado de una ingente cantidad de estudios laboriosos, metódicos, largos y costosos. Un buen mecanógrafo puede tardar en torno a media hora en copiar el texto de este artículo, pero ¿sabeis la de horas que se puede haber estado Cnidus elaborandolo?… muchísimas.

  5. 14 agosto, 2012 en 13:07

    Muchos “zenkyus” a todos :mrgreen:

    Salvador, muchas gracias, corregido ^_^ (que haría sin vosotros, jeje)

    No se te escapa una, Juan de terzas. Por eso también me gusta incluir la bibliografía, por si alguien quiere ampliar 😀

  6. KC
    14 agosto, 2012 en 14:42

    Y una excusa clara para invertir en I+D+i

    SI has añadido esta parte con la sana intención de pensar que alguien que tenga la potestad de decidir sobre ese punto fuera a leer la entrada, o llegar hasta ahí, creo que ya sabes la respuesta: el interés subjetivo demostrado por un político es inversamente proporcional al interés que pueda tener algo objetivamente 😀

    Por lo demás, muy buena entrada.

    Saludos.

  7. Science_Rocks
    14 agosto, 2012 en 15:30

    Solo por el topic del articulo(la bioquimica) ya es digno de todo elogio(conseguir explicar todas las relaciones metabolicas sin perderse,es todo un logro).Integrarlo con la investigacion y la industria,lo hace aun superior.

    Pero que comience con la imagen de Wapol,un villano de One Piece,no tiene precio xD

    Decir que el articulo es completo,es quedarse corto.

  8. Shh
    15 agosto, 2012 en 1:56

    Una articulo genial, sin duda! Aunque creo que hay un error en la imagen donde ilustras la cadena de transporte de electrones: En negrita, “robo de protones al hierro”, en vez de “robo de electrones al hierro”.

  9. 15 agosto, 2012 en 5:32

    Genial entrada. Aunque debo decir que desde que me enteré que hay bacterias que se alimentan de uranio, plutonio y cosas así, una que se alimente de Fierro impresiona un poco menos 😛

  10. Lucien
    15 agosto, 2012 en 10:40

    Vaya, los religiosos están de enhorabuena, estas son las las primeras criaturas que se alimentan únicamente de fe (chiste malo de químicos)

  11. 15 agosto, 2012 en 21:48

    Gracias a todos! Jo, que ilu, veo que habéis pillado el detalle de Wapol 😀

    Shh, gracias ¡ya está corregido!

  12. 16 agosto, 2012 en 0:14

    KC :
    Y una excusa clara para invertir en I+D+i
    SI has añadido esta parte con la sana intención de pensar que alguien que tenga la potestad de decidir sobre ese punto fuera a leer la entrada, o llegar hasta ahí, creo que ya sabes la respuesta: el interés subjetivo demostrado por un político es inversamente proporcional al interés que pueda tener algo objetivamente
    Por lo demás, muy buena entrada.
    Saludos.

    Hombre, que al menos no se diga que no se intentó 🙂 . Eso si, los extras demostrado que la industria privada siempre va a invertir cuando y donde le conviene, haya o no creaZombies y diseñoininteligibles en el camino.

    Cnidus :
    Gracias a todos! Jo, que ilu, veo que habéis pillado el detalle de Wapol

    ¡Si es que eres un friki ONEPIECERO! 🙂

    Como penitencia, si llegas a hablar sobre evolución de aves; tu ves como; pero pones una imagen de Monet.

  13. 16 agosto, 2012 en 1:26

    Jajaja, me pones entre la espada y la pared. Me pensaré en qué entrada puedo conseguir que encaje Monet. Pero me lo pones complicado, ya que aunque es una pájara de cuidado ni siquiera todavía está claro qué es realmente la tipa 😛

    Y sí. La industria allá donde vea un posible filón va a meter mucha pasta de por medio. Y ahora mismo los microbios son una mina: nanotecnología de alto nivel perfeccionada durante millones de años de evolución, algo así como factorías de productos químicos en miniatura que además se multiplican solas. Una joya. Ahora bien, si no los conoces a cada uno de ellos apañados vamos.

  14. 16 agosto, 2012 en 6:55

    Hola Cnidus,

    Si me lo permites me gustaria hacer unas aclaraciones, que para algo tiene que servir currar en el tema 😀 (perdon por los acentos, escribo desde un PC de/en Australia)

    Respecto a la nomenclatura, en el año 2000 los miembros acidofilos del antiguo genero Thiobacillus (ferrooxidans, thiooxidans y caldus por entonces) fueron reasignados a un nuevo genero creado para tal fin, Acidithiobacillus. Por ello, el nombre Thiobacillus ferrooxidans es no solo obsoleto sino incorrecto, y aun mas ahora cuando se ha definido especie independiente (At. ferrivorans) que antes formaria parte de Th. ferrooxidans.

    En relacion a la foto de rio Tinto, el color rojizo del agua es por el hierro ferrico. En los laterales, los rojizos se deben a oxi(hidroxi)dos de Fe, pero el amarillo no se debe a azufre sino a la precipitacion de jarosita, un mineral descrito en España originariamente y que es fuente de problemas en explotaciones biomineras.

    Como anecdota decir que los acidofilos se empleaban mucho antes de saber incluso de su existencia para la obtencion de cobre. Se sabe que en el area del Mediterraneo desde hace unos 3000 años se ha estado aprovechando esta actividad microbiana, siendo incluso mencionada por Galeno y Plinio. La explotacion “moderna” de rio Tinto empezo hace unos 300 años, y basicamente se apilaban los sulfuros (pirita, calcopirita, etc) y se regaban, mas o menos lo que es la biolixiviacion hoy en dia. Aunque no fue hasta 1947 que se describio alguna relacion entre microorganismos y drenaje acido de minas.

    Un saludo,

  15. 16 agosto, 2012 en 9:30

    Gracias El Crazy Xabi por las aportaciones y correcciones.

    Ya he cambiado Thiobacillus por Acidithiobacillus. Como excusa, si es que puedo considerarlo así, decir que me decante por Thiobacillus por ser un nombre más sencillo que es considerado como sinonimia de Acidithiobacillus en algunos sitios de la red (BioCyc y UniProt) y sobre todo porque Thiobacillus aún aparecen en publicaciones actuales (acá).

    Pero bueno, si lo consideras mejor así no te voy a discutir 😉

    Por cierto, me ha molado mucho que venga de tan antiguo el uso de microbios para la obtención del metal.

  16. 17 agosto, 2012 en 1:48

    En BioCyc lo ponen como sinonimo, pero en todas las bases de datos se muestran sin embargo lo de UniProt es de flipe, ponen Thiobacillus ferrooxidans pero si ves en el linaje esta en el genero Acidithiobacillus… menudas pajas mentales

    Lo de las publicaciones… en fin cuando lo veo me saca de quicio que hace mas de una decada que cambio de nombre!!! Me parece tan poco riguroso como publicar un experimento sin replicas. Sobre todo con lo facil que es ir a LPSN y ver si esta en las listas, y en el raro caso que no aparezca envias un email y suelen responder bastante rapido. Hasta he aportado un sinonimo bastante viejo de Micrococcus luteus que casi no aparece y consultado algun nombre que aparecen de la nada sin haber descripcion de la especie ni na…

    Pero bueno, quizas es que soy un poco friki de la sistematica pero tambien nombrar a las cosas como te de la gana despues da problemas a quien te quiera citar al tener que andar a averiguar a que se referia el autor… creeme que pasa

    No es tan antiguo como rio Tinto pero tengo una copia de un paper de 1904 sobre el tema, eso en ciencia es casi prehistoria 😉

  17. 17 agosto, 2012 en 9:02

    No creo que seas un friki de la sistemática El Crazy Xabi, solo quieres que las cosas se hagan bien, para evitar problemas y malentendidos.

    Y tienes razón. Porque luego va un no especialista en Microbiología como yo intentando hacer una minireview y ¡pumba! Gambazo al canto. Pero como de los errores se aprende y de vuestras aportaciones también, me quedo con la LPSN, espero que me sea útil para la próxima vez. 😀

  18. Iván
    11 septiembre, 2012 en 22:07

    Muchisimas gracias. Mañana en el examen de microbiología me acordare de estos conceptos ¿Por el articulo debo entender que Acidithiobacilus no fija CO2?

  19. 12 septiembre, 2012 en 1:29

    Porque lo dices? Todos los Acidithiobacillus fijan C. De hecho, el carbono organico (e.g. glucosa) inhibe la oxidacion de Fe en At. ferrooxidans. De ahi que siempre haya algunos heterotrofos como Acidiphilium asociados

  20. Iván
    12 septiembre, 2012 en 7:59

    Muchas gracias El Crazy Xabi. Habré malentendido alguna parte del articulo. Necesitaba ejemplos de bacterias fijadoras de CO2 y mi bacteria era Thidiobacillus, lo cambie por Acidithiobacillus y después de leer el artículo lo cambie por Chloroflexus. Ahora ya tengo más de un ejemplo.

  21. Iván
    13 septiembre, 2012 en 0:27

    ha salido Acidiobacillus en el examen adiós a 6 créditos (250€ segunda matricula) Gracias Cnidus gracias El Crazy Xabi no se que queréis de mi pero os debo algo…

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