Cianobacterias recogen tierras raras de las aguas residuales
La biomasa de 12 cepas de cianobacterias no estudiadas hasta ahora resulta eficaz en la biosorción de los elementos de tierras raras lantano, cerio, neodimio y terbio a partir de soluciones acuosas.
Esto permite recoger estos elementos preciosos, cuya demanda no deja de crecer, de las aguas residuales de la minería, la metalurgia y el reciclaje de residuos electrónicos y reutilizarlos.
Los elementos de tierras raras (ETR) son un grupo de 17 metales químicamente similares, cuyo nombre se debe a que suelen encontrarse en bajas concentraciones (entre 0,5 y 67 partes por millón) dentro de la corteza terrestre.
Dado que son indispensables en tecnologías modernas como los diodos emisores de luz, los teléfonos móviles, los electromotores, las turbinas eólicas, los discos duros, las cámaras, los imanes y las bombillas de bajo consumo, su demanda no ha dejado de aumentar en las últimas décadas, y se prevé que siga creciendo de aquí a 2030.
Debido a su rareza y a la demanda, son caros: por ejemplo, un kilo de óxido de neodimio cuesta actualmente unos 200 euros, mientras que la misma cantidad de óxido de terbio ronda los 3.800 euros. En la actualidad, China tiene casi el monopolio de la extracción de ETR, aunque en enero de 2023 se anunció a bombo y platillo el descubrimiento de nuevos y prometedores yacimientos (más de un millón de toneladas métricas) en Kiruna (Suecia).
Las ventajas de pasar de una economía "lineal" derrochadora a una economía "circular", en la que todos los recursos se reciclan y reutilizan, son evidentes.
En el estudio, publicado en la revista 'Frontiers in Bioengineering and Biotechnology', científicos alemanes han demostrado que la respuesta es afirmativa: la biomasa de algunas cianobacterias fotosintéticas exóticas puede absorber eficazmente los ERT de las aguas residuales, por ejemplo las derivadas de la minería, la metalurgia o el reciclaje de residuos electrónicos. Posteriormente, los ETR absorbidos pueden lavarse de la biomasa y recogerse para su reutilización.
"Aquí optimizamos las condiciones de absorción de ETR por la biomasa de cianobacterias y caracterizamos los mecanismos químicos más importantes para fijarlos. Estas cianobacterias podrían utilizarse en futuros procesos ecológicos para la recuperación simultánea de ERT y el tratamiento de aguas residuales industriales", afirma el doctor Thomas Brück, profesor de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania) y último autor del estudio.
La biosorción es un proceso metabólicamente pasivo de unión rápida y reversible de iones de soluciones acuosas a la biomasa. Brück y sus colegas midieron el potencial de biosorción de los ERT lantano, cerio, neodimio y terbio por 12 cepas de cianobacterias en cultivos de laboratorio.
Nunca antes se había evaluado el potencial biotecnológico de la mayoría de estas cepas. Se tomaron muestras de hábitats muy especializados, como suelos áridos de los desiertos de Namibia, la superficie de líquenes de todo el mundo, lagos de natrón de Chad, grietas en rocas de Sudáfrica o arroyos contaminados de Suiza.
Los autores descubrieron que una nueva especie no caracterizada de Nostoc tenía la mayor capacidad de biosorción de iones de estos cuatro ETR a partir de soluciones acuosas, con eficiencias entre 84,2 y 91,5 mg por g de biomasa, mientras que 'Scytonema hyalinum' tenía la eficiencia más baja, entre 15,5 y 21,2 mg por g.
También eran eficientes 'Synechococcus elongates', 'Desmonostoc muscorum', 'Calothrix brevissima' y una nueva especie no caracterizada de Komarekiella. Se observó que la biosorción dependía en gran medida de la acidez: era máxima a un pH de entre cinco y seis, y disminuía constantemente en soluciones más ácidas.
El proceso era más eficaz cuando no había "competencia" por la superficie de biosorción en la biomasa de cianobacterias por parte de iones positivos de otros metales no ETR, como el zinc, el plomo, el níquel o el aluminio.
Los autores utilizaron una técnica llamada espectroscopia infrarroja para determinar qué grupos químicos funcionales de la biomasa eran los principales responsables de la biosorción de ETR.
"Descubrimos que la biomasa derivada de cianobacterias presenta excelentes características de adsorción debido a su alta concentración de restos de azúcar con carga negativa, que llevan grupos carbonilo y carboxilo. Estos componentes cargados negativamente atraen iones metálicos cargados positivamente, como los ETR, y favorecen su fijación a la biomasa", explica el primer autor, Michael Paper, científico de la Universidad Técnica de Múnich.
Los autores concluyen que la biosorción de ETR por cianobacterias es posible incluso a bajas concentraciones de los metales. El proceso también es rápido: por ejemplo, la mayor parte del cerio en solución se biosorbió a los cinco minutos de iniciarse la reacción.
"Las cianobacterias aquí descritas pueden adsorber cantidades de ETR correspondientes hasta al 10% de su materia seca --señalan--. La biosorción presenta así un proceso económica y ecológicamente optimizado para la recuperación circular y la reutilización de metales de tierras raras a partir de aguas residuales industriales diluidas procedentes de la producción minera, electrónica y de catalizadores químicos".
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