Batteri Minatori: Come Microrganismi Affamati Estraggono Rame dalla Tetraedrite

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi in un viaggio affascinante nel mondo della bioidrometallurgia. Sembra complicato? Aspettate a dirlo! Immaginate dei microrganismi, batteri piccolissimi e affamati, che lavorano per noi estraendo metalli preziosi da minerali complessi. Fantascienza? Assolutamente no! Parliamo di bioleaching, una tecnica che sfrutta proprio questi piccoli operai biologici. Nello specifico, vi racconto di come abbiamo studiato il bioleaching della tetraedrite usando batteri specializzati nell’ossidare ferro e zolfo.

Cos’è la Tetraedrite e Perché Ci Interessa?

Prima di tuffarci nel vivo, spendiamo due parole sulla protagonista minerale: la tetraedrite. È un solfosale di rame e antimonio, con una formula chimica che fa un po’ impressione (tipo Cu₁₂Sb₄S₁₃, ma può essere più complessa). Si trova spesso in vene idrotermali e può contenere anche argento, ferro, zinco e, ahimè, elementi poco simpatici come arsenico e mercurio.

Perché è importante? Beh, è una fonte significativa di rame e argento. Ma c’è un “ma”: estrarre questi metalli dalla tetraedrite non è una passeggiata. È un minerale considerato “refrattario”, cioè piuttosto testardo quando si tratta di dissolversi con metodi chimici tradizionali a basse temperature. Inoltre, la presenza di elementi tossici come l’antimonio (Sb) e l’arsenico (As) crea non pochi grattacapi ambientali e di sicurezza durante la lavorazione. Pensate che l’antimonio è sulla lista dei materiali critici per l’Unione Europea, quindi trovare modi efficienti e sostenibili per ottenerlo (o separarlo) è fondamentale.

Entrano in Scena i Batteri “Mangia-Rocce”

Qui la bioidrometallurgia ci viene in aiuto. Il bioleaching sfrutta la capacità di alcuni batteri, detti chemioautotrofi (si nutrono di sostanze inorganiche), di catalizzare reazioni chimiche che altrimenti sarebbero lentissime. Nel nostro caso, abbiamo usato batteri “acidofili”, che amano gli ambienti acidi, e che sono campioni nell’ossidare il ferro e lo zolfo. Generi come Acidithiobacillus (in particolare At. ferrivorans e At. ferrooxidans nel nostro studio) e Leptospirillum sono i protagonisti.

Come funzionano? Semplificando molto:

• Ossidano il ferro ferroso (Fe²⁺), che è solubile, in ferro ferrico (Fe³⁺).
• Il ferro ferrico (Fe³⁺) è un potente ossidante che “attacca” chimicamente la tetraedrite (e altri solfuri).
• Questo attacco rompe i legami del minerale, liberando il rame (Cu²⁺) e altri metalli in soluzione.
• I batteri ossidano anche i composti dello zolfo presenti nel minerale (S²⁻), trasformandoli alla fine in solfato (SO₄²⁻), anch’esso solubile.
• Il bello è che, ossidando il Fe²⁺ prodotto dalla reazione con il minerale, i batteri rigenerano continuamente l’agente “attaccante” (Fe³⁺), mantenendo il processo attivo.

In pratica, creano un ciclo virtuoso (o vizioso, dal punto di vista del minerale!) che porta alla dissoluzione del metallo che ci interessa.

Il Nostro Esperimento: Tetraedrite vs Batteri

Cosa abbiamo fatto nel concreto? Abbiamo preso un concentrato di flottazione ricco di tetraedrite, proveniente dalla miniera di Rožňava in Slovacchia. Questo concentrato non era puro, conteneva anche siderite (un carbonato di ferro, FeCO₃), calcopirite, pirite e quarzo. Lo abbiamo messo in beute da laboratorio con un terreno di coltura acido (pH iniziale 1.5) ma senza aggiungere ferro dall’esterno. In alcune beute abbiamo inoculato i nostri batteri (At. ferrivorans e At. ferrooxidans), mentre altre le abbiamo tenute come controllo “abiotico” (sterili, senza batteri), per vedere la differenza. Abbiamo incubato tutto a temperatura ambiente (25°C) su un agitatore.

Abbiamo monitorato il processo per 120 giorni, analizzando regolarmente cosa succedeva nella soluzione liquida (pH, concentrazione di metalli come Cu, Sb, Fe, Zn, Ag, As, e di solfato) e anche i gas prodotti (consumo di O₂ e produzione/consumo di CO₂), usando un’apparecchiatura molto sensibile chiamata respirometro. Alla fine, abbiamo analizzato anche i residui solidi con tecniche come la microscopia elettronica (SEM) e la microanalisi (EMPA, XPS) per vedere come erano cambiati i minerali.

Risultati Sorprendenti: I Batteri Fanno la Differenza!

I risultati sono stati chiari: i batteri fanno un’enorme differenza. Nei campioni con i microrganismi, l’estrazione di rame e zolfo (sotto forma di solfato) è stata significativamente maggiore rispetto ai controlli abiotici. Dopo 120 giorni, la concentrazione di rame nella soluzione ha superato i 4 grammi per litro, che corrisponde a una resa di estrazione superiore all’80%! Niente male per un minerale testardo come la tetraedrite a temperatura ambiente.

Un aspetto interessante è stato il ruolo della siderite. Essendo un carbonato di ferro, ha reagito rapidamente con l’acido della soluzione, rilasciando ferro ferroso (Fe²⁺) e CO₂. Questo ferro è diventato subito il “carburante” iniziale per i nostri batteri ossidanti. Nei controlli abiotici, questo ferro rimaneva quasi tutto come Fe²⁺, mentre nelle colture batteriche veniva rapidamente ossidato a Fe³⁺, mantenendo un rapporto Fe³⁺/Fe²⁺ molto alto, essenziale per attaccare la tetraedrite. Curiosamente, la dissoluzione della siderite era leggermente più lenta in presenza di batteri, probabilmente perché il Fe³⁺ prodotto portava alla formazione di ossidi/idrossidi di ferro sulla superficie della siderite stessa, passivandola un po’.

Il Destino dello Zolfo e dell’Antimonio

Un’altra scoperta importante riguarda lo zolfo. Studi precedenti sulla lisciviazione chimica della tetraedrite indicavano la formazione di zolfo elementare (S⁰) come prodotto principale. Noi, invece, grazie all’intensa attività batterica che mantiene un potenziale redox elevato, abbiamo visto che lo zolfo della tetraedrite (S²⁻) viene ossidato completamente fino a solfato (SO₄²⁻). Questo è confermato sia dalle analisi chimiche (aumento dei solfati in soluzione) sia dalle analisi XPS sui residui solidi, che non mostravano accumulo di S⁰.

E l’antimonio (Sb)? Qui la storia si complica. La concentrazione di Sb in soluzione aumentava all’inizio, raggiungendo circa 40 mg/L, ma poi diminuiva nel tempo. Cosa significa? Che l’antimonio, una volta ossidato alla forma Sb⁵⁺, tende a precipitare formando nuovi minerali secondari. Le analisi dei residui solidi lo confermano: le superfici dei granuli di tetraedrite apparivano alterate, coperte da croste arricchite in Sb e Fe, ma impoverite in Cu e S rispetto al minerale originale. Questo è un aspetto cruciale da considerare per un eventuale processo industriale, perché l’obiettivo potrebbe essere recuperare il rame e lasciare l’antimonio in una forma solida stabile (o recuperarlo separatamente).

Conferma della Stechiometria: La Matematica Non Mente

Grazie alle misure dei gas (consumo di O₂), siamo riusciti a fare un passo in più: verificare la stechiometria della reazione di bioleaching. In parole semplici, abbiamo contato quanti “elettroni” vengono trasferiti durante l’ossidazione di una molecola di tetraedrite. La reazione complessiva che porta a Cu²⁺, Sb⁵⁺ e SO₄²⁻ (anche se l’Sb poi precipita) richiede il trasferimento di ben 122 elettroni per molecola di tetraedrite (usando la formula semplificata Cu₁₂Sb₄S₁₃)! Ebbene, correlando il consumo di ossigeno misurato con la quantità di rame estratto (che ci dice quanta tetraedrite si è dissolta), abbiamo ottenuto un rapporto sperimentale molto vicino a quello teorico (30.8 O₂ consumati per mole di tetraedrite ossidata, contro un teorico di 30.5). Questo conferma che il processo avviene come ipotizzato, con l’ossidazione completa dello zolfo a solfato.

Cosa Abbiamo Imparato e Prospettive Future

Questo studio ci ha dimostrato che il bioleaching della tetraedrite con batteri ferro- e zolfo-ossidanti è fattibile ed efficace a temperatura ambiente, anche senza pre-trattamenti meccanici spinti o catalizzatori chimici aggiuntivi (che aumenterebbero i costi). Abbiamo ottenuto alte rese di estrazione per il rame (>80%) e capito meglio il comportamento dello zolfo (ossidato a solfato) e dell’antimonio (che precipita).

Certo, la strada per un’applicazione industriale è ancora lunga. Le velocità di lisciviazione osservate, sebbene promettenti, potrebbero essere ancora troppo basse per essere economicamente vantaggiose su larga scala. Serviranno ulteriori ricerche per ottimizzare il processo: magari lavorando sulla selezione di ceppi batterici ancora più performanti, sulle condizioni operative (temperatura, pH, densità della polpa, aerazione), o esplorando sinergie con altri approcci.

Tuttavia, la bioidrometallurgia rappresenta una frontiera davvero interessante per l’estrazione mineraria del futuro: potenzialmente più sostenibile, adatta a minerali complessi o a bassa concentrazione, e capace di affrontare sfide come la gestione di elementi critici o problematici come l’antimonio. Vedere questi microrganismi all’opera, trasformando rocce dure in soluzioni ricche di metalli, è qualcosa che continua ad affascinarmi profondamente. Chissà quali altre scoperte ci riserveranno questi instancabili minatori microscopici!

Fonte: Springer