Doce bacterias de todo el mundo, reunidas para extraer tierras raras de las cloacas industriales

Doce bacterias recogidas de distintas partes del planeta están siendo investigadas por tener una capacidad que a los humanos les cuesta mucha ciencia y mucho trabajo: recuperar tierras raras. Estos minerales son raros por sus especiales propiedades, que los hacen esenciales para un amplio abanico de tecnologías avanzadas. También son muy relevantes en la geopolítica actual, ya que China y en menor medida Estados Unidos forman casi el duopolio de su extracción. Así que en Europa urge recuperarlos de los productos y de los procesos en los que intervienen. Y, para ello, científicos alemanes han identificado esta docena de microorganismos, algunos de ellos extremófilos, que tienen la rara habilidad de sentirse atraídos por las tierras raras uniéndose a ellas.

Ignoradas durante casi dos siglos, las tierras raras son un grupo de elementos arrinconados en la tabla periódica. Son metales, pero raros. Además del escandio y el itrio, están los 15 integrantes del grupo de los lantánidos (como el lantano, el cerio o el neodimio). Aunque no abundan en la naturaleza (su concentración en la corteza terrestre es baja, yendo desde las 0,5 hasta las 67 partes por millón), su apellido de raras procede realmente de contar con una estructura química especial y muy similar entre ellos. Además, solo aparecen en forma de óxidos. Una serie de propiedades, como su elevada capacidad como conductor y su magnetismo, han hecho que en las últimas tres décadas se hayan vuelto indispensables. Sin ellos, no habría sido posible la miniaturización de infinidad de aparatos- Tampoco las baterías de móviles o vehículos eléctricos o los sistemas de los aerogeneradores serían como son.

Hacen falta algunos datos más para entender el interés que despiertan las tierras raras entre los científicos, pero aún más entre los responsables de las grandes empresas de tecnología y los políticos. El hierro fue la base de la Revolución Industrial, pero es como el agua, tan vital como barato: un kilogramo apenas cuesta 20 céntimos. Sin embargo, un kilo de óxido de neodimio ronda los 200 euros y la misma cantidad de óxido de terbio puede superar los 3.800 euros. Además de caras, las tierras raras aparecen concentradas en una serie de países. Según datos del Servicio Geológico de Estados Unidos, más de la mitad de las 280.000 toneladas que se le arrancaron a la Tierra en 2021 las obtuvo China. Un vistazo a las reservas muestra un futuro geopolítico aún más preocupante: de los 120 millones de toneladas que se estiman que hay, casi el 40% están en territorio chino y el 60% se las reparten Rusia, Vietnam y Brasil. En suelo europeo, aunque el químico sueco Carl Gustaf Mosander fuera el que descubrió los tres primeros elementos (lantano, erbio y terbio) y haya un lantánido que lleve el nombre de Europa, el europio, apenas hay tierras raras.

La escasez de producción propia, que contrasta con el uso intensivo de estos elementos por los europeos, obliga a su reciclaje, a recuperarlos de donde están para devolverlos al circuito. Pero, para complicar las cosas, la recuperación de metales se hacía tradicionalmente por medio de procesos químicos intensivos en energía y altamente contaminantes, como el uso de ácidos. De ahí el interés en proyectos como el liderado por un grupo de científicos de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), que han vuelto la mirada hacia las cianobacterias, un filo de bacterias que realizan la fotosíntesis.

“Las cianobacterias no se alimentan de metales. Lo que se produce es una la unión de estos a la superficie celular de aquellas”

Thomas Brück, responsable del Centro Algaetec de la Universidad Técnica de Múnich

Ya se usan bacterias para tratar las aguas residuales e incluso los vertidos de petróleo, pero mientras estas se nutren u obtienen energía del material presente en el líquido, en el caso de las cianobacterias y las tierras raras se produce una atracción inevitable. Lo explica Thomas Brück, responsable del Centro Algaetec de la universidad alemana y autor sénior de los experimentos. “Las cianobacterias no se alimentan de metales. Lo que se produce es una la unión de estos a la superficie celular de aquellas”. No es que digieran el metal, es que iones (átomos con carga negativa o positiva de un elemento) se unen a los azúcares presentes en la pared celular de la bacteria. En este sentido, es una atracción química, pasiva y casi autómata. “Si aplicamos las condiciones de reacción adecuadas, la unión se puede revertir. Por lo tanto, se pueden separar de la biomasa y, al cambiar las condiciones de reacción (es decir, el pH), se podría reutilizar la biomasa para atraer más metal presente en la solución”, añade.

Esa era la teoría que querían comprobar. Aunque se habían realizado algunos experimentos previos, ellos seleccionaron una docena de cianobacterias, la mayoría extremófilas, para comprobar cuánta tierra rara atraían. La mayoría de estos microorganismos eran desconocidos para la ciencia hasta hace unos años y algunos ni están clasificados aún completamente. Algunas bacterias proceden del desierto de Namibia, uno de los más áridos del mundo. Otras hay que buscarlas en lagos salados ricos en natrón, como el lago Chad, también en África, torrentes contaminados de Estados Unidos o muestras procedentes del agua usada en la explotación de una mina suiza.

Según los resultados de sus experimentos, publicados en la revista especializada Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, todas las cianobacterias mostraron menor o mayor capacidad de unirse a los metales. Pero se quedaron con las cinco mejores para realizar nuevas pruebas con cuatro de las tierras raras (el lantano, el cerio, el neodimio y el terbio) en un enorme tanque lleno de aguas procedentes de aquella explotación minera. Lograron unos niveles de eficiencia que no esperaban: por ejemplo, los cultivos de Calothrix brevissima, recuperada de un lago japonés hace 50 años, secuestraba entre 44,7 y 70,6 miligramos de tierras raras por gramo de biomasa. Otra, encontrada en el desierto de Namibia y que aún no tiene nombre definitivo, la Komarekiella sp. 89.12 logró una relación de hasta 67 miligramos por gramo. La más eficiente, con ratios de absorción de hasta 91,5 mg por gramo, es la aún por clasificar Nostoc. sp., descubierta en líquenes de un humedal alemán ya en este siglo.

Las doce bacterias proceden de una colección que mantiene el investigador de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Kaiserslautern (Alemania), Michael Lakatos, la mayoría recolectadas por él mismo. “Es la primera vez que se investigan las cianobacterias por su capacidad de bioabsorción de tierras raras. Elegimos doce cepas aisladas de diferentes hábitats que cubren una amplia diversidad filogenética y ecológica para investigar su posible aplicación en el enriquecimiento de elementos de tierras raras por medio de este mecanismo”, cuenta Lakatos. Sobre su relevancia para este nuevo uso, recuerda que “a las cianobacterias se las llamó formalmente algas verdeazuladas y se parecen a un grupo muy antiguo de algas; debido a su antigüedad han logrado adaptarse a un amplio abanico de ambientes, desde los desiertos más cálidos y fríos del planeta hasta casi cualquier situación en tierra y en el agua”. Además, añade, “son comparativamente fáciles y baratas de cultivar en el condiciones de laboratorio, lo que las convierte en candidatas ideales para aplicaciones biotecnológicas como la bioabsorción de elementos de tierras raras”. Por si fuera poco, producen una especie de moco que encapsula sus células y facilita la captura de los metales.

Las cianobacterias han logrado adaptarse a un amplio abanico de ambientes, desde los desiertos más cálidos y fríos del planeta hasta casi cualquier situación en tierra y en el agua”

Michael Lakatos, investigador de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Kaiserslautern (Alemania).

El primer autor de los ensayos, Michael Paper, también de la Universidad Técnica de Múnich, considera que los valores de captación de tierras raras obtenidos son altos. La clave, según explica, estaría en que la carga negativa de los azúcares presentes en el exterior de las bacterias atrae a las partículas metálicas, cargadas positivamente. En un correo, Paper dice que una vez unidas bacterias y metales podrían ser separados alterando las condiciones en las que se produjo la reacción química, cambiando el pH del líquido, por ejemplo. “Después de un proceso de regeneración, la biomasa teóricamente se podría reutilizar. Ahora mismo, estamos probando su estabilidad a largo plazo para determinar cuántos ciclos de absorción-regeneración son posibles sin un deterioro significativo de las propiedades de absorción del metal”, detalla.

Aunque las cianobacterias podrían usarse en las aguas residuales convencionales, no parece probable que el promecio, el lutecio o el gadolinio viajen por las cañerías y cloacas en cantidades apreciables. Paper cree que la aplicación a escala industrial sería allí donde se procesan o acaban las tierras raras: “Se pueden encontrar en las aguas residuales provenientes de la minería, el procesamiento de los minerales, el reciclaje de desechos electrónicos o la metalurgia. La medicina y la agricultura también contribuyen a la liberación de tierras raras”.

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