Copper demand is rising such as in the construction industry, transportation including electric vehicles, and renewable energy. Mining and processing of copper is energy demanding and therefore, environmental concerns necessitate developing eco-friendly technologies to reduce its impact. Chalcopyrite is the most abundant and economically significant copper mineral in nature, although it is difficult and costly to process using traditional mining methodologies. Bioleaching, as one of the main biomining techniques, is a more sustainable alternative for processing ores such as chalcopyrite, though the ores refractory nature hinders copper extraction. Biofilms are also important to enhance bioleaching, improving metal solubilization and protecting the microbes from stresses such as extreme pH and high concentrations of heavy metals. Furthermore, Leptospirillum ferriphilum, commonly found in mining environments, is key to biofilm formation while its highly efficient iron oxidation creates elevated redox potentials that hinder copper extraction by passivating the ore surface. In this context, omics studies, such as genomics and proteomics, offer a valuable tool to understand interactions between acidophilic microorganisms and minerals, allowing optimization of bioleaching processes.

First, the performance of axenic acidophilic cultures were evaluated according to their ability to catalyze chalcopyrite dissolution and to control the redox potential within an ideal range (<680 mV). Based upon the axenic culture performances, four microbial consortia were designed that showed the best results was composed of moderate thermophiles. Then, the presence of L. ferriphilum in chalcopyrite bioleaching experiments was analyzed by epifluorescence microscopy and image analysis. Pre-colonization experiments with L. ferriphilum showed a slight improvement in copper recovery (4%) over 38 days although cell attachment to chalcopyrite and pyrite surfaces was not improved. Moreover, the consortium composed of Ferroplasma acidiphilum, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, and ‘Fervidacidithiobacillus caldus’, showed higher mineral surface colonization indicating the existence of cooperative bioleaching followed by a non-contact mechanism. Finally, analysis of DNA and protein from the five tested consortia indicated some differences, probably because of the low cell density at the end of the experiments. In total, 11,173 proteins were identified and quantified, of which 9 and 10 were unique proteins associated with iron and sulfur metabolism.­ The findings of this thesis highlight that understanding microbial synergies is key to improving copper recovery from chalcopyrite in order to design more efficient strategies for its large-scale application.

La demanda de cobre va en aumento, sobre todo en el sector de la construcción, el transporte, incluidos los vehículos eléctricos, y las energías renovables. La extracción y el procesamiento del cobre exigen mucha energía, por lo que la preocupación por el medio ambiente obliga a desarrollar tecnologías más respetuosas con el medio ambiente para reducir su impacto. La calcopirita es el mineral de cobre más abundante y económicamente más importante de la naturaleza, pero su procesamiento resulta difícil y costoso con los métodos tradicionales de extracción. La biolixiviación, una de las principales técnicas de biominería, es una alternativa más sostenible para procesar minerales como la calcopirita, aunque su naturaleza refractaria dificulta la extracción del cobre. Las biofilms también son importantes para potenciar la biolixiviación, mejorando la solubilización de metales y protegiendo a los microorganismos de estrés como el pH extremo y las altas concentraciones de metales pesados. Además, Leptospirillum ferriphilum, especie que se encuentra comúnmente en entornos mineros, es clave para la formación de biofilms, pero, su alta capacidad de oxidación del hierro crea potenciales redox elevados que dificultan la extracción de cobre al pasivar la superficie del mineral. En este contexto, los estudios ómicos, como la genómica y la proteómica, ofrecen herramientas valiosas para comprender las interacciones entre los microorganismos acidófilos y los minerales, permitiendo optimizar los procesos de biolixiviación.

En primer lugar, se evaluó el desempaño de cultivos acidófilos axénicos en función de su capacidad para catalizar la disolución de calcopirita y controlar el potencial redox dentro de un rango ideal (<680 mV). Basándose en los resultados de los cultivos puros, se diseñaron cuatro consorcios microbianos, siendo el consorcio con mejores resultados el conformado por termófilos moderados. Posteriormente, se analizó la presencia de L. ferriphilum en experimentos de biolixiviación de calcopirita mediante microscopía de epifluorescencia y análisis de imagen. Los experimentos de pre-colonización con L. ferriphilum mostraron una leve mejora en la recuperación de cobre (4%) a lo largo de 38 días, aunque la adherencia celular a las superficies de calcopirita y pirita no mejoró. Además, el consorcio compuesto por Ferroplasma acidiphilum, Sulfobacillus thermosulfidooxidans, y ‘Fervidacidithiobacillus caldus’, mostró una mayor colonización de la superficie mineral indicando además la existencia de una biolixiviación cooperativa seguida de un mecanismo sin contacto. Por último, el análisis del ADN y proteínas de los cinco consorcios evaluados indicó algunas diferencias, probablemente debido a la baja densidad celular al final de los experimentos. En total, se identificaron y cuantificaron 11.173 proteínas, de las cuales 9 y 10 correspondieron a proteínas únicas asociadas al metabolismo del hierro y azufre. Los hallazgos de esta tesis enfatizan que la comprensión de las sinergias microbianas es clave para mejorar la extracción de cobre de la calcopirita con el objetivo de diseñar estrategias más eficientes para su aplicación a gran escala.