Resumen: Una amplia gama de actividades humanas producen efluentes (municipales, agrícolas, e industriales) portadores de metales pesados en sus formas solubles: Cd, Hg, Cr, Cu, Mn, Pb, Ni, Sb, Se, Sn, Zn, etc.




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fecha de publicación29.01.2016
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Energía Química Biomasa Celular


Ecuación 3

b) Aceptor de electrones e hidrogeniones (A): Para que un compuesto se oxide, debe haber otro que se reduzca, es decir un aceptor de e- + H+ liberados en la oxidación.
A + e- + H+ AH (Compuesto Reducido)

Ecuación 4
Para microorganismos aeróbicos el aceptor (A) de e- + H+ es el O2 del aire.

Para microorganismos anaeróbicos, los aceptores son iones o elementos factibles de ser reducidos: NO3-, SO4=, Fe+++, Cr6+, etc.
En el caso de las BARS, el SO4= actúa como aceptor final de e- + H+, reduciéndose a SH2, pero para que ello ocurra se requiere de algún o algunos compuestos factibles de ser oxidados.

c) Fuente de Carbono: El carbono es un elemento esencial para la vida. Sin una fuente adecuada de carbono los microorganismos no podrían multiplicarse. Las fuentes de carbono para los microorganismos pueden ser:

- CO2

- CO3=

- Hidratos de Carbono.

- Ácidos Orgánicos.

- Lípidos.

- Residuos Carbonados
d) Fuente de Nitrógeno: El nitrógeno es otro elemento esencial para la vida, fundamentalmente para la síntesis de proteínas. Sin nitrógeno no hay multiplicación microbiana. Las fuentes de nitrógeno para los microorganismos pueden ser:

- Nitrógeno elemental del aire.

- NO3-

- Nitrógeno amoniacal (NH4+).

- Nitrógeno orgánico (aminoácidos).
e) Trazas de elementos minerales: Los microorganismos para su desarrollo requieren de trazas de elementos tales como: P, S, K, Mg, Na, Fe, Mn, Cu, Mo, etc.

No obstante ello, las cantidades presentes en efluentes industriales y/o mineros son normalmente suficientes para el desarrollo microbiano.

Lo anterior indica que para que la reducción microbiana de SO4= a SH2 sea posible, los microorganismos deben de disponer de un sustrato energético, una fuente de carbono y una fuente de nitrógeno. Nuestra estrategia se basa en proveer dichos nutrientes a partir de los compuestos contenidos en residuos de bajo o nulo valor económico o en las hojas secas. De esta manera, se establece como presión de selección microbiana la composición del medio (nutrientes), de modo tal que aquellos microorganismos anaeróbicos (BARS) que puedan reducir SO4= a SH2 , utilizando como SE, FC y FN, a compuestos contenidos en el material orgánico residual proporcionado, se multiplicarán a partir de ese conjunto de nutrientes, en tanto que el resto perecerá o permanecerá en una concentración muy baja.

Distintos microorganismos pueden desarrollar en un amplio rango de temperatura, desde muy bajas (5ºC) hasta muy altas (90º C), y en general la temperatura óptima de desarrollo de cada microorganismo se relaciona con la temperatura del hábitat natural en el que evolucionó. Así, la temperatura también es un factor que se puede utilizar como presión de selección. No obstante, y desde un punto de vista económico, es conveniente seleccionar cultivos microbianos capaces de desarrollar a temperaturas del orden de la temperatura ambiente (20-25 ºC), por lo cual todos los ensayos de laboratorio se incuban a esa temperatura.
Están en desarrollo distintos sistemas tecnológicos (activos y pasivos) basados en la aplicación de BARS para el tratamiento de efluentes, los que en general son continuos o deben preverse para funcionar como continuos. En todo reactor continuo las condiciones internas del afluente son iguales a las del efluente tratado que sale del mismo. Para obtener un efluente tratado y neutralizado a pH 7, significa que al interior del sistema continuo una vez establecido y estabilizado el pH debería ser de ese orden, y las BARS deberían producir CO3H- en la cantidad necesaria para neutralizar el ingreso de acidez al sistema y a una velocidad equivalente. Por lo cual los microorganismos deberán desarrollar a un pH de alrededor de 7. De allí que se elige este valor (pH=7 como presión de selección microbiana.

La literatura muestra los sistemas, escala piloto o comercial, que se basan en la aplicación de BARS, ya sean reactores anaeróbicos, o sistemas de tratamiento pasivo como los humedales (Ziemkiewicz, et. al., 2003), están diseñados y construidos sobre la base de conocimiento más bien empírico, lo cual resulta en una eficiencia de los sistemas variable y no predecible (Ettner, 1999). Sin embargo no se observa en estos sistemas que el diseño y el control de los mismos se realice involucrando el parámetro Eh.
En efecto, el metabolismo de los seres vivos no escapa a las leyes de la física y de la química. Una célula bacteriana actúa como un “carrier” de electrones a través de las proteinas del sistema respiratorio o sistema citocromo.

Los electrones y por ende los iones (H+), son transferidos a un aceptor (A), en este caso el SO4- , el cual es un compuesto que tiene mayor capacidad para atraerlos que las proteínas anteriores. El proceso de transporte de electrones, es posible y se ve facilitado en la medida que para un cierto pH, el Eh es tal que los productos de la transformación son estables, mientras que el sustrato o compuestos originales son inestables. Se sabe que los microorganismos anaeróbicos como estos, en general desarrollan a valores de Eh bajos o negativos (Ehrlich, 1995). La reacción biológica anterior debe estar seguida o asociada a una reacción química del SH2 con los iones metálicos a fin de precipitarlos como sulfuros metálicos. Esta reacción química también es dependiente de la dupla Eh-pH (Pourbaix, 1966) y la formación de sulfuros metálicos es posible o favorecida en un rango de valores negativos de Eh. Sin embargo, estos parámetros clave, no son prácticamente tenidos en cuenta en el diseño y control de los sistemas tecnológicos, a fin de lograr una elevada eficiencia.
Para los ensayos realizados, tanto para la obtención de cultivos de enriquecimiento seleccionados como para la determinación de los parámetros pH – Eh iniciales y finales, se diseñaron medios de cultivo que imitan la composición química de un potencial efluente. Los mismos se preparan por mezcla de 3 soluciones. La Solución I, contiene el SO4= y algunas sales de compuestos necesarios para el desarrollo microbiano, las cuales normalmente están presentes en la mayoría de los efluentes. La solución II, es una solución de sulfato ferroso a fin de usar el Fe como marcador para la precipitación de FeS (negro) con el SH2 producido y la Solución III es portadora de los compuestos orgánicos contenidos en distintos residuos (Borra, Escobajo, Suero de leche o Hojas secas, por ahora se están ensayando hojas de mora y de plátano). Los compuestos orgánicos pasan del residuo a la solución, dejándolos en contacto por 24 horas a temperatura ambiente y variando las relaciones peso de residuo a volumen de agua. Luego la solución y el residuo sólido se separan por filtración. Los cultivos anaeróbicos se realizan en frascos completamente llenos, cerrados con tapa rosca y sellados con parafilm. El enriquecimiento se realiza con todas las soluciones sin esterilizar, a partir de la microflora propia normalmente presente, fundamentalmente en los residuos orgánicos.



  1. RESULTADOS


Un cultivo de enriquecimiento positivo, seleccionado por su capacidad de utilizar los compuestos orgánicos de un determinado residuo como SE, FC y FN, se detecta por la aparición de un fuerte precipitado negro de sulfuro metálico como el que muestra la Figura 1. El cultivo de enriquecimiento se confirma por observaciones microscópicas y microfotografías (datos no mostrados en este texto por razones de espacio)


Fig. 1: Fotografía mostrando el fuerte precipitado negro de sulfuro metálico que se produce asociado al enriquecimiento de BARS.

Se han obtenido cultivos de enriquecimiento de BARS para cada uno de los residuos antes mencionados, seleccionados por su capacidad de utilizar como SE, FC y FN los compuestos orgánicos contenidos en cada residuo en particular.

La Figura 2 muestra una serie de ensayos de cultivos de enriquecimiento con el típico precipitado negro, obtenidos variando parámetros cuantitativos en la composición del medio, pero utilizando en todos los casos los compuestos orgánicos contenidos en hojas secas, ya sea de mora o de plátano (árboles mayoritarios en la ciudad de San Juan).



Fig. 2: Fotografía mostrando una serie de ensayos variando distintos parámetros en la composición y utilizando los compuestos orgánicos contenidos en hojas secas.

Una de las formas de variar artificiosamente el Eh de un medio, es mediante el agregado de Fe ferroso (utilizado también como marcador de la precipitación de sulfuro metálico, Sol. II). Cuando la concentración de hierro ferroso en el medio aumenta, el Eh del mismo disminuye. Entre la experimentación que se viene desarrollando para analizar el efecto del Eh, tanto en el desarrollo microbiano como en la precipitación del sulfuro metálico, se realizaron ensayos a pH 7,0 – 7,5, variando la proporción (V:V) de la Sol. II y con ello la concentración de Fe++ en el medio final.

La Tabla 2 indica los resultados obtenidos en relación al desarrollo microbiano (o cultivo de enriquecimiento) y precipitación del sulfuro metálico utilizando suero de leche como Solución III, y variando la cantidad agregada de Fe++ (Solución II), de modo de variar el Eh inicial del medio, según se indica en dicha Tabla.

En cada ensayo se procedió el pH y Eh inicial antes de cerrar cada frasco de cultivo. A las 48 horas se procedió a abrir los frascos de cultivo de a uno por vez, para realizar las mediciones finales de dichos parámetros y asociarlas a los resultados de desarrollo microbiano (observaciones microscópicas) y precipitación del sulfuro metálico.
El burbujeo del exceso de SH2 hizo difícil la toma de mediciones mediante electrodos al abrir los frascos. Se debe esperar que el burbujeo termine (incluso después de una hora) para poder tomar el pH final. La inestabilidad de la medición por el movimiento y burbujeo de SH2 sobre la membrana del electrodo de Eh no permite tomar una medida del Eh final al momento de abrir el frasco, y la medida cuando el burbujeo termina carece de valor por cuanto no guarda relación con la real final en el ensayo antes de abrir.

No obstante, a los fines tecnológicos, resulta más importante determinar por debajo de que límite superior de Eh se produce el desarrollo microbiano requerido, y cual es el límite superior de Eh por debajo del cual se produce la precipitación del sulfuro metálico en cuestión, pudiendo ello inferirse de los resultados asociados a los valores iniciales.

Tabla 2. Resultados obtenidos utilizando suero de leche como nutriente y presión de selección: pH final, desarrollo microbiano y precipitación del sulfuro metálico, en función del Eh inicial regulado variando la cantidad de Fe++ agregado al medio.


Ensayo Nº

Sol.III (suero)

Sol. II (Fe++) (% V:V)

pH inicial

Eh inicial (mV)

pH final


Desarrollo Microbiano

Precipitación del sulfuro metálico

I

3

0,5

7,58

-135

7,582

-

-

II

3

1

7,558

-189,2

7,803

+

-

III

3

1,33

7,443

-219,5

8,722

+

+

IV

3

1,66

7,537

-237,5

8,855

+

+

V

3

2

7,437

-255,9

8,75

+

+


Considerando que las bacterias anaeróbicas reductoras de SO4= (BARS), producen CO3H-, elevando el pH y siendo este el mecanismo útil a fin de neutralizar efluentes ácidos, los valores de pH final indicados en la Tabla 2, y en relación al pH inicial, dan cuenta de la capacidad de neutralización del sistema en cada condición. La elevación del pH está asociada al desarrollo microbiano. Obsérvese que en el ensayo I, en el que el potencial fue relativamente elevado para permitir el desarrollo microbiano (-), el pH se mantuvo constante.

En el ensayo II, el incremento relativamente bajo de pH, se asocia a un desarrollo microbiano que si bien fue positivo, en 48 horas no tuvo la actividad suficiente para producir una cantidad de SH2 que disminuyera el Eh por debajo del valor necesario para precipitar el sulfuro metálico. Lo anterior también indica que la velocidad de multiplicación microbiana, asociada a la velocidad de transformación de los compuestos del medio, dependen del valor inicial de Eh y se aceleran a medida que este último disminuye.
Las variaciones de pH final respecto del inicial, de los ensayos I, II, III, IV y V, analizadas comparativamente, confirman que la actividad microbiana de oxidación de compuestos orgánicos y reducción de SO4=, producen CO3H- elevando el pH.

Los resultados de la Tabla 2 analizados globalmente en función del Eh inicial, sugieren que tanto el desarrollo microbiano como la producción del agente alcalino potencialmente neutralizante de efluentes ácidos, y la precipitación del sulfuro metálico, son posibles y se aceleran notablemente a un Eh en general inferior a -200 mV.

4. CONCLUSIONES
Se han obtenido cultivos microbianos seleccionados por su capacidad reductora de sulfatos, utilizando como fuente de energía, fuente de carbono y fuente de nitrógeno, los compuestos contenidos en residuos o subproductos de bajo o nulo valor económico procedentes de la industria alimenticia: Borra, Escobajo y Suero de leche.

Se obtuvieron también cultivos microbianos de BARS seleccionados por su capacidad de desarrollar utilizando los compuestos orgánicos de hojas secas de árboles (mora y plátano), lo cual abre la perspectiva de una aplicabilidad más general por su disponibilidad: todo el follaje de los árboles se renueva cada año, constituyendo una fuente inagotable de materia orgánica.
Se ha verificado la elevación del pH asociada al desarrollo de BARS, indicando que un proceso de estas características además de descontaminar efluentes portadores de metales, permitiría neutralizar efluentes ácidos con ahorro de los costos asociados al consumo de cal que se requiere para neutralizar efluentes ácidos.

Se ha determinado que para el diseño y control de un sistema rápido y eficiente, en cualquiera de las aplicaciones que están en desarrollo, sistemas activos o sistemas pasivos, es fundamental tomar las medidas necesarias y hacer el seguimiento del Eh, el cual en general deberá ser preferentemente inferior a -200 mV. No obstante, para cada efluente en particular este valor debiera chequearse, y eventualmente ajustarse, conforme a los metales presentes en el efluente

AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a CICITCA – UNSJ, por su contribución al desarrollo de esta línea de trabajo.

REFERENCIAS
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Barnes, L. J. , J. Sherren, F. J. Jansen, P. J. H. Scheeren, J. H. Verteegh y R. O. Koch (1991) Non Ferrous Metallurgy Present and Future. Elsevier. pp. 391 – 401.

Ehrlich, H. (1995). Physical Parameters that Influence Geomicrobial Activity. In Geomicrobiology. Chapter 6, pp. 135 – 137. Marcel Dekker, Inc. Third edition, revised and expanded. New York. Basel. Hong Kong. Printed in USA. ISBN 0 -8247-9541-5

Ettner, D. (1999) Pilot Scale Constructed Wetland for the Removal of Nickel from Tailings Drainage, Southern Norway. Proceedings of International Congress: Mine, Water & Environment. Vol. 1. pp. 207 – 211. Sevilla. España

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Karavaiko, G. I. (1988), Microorganisms and their significance for Biogeotechnology of Metals. In Biogeotechnology of Metals Manual. United Nations Environment Programme (UNEP). pp. 28 – 35. Moscow.

Nragu , J.O. y J.N. Pacyna (1988). Metals Pollution, Nature. Vol. 333. 134 – 137.

Pourbaix, M. (1966). Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions. Trans. From the French by Games A. Franklin. Oxford, Fergamon Press; Brussels, Cebelcor. Page 644.

Winogradsky, S. N. (1952). Principles of Ecological Microbiology, Conclusión. Microbiology of Soil. Publ. In Russian. Academy of Science. pp. 789. Moscow.

Ziemkiewicz, P., J. Skousen y J. Simmonds (2003). Long Term Perfomance of Passive Acid Mine Drainage Treatment Systems. Mine Water and the Environment, Vol. 22 (3), pp. 118 -129.



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