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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Jornadas de Ciencia y Técnica en la UNSJ 2010 13 al 17 de Septiembre de 2010 – San Juan, Argentina. REDUCCIÓN MICROBIANA DE SULFATOS Y PRECIPITACIÓN DE METALES PARA LA DESCONTAMINACIÓN DE EFLUENTES N. H. Paños, J. C. Encinas, L. V. Gutiérrez y A. Senese Instituto de Investigaciones Mineras. Facultad de Ingeniería. UNSJ. Email: npanos@unsj.edu.ar 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. También los metales están presentes en sus formas oxidadas y solubles en todos los procesos de combustión. Mediante las tecnologías convencionales no se han encontrado soluciones de aplicabilidad general debido a barreras económicas. En los últimos años el campo de la bioremediación viene haciendo notables esfuerzos y avances en la utilización de las actividades metabólicas de Bacterias Anaeróbicas Reductoras de Sulfatos (BARS). En esta línea de trabajo se han obtenido cultivos microbianos seleccionados por su capacidad de desarrollar utilizando como nutrientes residuos de bajo o nulo valor económico: borra y escobajo (industria vitivinícola), suero de leche, y recientemente hojas secas. Este último adquiere el particular atractivo de su disponibilidad: todo el follaje de árboles se renueva cada año, constituyendo una fuente inagotable de materia orgánica. Palabras claves: Descontaminación – Metales – Bioremediación – Microorganismos seleccionados.
La Tabla I muestra una estimación (Nragu y Pacyna, 1988), de las toneladas por año, de metales oxidados, y en sus formas solubles, que van anualmente a la naturaleza, generados por una amplia gama de actividades humanas: combustibles y energía, metales ferrosos y no ferrosos, agricultura, manufactura, residuos municipales o urbanos: sólidos y aguas residuales. De los valores indicados en la Tabla I se desprende que cientos de miles de toneladas, son enviados a la naturaleza anualmente en forma soluble , siendo muchos de ellos altamente tóxicos, sin que actualmente existan soluciones tecnológicas técnica y económicamente factibles a esta problemática. Los efluentes portadores de metales en forma soluble, pueden tener algún grado de acidez y en general son portadores de sulfatos. Ello implica que deben neutralizarse con consumo de cal. Los iones metálicos y el sulfato deberían ser convertidos a formas más estable no lixiviables para cumplir con la creciente concientización y demandas ambientales. Los microorganismos cumplen un rol fundamental en la capacidad de autodepuración de la naturaleza y son esenciales en el mantenimiento del ecosistema global. En lo referente a la inmovilización de metales, tienen un efecto espectacular por diferentes mecanismos: oxidación o reducción a formas más insolubles, generación de compuestos (metabolitos) que al reaccionar con los metales producen compuestos metálicos insolubles o por mecanismos de biosorción. Cabría preguntarse porque, si los microorganismos que degradan o transforman los contaminantes están en la naturaleza, no dejar que lo hagan en la naturaleza misma. Debe tenerse en cuenta que desde la revolución industrial y con el crecimiento de la población humana, las demandas de recursos y bienes se incrementan constantemente generando disturbios en los ciclos elementales. Por otra parte la relocación masiva de materiales naturales o modificados por el hombre en distintos compartimentos estancos, a veces dominan o sobrepasan la capacidad propia de limpieza de los sistemas recipientes, resultando ello en una “acumulación” de contaminantes a niveles problemáticos . Tabla 1: Estimación (1988), de las toneladas por año, de metales oxidados, y en sus formas solubles, que van anualmente a la naturaleza, generados por una amplia gama de actividades humanas: combustibles y energía, metales ferrosos y no ferrosos, agricultura, manufactura, residuos municipales o urbanos: sólidos y aguas residuales.
Las tecnologías de bioremediación se basan en el entendimiento científico de la interacción entre microorganismos y contaminantes y en la determinación de los parámetros (condiciones óptimas) que disparan una elevada velocidad de multiplicación microbiana y por ende una elevada velocidad de transformación o interacción con el contaminante (son mecanismos asociados). A partir de ese conjunto de conocimientos científicos, se diseñan y desarrollan los sistemas tecnológicos que generen las condiciones necesarias para un proceso rápido y eficiente. De este modo es posible tratar los contaminantes antes de que estos lleguen a la naturaleza (opción preferencial), pero utilizando y optimizando mecanismos que le son propios a la naturaleza. Por las razones anteriores, los procesos de bioremediación , resultan de bajo o nulo impacto ambiental, y de bajos costos de inversión y operación en relación a otras tecnologías físico-químicas convencionales (reactivos químicos, energía ). Las bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato son microorganismos que reducen sulfato (SO4=) a sulfuro (S=), el cual precipita los iones metálicos como sulfuros metálicos, siendo estos últimos compuestos insolubles y estables por lo cual se los puede separar de los efluentes y confinar establemente. Además de una vía para descontaminar efluentes, hoy han comenzado a vislumbrarse a estos sistemas, como una vía para mineralizar nuevamente los metales que el hombre extrae y usa en sus distintas actividades, de modo de depositarlos en forma concentrada e insoluble como una reserva para las futuras generaciones. Estas bacterias requieren de algún o algunos compuestos orgánicos “específicos” para cada especie, e incluso para cepas de una misma especie de BARS. Tal especificidad se relaciona con los compuestos orgánicos disponibles en el hábitat natural en que cada cepa evolucionó. Tal compuesto orgánico actúa como fuente de energía para el desarrollo y multiplicación microbiana, y es metabolizado por las BARS produciendo bicarbonato (HCO3-). Bacterias anaeróbicas del género Desulfovibrio, como D. desulfuricans, utilizan lactato como sustrato energético (entre otros compuestos orgánicos), utilizando sulfato como aceptor de e- + H+, para poder realizar una respiración anaeróbica. En esta transformación microbiana se basa la precipitación de metales como sulfuros metálicos mediante una reacción química entre del ácido sulfhídrico producido por los microorganismos y los metales, precipitando sulfuros metálicos (compuestos insolubles y muy estables). D. desulfuricans 2 CH3-CHOHCOO-+SO4= → 2 CH3-COO-+2HCO3-+ H2S (respiración anaeróbica) Ecuación 1 MO + H2S → MS + H2O (reacción química) Ecuación 2 Por los mecanismos anteriores, cuando los efluentes tienen algún grado de acidez, el bicarbonato resultante de la actividad microbiana puede neutralizar dicha acidez, disminuyendo también la concentración de sulfato (SO4=) en el efluente. Por esta vía, es posible resolver los aspectos más problemáticos de este tipo de efluentes mediante un único proceso. Los compuestos orgánicos específicamente estudiados en laboratorios para la identificación y caracterización de cepas de BARS, son: alcoholes, azúcares, ácidos grasos, etc., requiriéndose también una fuente de nitrógeno, generalmente (NH4+), para su multiplicación (Karavaiko, 1988). Si bien al menos un proceso se desarrolló y aplicó para descontaminar aguas subterráneas que habían sido crónicamente contaminadas, utilizando etanol (Barnes, 1990; Barnes et. al., 1991) obviamente, compuestos orgánicos como los antes mencionados no son económicamente factibles de utilizar con una perspectiva de aplicación masiva. Por las razones anteriores, y considerando la diversidad biológica existente en la naturaleza, nuestra línea y estrategia de trabajo se ha dirigido a los objetivos generales centrales que se indican a continuación.
I) Obtención de cultivos microbianos de enriquecimiento de BARS “seleccionados” por su capacidad de desarrollarse específicamente utilizando como sustrato energético, fuente de carbono y eventualmente de nitrógeno, los compuestos orgánicos contenidos en subproductos o residuos de bajo o nulo valor económico como son: residuos de industria vitivinícola (principal industria de la región), suero de leche, y más recientemente a partir de los compuestos orgánicos contenidos en hojas secas. Este último adquiere el particular atractivo por su disponibilidad: todo el follaje de los árboles se renueva cada año, constituyendo una fuente inagotable de materia orgánica. Esta estrategia abre la posibilidad de obtener ventajas económicas competitivas desde la base del desarrollo. II) Considerando que los microorganismos son los verdaderos agentes de tales transformaciones y que los mismos, por su elevada superficie específica, responden inmediatamente a los factores ambientales, nos hemos enfocado a analizar los rangos Eh-pH necesarios para: i) tener un desarrollo rápido y eficiente de BARS con producción de SH2 , ii) posibilitar la reacción química siguiente entre el SH2 y el metal con formación del precipitado negro insoluble de sulfuro metálico.
2.1Presión de Selección Microbiana Es la condición o conjunto de condiciones físico-químicas que se le imponen a un sistema o cultivo microbiano mixto, de forma tal que aquellos microorganismos que encuentren, en tales condiciones, posibilidades de multiplicarse, se desarrollarán, en tanto que el resto perecerá o permanecerá en una concentración relativa muy baja, dependiendo del factor aplicado como presión de selección. Los factores determinantes para el desarrollo microbiano y biotransformaciones específicas, los cuales pueden ser utilizados como presiones de selección, son:
Cualquiera de los factores anteriores, constituye de por sí una presión de selección. Por ejemplo si se prepara un medio de cultivo a pH = 4, para obtener un desarrollo microbiano, solo se multiplicarán aquellos microorganismos que puedan hacerlo a ese pH. Lo mismo sucede con el resto de los factores. De este modo pueden aplicarse presiones de selección para obtener cultivos de enriquecimiento de microorganismos que puedan multiplicarse en el conjunto de condiciones o presiones de selección impuestas. Estas presiones de selecciones deben elegirse con sentido técnico y económico para tener en lo posible ventajas competitivas desde la partida Es muy importante tener en cuenta que las bacterias aisladas, caracterizadas, publicadas y consideradas en la clasificación taxonómica vigente, representan una pequeña proporción, de la gran diversidad existente en la naturaleza. La consideración de las características fisiológicas de las bacterias aisladas y caracterizadas tiene un valor científico y aporta un marco de conocimiento que sustentan la posibilidad de aplicación de este tipo de microorganismos a procesos tecnológicos. No obstante debe tenerse en cuenta lo que un eminente científico y microbiólogo pionero en geomicrobiología como Winogradsky, escribió en 1952 (Ivanov, 1985; Winogradsky, 1952) : “Los métodos para estudiar procesos reales relacionados con microbios que se encuentran en la naturaleza, deben basarse en investigaciones con comunidades microbianas completas que desarrollen en determinadas condiciones”. Desde un punto de vista tecnológico debe explotarse la posibilidad que el investigador tiene respecto de aislar de la naturaleza y hacer enriquecimiento de cepas bacterianas específicas que puedan cumplir las actividades que la problemática particular que cada proceso tecnológico requiere, adaptado a la región y a necesidades específicas, con sentido económico. Es decir, es posible aislar bacterias o cultivos mixtos, por presiones de selección y dichas presiones se hacen corresponder con las características del sistema tecnológico que se quiere desarrollar y/o con los sustratos (nutrientes) que económicamente conviene utilizar. El concepto anterior es lo que hoy se conoce, y se aplica en procesos industriales, como “cultivos mixtos seleccionados no identificados”. Cuando se diseñan las presiones de selección a imponer en un medio de cultivo, es fundamental considerar los requerimientos nutricionales de los microorganismos. La multiplicación microbiana y consecuentes biotransformaciones, para cualquier microorganismo o población microbiana, depende de la disponibilidad de un conjunto de nutrientes, que en sus aspectos específicos (compuestos) se relacionan con la composición del hábitat natural en el que cada uno evolucionó, pero en general pueden resumirse y clasificarse de la siguiente forma . a) Sustrato energético (SE): Es un compuesto orgánico o inorgánico factible de ser oxidado por microorganismos específicos y que a su vez constituye la fuente de energía. La reacción de oxidación libera energía, que es captada en la superficie celular en un compuesto, el Adenosín Tri - Fosfato, (ATP), que posee enlaces de elevada energía química. En el ATP se reserva la energía que la célula consume para multiplicarse. De allí que sin un sustrato energético adecuado, no hay multiplicación microbiana. La oxidación microbiana del sustrato energético libera e- + H+, según la siguiente reacción: Oxidación | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SE Comp. Oxidado + e- + H+
Microbiana 1 2
