20071005 biomineria y biorremediacion donati

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BIOMINERÍA Y BIORREMEDIACIÓNDOS APORTES BIOLÓGICOS

HACIA UNA MENOR CONTAMINACIÓN

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BIOMINERÍA

Aportes biológicos a los procesos deexplotación minera

FlotaciónRecuperación

BIORREMEDIACIÓN

Uso de microorganismos para la remediación ambiental

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Metales de transición

Minerales de cobre

Cu (nativo)

Cu2O (cuprita)

CuCO3.Cu(OH)2 (malaquita)

CuFeS2 (calcopirita)

CuS (covelita)

Cu2S (calcocita)

Cu5FeS4 (bornita)

14.000.000 de toneladas Cu

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Pirometalurgia:

CuS + 3/2 O2 CuO + SO2

2 CuO + C 2 Cu + CO2

CuO + CO Cu + CO2

CuO + H2 Cu + H2O

Poco rentable (minerales baja ley)

Muy contaminante

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Hidrometalurgia:

CuS + H2SO4 CuSO4 + SH2

CuS + Fe2(SO4)3 CuSO4 + 2 FeSO4 + S

No rentable teóricamente

Mayor recuperación que la estequiométricaMenor consumo de reactivos

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1947

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Acidithiobacillusferrooxidans

Acidófilo (pH 1-4)Oxida Fe2+ y SEs un baciloAeróbico Usa CO2Mesófilo (20-40 oC)

Resistente a metales)55 g/l Cu(II)72 g/l Ni(II)

120 g/l Zn(II) 160 g/l Fe(II)

30 g/l Co(II)

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Acidithiobacillusthiooxidans

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Acidithiobacilluscaldus

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Leptospirillumferrooxidans

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HETERÓTROFOSAUTÓTROFOS

MESÓFILOS TERMÓFILOS

ACIDÓFILOS

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BIOLIXIVIACIÓN

BACTERIAS LEVADURASHONGOS

LIXIVIACIÓNBACTERIANA

Incremento en la velocidad de disolución de ciertos componentes en una matriz insoluble o poco soluble,

por acción directa o indirecta de microorganismos

ARQUEAS

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Sulfolobusmetallicus

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Volcán Copahue

(Neuquén)

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PROCESO GLOBAL

MS(s) + 2 O2(g) MSO4(ac)

MECANISMOS EN LA LIXIVIACIÓN BACTERIANA DE SULFUROS

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MS(s) + 2 O2(g) MSO4(ac)

2 Fe2+ + 1/2 O2 + 2 H+ A. f./L.f. 2 Fe3+ + H2O

MS + 2 Fe3+ M2+ + S + 2 Fe2+

S + 3/2 O2 + H2O A.f./A.t./A.c.c. H2SO4

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MECANISMO VÍA TIOSULFATO

At.f. y At.t.

MSFe3+

Fe2+

M2+ + S2O32-

Compuestos Intermediarios

SO42- + H+

At.f. y L.f.

Banda de valencia sólo del metal(no contribuye al enlace)

Sulfuros no solubles en ácido(dan sulfato por oxidación química:

FeS2, MoS2)

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MECANISMO VÍA POLISULFUROS

Banda de valencia del metal y del sulfuro

(contribuye al enlace)

Sulfuros solubles en ácido(dan azufre por oxidación química:

CuS, ZnS, CuFeS2, PbS)

SO42-

At.f. y At.t.

M2+ + Sn2-

S8

H+

At.f. y At.t.Compuestos Intermediarios

MSFe3+

Fe2+

At.f. y L.f.

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200 µm

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30 µm

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6 µm

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Solución lixiviante

Acidithiobacillusferrooxidans

Sulfuros (pirita)Ataque en la interfase

CitoplasmaMembrana citoplasmáticaMembrana externaEspacio periplasmático

Hierro complejado en exopolímeros

Capa de exopolímeros

Gránulos de azufre y politionatos

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¿la biolixiviaciónes sólo válida

a nivel de laboratorio?

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LIXIVIACIÓN “HEAP” (pila)

Utilizado para minerales oxidados y/o sulfurados de cobre:

Pila de 6-20 metros de altura de mineral triturado

Base de concreto cubierto de polietileno de alta densidad, PVC, etc.

Poco control bacteriano.

Costos bajos.

METALES

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14.000.000 TONELADAS

4.740.000 TONELADAS

1.500.000 TONELADAS

PRODUCCIÓNMUNDIAL

CHILE(TOTAL)

CHILE(BIOLIXIVIACIÓN)

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Mina de cobreChuquicamata

Chile

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Camión de 300 ton

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Aplicable a otros metales (bajo la forma de sulfuros)

NíquelCobalto

Cinc

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MECANISMOS

a) Especies de uranio(VI) (requiere disolución ácida)

S + 3/2 O2 + H2O → H2SO4

b) Especies de uranio(IV) (requiere oxidación): UO2, U3O8,

DIRECTO:

2 UO2 + O2 + 2 H2SO4 → 2 UO2SO4 + 2 H2O

INDIRECTO:

UO2 + 2 Fe3+ → UO22+ + 2 Fe2+

BIOLIXIVIACIÓNDE URANIO

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MINERALES DE OROMINERALES DE ORO

Minerales refractariosEl oro está finamente diseminado en la matriz y no puede ser

liberado ni siquiera con muy fina molienda.

Alto consumo de cianuro

Baja recuperación de oro (30-35 %)

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PRETRATAMIENTO DE MINERALESPRETRATAMIENTO DE MINERALES

FeS2FeAsS

Au Au

Tostación

700-800 oC

Alta presión

200 oC

Bacteriano

30-50 oC

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

MASIFICACIÓN DEL CONSUMO DE PRODUCTOS TECNOLÓGICOS

ALTO CONSUMO DE INSUMOS NO RENOVABLES

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

PRODUCCIÓN INDUSTRIAL MASIVA

PRODUCCIÓN AGROPECUARIA INTENSIVA

EXPLOTACIONES MINERAS DE GRAN ENVERGADURA

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

USO DE TECNOLOGÍAS CONTAMINANTES

APLICACIONES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS INDISCRIMINADAS

POBRE CONTROL AMBIENTAL

INSTALACIONES/PROCESOS INADECUADOS

LUGARES INADECUADOS

EFLUENTES Y RESIDUOS

TRANSPORTE DE INSUMOS Y PRODUCTOS

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

RESIDUOS

EMISIONES GASEOSAS

EMISIONES DE POLVO

EFLUENTES LÍQUIDOS

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

AIRE

AGUAS SUPERFICIALES

AGUAS SUBTERRÁNEAS

SUELOS

SERES VIVOS

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

1950 1960 1970 1980 1990

100

150

200

250

Población mundial

Consumo de metales

Consumo de combustibles fósiles

Año

1950

= 1

00

1950 1960 1970 1980 1990

100

150

200

250

Población mundial

Consumo de cobre refinado per cápita

Año

1950

= 1

00

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

INCREMENTO DE PRODUCTOS TECNOLÓGICOS

MASIFICACIÓN DEL CONSUMO DE PRODUCTOS TECNOLÓGICOS

REDUCCIÓN DE PRODUCTOS SUNTUARIOS?

SERIO PROBLEMA A MEDIANO PLAZO CON

RECURSOS NO RENOVABLES

APORTAR SOLUCIONES TRANSITORIASAL PROBLEMA AMBIENTAL CRECIENTE

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

PAPEL DE LA CIENCIAY LA TECNOLOGÍA

TECNOLOGÍASTECNOLOGÍASLIMPIASLIMPIAS

SUSTENTABLESSUSTENTABLES

BIOCOMBUSTIBLES BIOMINERÍA

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265 MILLONES DE TONELADAS DE RESIDUOS PELIGROSOS

GENERADOS POR AÑO

40 MILLONES SON DISPERSADAS EN EL MEDIO AMBIENTE

40.000 SITIOS CONTAMINADOS SERIAMENTE

PARA LIMPIAR TODOS LOS RESIDUOS PELIGROSOS:

370.000.000.000-1.700.000.000.000 DOLARES

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

PROCESO DE TRATAMIENTO

Economía

MedioAmbiente Sociedad

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

TECNOLOGÍASTECNOLOGÍASPARA REMEDIARPARA REMEDIAR

EL AMBIENTEEL AMBIENTE

PAPEL DE LA CIENCIAY LA TECNOLOGÍA

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Producir menos residuos

– Evitando crear nuevos

– Reciclando y volviendo a usar

Convertir en sustancias menos tóxicas

– Aislamiento

– Incineración

– Transformación química

– Bio-remediación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

TRATAMIENTOS CLÁSICOS

• Usualmente caros

• Contaminaciones laterales

• No útiles para volúmenes grandes y

concentraciones pequeñas

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

BIORREMEDIACIÓN

Uso de microorganismos (hongos, levaduras,

bacterias) y/o sus derivados para degradar

contaminantes o disminuir su acción sobre el medio

ambiente y su acción tóxica sobre los seres vivos

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Landfarming

Ex situ

Remoción de los contaminantes para

su tratamiento

BIORREMEDIACIÓN

Bio-reactores

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

In situ

Tratamiento en el lugar

VENTAJAS DE TRATAMIENTO IN SITU

Elimina problemas de transporte

Elimina modificaciones abruptas del lugar

Aplicable a contaminaciones diluidas y difundidas

en un área muy grande

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Estrategias de biorremediaciónEstrategias de biorremediaciónBIO-ESTIMULACIÓN

Implica mejorar las condiciones ambientales

para favorecer el crecimiento microbiano

Contaminación antigua

Concentraciones moderadas de contaminante

Contaminación orgánica múltiple

No se requiere una limpieza rápida

Puede agregarse nutrientes (N, P), aceptores de electrones (O2) e incluso sustratos (metano, fenol, tolueno)

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

BIO-AUMENTOInoculación de microorganismos

degradadores en el sistema

Contaminación reciente

Concentraciones altas de contaminante

Concentraciones bajas de contaminante, pero inaceptables

Se requiere una limpieza rápida

Estrategias de biorremediaciónEstrategias de biorremediación

Aumento de las capacidades metabólicas de la comunidad microbiológica indígena

Aumento de

la actividad

Mejoramiento

Extracción Bacteriassobrevivientes Nutrientes, agua,

OxígenoRe-inoculaciónBIO-ESTIMULACIÓN

BIO-AUMENTOCNEA

OCTUBRE 2007EDGARDO DONATI

CINDEFI (CONICET-UNLP)

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

CO2

H2O

Hmmm, Muy Bueno!!!

BiodegradaciónMineralización

Biodegradación parcialTransformación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

HIDROCARBUROS

Petróleo Crudo

Derrames

Emisiones

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

USUALMENTE AERÓBICOS

Primera etapa:usualmente introducción

de oxígeno

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METALES PESADOS

• Aproximadamente 40 metales (Cu, Cd. Pb, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Mo )con densidad igual o superior a 5 g/cm3 (aunque se incluyen otros)

• Algunos son esenciales en pequeñas cantidades pero tóxicosen concentraciones relativamente elevadas

• Efluentes de minas (Cu, Zn, Pb, Mn, V, Cr, As, Se, U)

• Industrias procesamiento de metales(Cu, Zn, Mn)

• Electroplating(Cr, Ni, Cd, Zn)

• Operaciones Especiales(Hg, metales preciosos)

• Nucleares(U, Th, Ra, Sr, Eu, Am)

• Residuos específicos(pilas, baterías, industrias alimenticias, etc)

Fuentes de contaminación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Evaluación de riesgo, valor de mercado

y probable cambio de precios de acuerdo a reservas, consumo, etc

RECICLADO

• INERTIZACIÓN• DISMINUCIÓN DE TOXICIDAD

RECUPERACIÓN

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CO2 H2O

SUSTANCIASORGÁNICAS

Zn2+

Cr3+

Cu2+

???

METALES

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

METALES PESADOS

No pueden ser degradados

Pueden ser transformados

• Cambios a especies de distinta solubilidad

• Cambios en los estados de oxidación

• Entre especies inorgánicas y orgánicas

Movilización

Inmovilización

Cambios en la biodisponibilidad/toxicidad

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Oxidación de metales

Reducción de metales

Degradación de compuestosorganometálicos

Acumulación/Sorción de metales

Disminución del pH

Aumento del pH

Producción de metabolitosque liberen o inmovilicen metales

BIO-REMEDIACIÓN

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Remoción por Biolixiviación

• Cenizas, Escorias• Residuos cloacales• Sedimentos Acuáticos• Residuos industriales • Residuos domiciliarios• Tierras contaminadas• Minas Clausuradas• Radionúclidos

• Disposición final• Aceleración del proceso• Recuperación

INOCULACION

MEDIO LIXIVIANTE

AIRENUTRIENTES

RECUPERACIÓNDE METALES

• Más económico• Solubilización gradual

de los metales

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Remoción por Biolixiviación

Oxidos Sulfuros

Biolixiviaciónácida

Biolixiviaciónoxidante

Biolixiviaciónácido-reductora

Metalessolubles en

menores estadosde oxidación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

BACTERIAS “MINERAS”

AcidithiobacillusLeptospirillum

MEDIO LIXIVIANTE ÁCIDO

S + 3/2 O2 + H2O A.f./A.t./A.c. H2SO4

MEDIO LIXIVIANTE OXIDANTE

4 Fe2++ O2 + 4 H+ A.f./L.f. 4 Fe3+ + 2 H2O

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Presencia de compuestos orgánicos

Remoción por Biolixiviación

CarbonatosSilicatos

HongosLevaduras

Bacterias heterótrofas

pH muy elevados

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Organismos heterótrofos

Solubilización por complejación con ácidos orgánicos

Penicillum: cítrico, tartárico, málicoAspergillus: cítrico, oxálico, glucónico

Rhizopus: láctico, fumáricoSchizophyllum: málico

Solubilización por acidificación

Solubilización por complejación con sideróforos

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

BIOSORCION

• No metabólico(no viables osin sustrato)

• Rápido• Reversible• Baja Eactivación

Intercambioiónico Complejación Adsorción

física

Precipitación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

BIOSORCION

• Metabólico(viables ycon sustrato)

• Lento• Irreversible• Alta Eactivación

Precipitación

SUSTRATO

Transporte a través de membrana

BIOACUMULACIÓN

METABOLITO

INTRACELULAR

EXTRACELULAR

SUPERFICIECELULAR

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• ALGAS• BACTERIAS• LEVADURAS• HONGOS

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Biomasa inerte inmovilizada

VENTAJAS

• Independiente del crecimiento. No sujeto a toxicidad.

• No necesita nutrientes. No hay productos metabólicos indeseables

• Son rápidos y eficentes. La biomasa es un intercambiador de iones

• La técnica de inmovilización no está restringida por toxicidad

o inactivación térmica.

• Los metales pueden ser fácilmente liberados y recuperados

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Tamaño de los gránulos: 0,7-1,5 mm (semejante al de resinas de intercambio)

Permite una mejor transferencia de masa

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CNEAOCTUBRE 2007

EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Bacterias sulfato-reductoras

C3H6O3 + SO4-2 → S-2 + C2H4O2 + CO2 +H2O

M+n + n OH- → M(OH)n ↓

M+n + S-2 → M2Sn ↓

BIOPRECIPITACIÓN

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Fosfatasa: activa entre 2 y 45 °C; pH: 4,5 y 8,5;

tolera altas concentraciones de metales

Zr(HPO4 )2 y ZrO2

UO2HPO4

CdHPO4

glicerol 2-fosfato fosfatasa HPO4= + glicerol

HPO4= + Me +2 MeHPO4

Bioprecipitación

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Bacteria con incrustacionesde fosfato de uranilo

Bacteria cubierta de precipitados

de fosfato de uranilo

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

Un ejemplo: Un ejemplo: el cromoel cromo

Menos tóxico Menos móvil

Insoluble a altos pH

CROMO(III)

Curtiembres, Metalurgia,

Galvanizado, Petroquímica, etc.

Contaminante primarioTóxico

Mutagénico CarcinogénicoSoluble y móvil

CROMO(VI)

REDUCCIÓNPRECIPITACIÓN

Bioreducción/oxidación de metales

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

FITO-REMEDIACIÓN

FITOESTABILIZACIÓN FITOFILTRACIÓN

FITODEGRADACIÓN FITOVOLATILIZACIÓN

FITOEXTRACCIÓN

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

PLANTA IDEAL

SER TOLERANTE A ALTAS CONCENTRACIONES

DE METAL

ACUMULAR ALTOSNIVELES DE METAL

EN LAS ZONASCOSECHABLES

PRODUCIR ALTA BIOMASA

TENER UN RÁPIDO CRECIMIENTO

TENER UN PROFUSO SISTEMA DE RAÍCES

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

ESTÉTICAMENTEADECUADOS

VENTAJAS DE LAFITO-REMEDIACIÓN

PUEDEN RECUPERARSE METALES RAROS O CAROS

MENOS EQUIPAMIENTOMEDIAS Y BAJAS CONCENTRACIONES

MENOS TRABAJO

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

MENOS COSTOSO EN SUELOS80-200 dólares por tonelada

vs 200-600 dólares por tonelada(remoción)

VENTAJAS DE LAFITO-REMEDIACIÓN

MUCHO MENOS COSTOSO EN AGUAS2-6 dólares por 4000 lts de agua

vs 80-100 dólares (filtración; otros métodos biológicos)

REDUCCIÓN DE MASA Y VOLUMEN5000 toneladas de suelo contaminados

25-30 toneladas de cenizas

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

WETLANDS

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

VENTAJAS

Más específicos

Aplicables a bajas concentraciones

Aplicables en grandes volúmenes

Contaminaciones no sistemáticas

Tratamiento de residuos especiales

Más lentos

Problemas con metabolitos intermedios (sólo con m.o. vivos)

Agregado de sustratos (sólo con m.o. vivos)

DESVENTAJAS

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

. .

Ni siquiera tenemos

salarios…

Creo que necesitamos un

Sindicato de trabajadores

Trabajamos en estas

condiciones

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EDGARDO DONATICINDEFI (CONICET-UNLP)

MUCHAS MUCHAS

GRACIASGRACIAS

POR SU POR SU

ATENCIÓN!!ATENCIÓN!!