efectos ambientales de contaminantes químicos

87Vol. XXIII, Nº 3, septiembre-diciembre, 2011

Recepción: marzo 2011Aceptación/publicación: agosto.2011

EFECTOS AMBIENTALES DE CONTAMINANTESQUÍMICOS EN LAS AGUAS: UNA PROPUESTABIOTECNOLÓGICA PARA SU ELIMINACIÓNMSc. Irina Salgado-BernalI, Herlen Cárcamo-RamírezII, MSc. Armando MartínezI, Dra.C. María

Elena Carballo-ValdésI, Dr.C. Mario Cruz-AriasI, Dra.C. María del C.Durán-Domínguez-de-BazúaII

[email protected]

IFacultad de Biología, Universidad de La Habana, Ciudad de La Habana, Cuba, IIFacultad de Química,Universidad Nacional Autónoma de México, México D.F.

ResumenLos contaminantes químicos presentes en las aguas residuales, como la materia orgánica, el

nitrógeno amoniacal (N-NH4+), el fosfato (P-PO43-) y los metales pesados, causan efectos tóxicos sobrelos seres vivos y serios problemas de contaminación en los ecosistemas impactados con ellos. Eltratamiento biológico con bacterias puede ser empleado en el manejo de la calidad de las aguas, debidoa su capacidad para degradar, transformar y capturar estos contaminantes. El objetivo de este trabajofue determinar la remoción de materia orgánica, nitrógeno, fósforo y metales pesados por trece aisladosbacterianos autóctonos, en presencia de efluentes sintéticos que simulan aguas contaminadas. Seemplearon aislados bacterianos rizosféricos autóctonos y se determinó la capacidad de remoción de loscontaminantes de interés frente a soluciones simuladas de efluentes domésticos e industriales, cuantificandola demanda química de oxígeno (DQO), el N-NH4+, el P-PO43-, el plomo (Pb2+), el cadmio (Cd2+), elcromo (Cr6+) y el mercurio (Hg2+). Se determinó el porcentaje de remoción, así como la significación enla disminución de la concentración inicial de los contaminantes del efluente. Gran parte de los aisladospresentaron altos valores de remoción de materia orgánica y fósforo, incluso con valores del 100% deremoción, y aunque en menor cuantía, también se observó la remoción de nitrógeno y de los metalespesados por algunas bacterias; con varios de los aislados se detectaron comportamientos de multirremoción.Los resultados promueven la futura aplicación de los microorganismos empleados en tratamientosbiotecnológicos de aguas residuales contaminadas.

Palabras clave: contaminantes químicos, bacterias, remoción.

AbstractChemical contaminants in wastewaters, such as organic matter, ammonia nitrogen (N-NH4+),

phosphate (P-PO43-) and heavy metals cause toxic effects on living beings and serious pollution onecosystems impacted. The biological treatment with bacteria can be used in the management of waterquality due to the potentiality of these microorganisms to degrade, transform, and capture these pollutants.The purpose of this study was to determine the elimination of organic matter, nitrogen, phosphorus andheavy metals by thirteen indigenous bacterial isolates, in the presence of synthetic effluent that simulatecontaminated water. Rhizospheric bacterial isolates were used and it was determined its capacities forremoval of contaminants of interest by means of solutions simulating domestic and industrial effluents;the chemical oxygen demand (COD), N-NH4+, P-PO43-, the lead (Pb2+), cadmium (Cd2+ ), chromium(Cr6+ ) and mercury (Hg2+) were determined. The percentage of removal and the significance indecreasing the initial concentration of pollutants in the effluent were determined too. Most of the isolatesshowed high removal of organic matter and phosphorus, even with values of 100% of removal and alsothe removal of nitrogen and heavy metals by bacteria was observed, but in a lesser extent; with severalisolates were detected multiremoval behaviors. The results promote the further implementation of theused microorganisms in biotechnology treatments of contaminated wastewaters.

Key words: chemical contaminants, bacteria, removal.

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Introducción

La contaminación química de las aguas es unproblema que afecta su calidad a nivel mundial, porello el tratamiento de efluentes es considerado una delas estrategias actuales para el manejo de la calidad delas aguas. Entre algunos de los contaminantes químicospeligrosos se encuentran los metales pesados, losnutrientes como compuestos nitrogenados ycompuestos del fósforo, así como la materia orgánica/1/, los cuales pueden provenir de residuos domésticos,industriales y agrícolas.

La materia orgánica efluente está compuesta porelementos complejos y heterogéneos, entre ellos seencuentran carbohidratos, proteínas y ácidos grasos/2/. Los compuestos del nitrógeno y fósforo, seencuentran entre unos de los contaminantes másimportantes de las aguas residuales debido a su papelen la eutrofización, su efecto en la concentración deoxígeno de las aguas receptoras y su toxicidad paralos invertebrados acuáticos y vertebrados, incluyendolos seres humanos /3/.

Además de los efectos directos sobre losorganismos vivos, todos estos contaminantes tambiénpueden afectar características como turbidez y olordel agua, lo cual interfiere en actividades recreativasy de uso estético /4/.

En el caso de los metales pueden provenir de unagran variedad de fuentes: baterías, cerámicas,bombillos de luz eléctrica, pinturas, aceite de motorusado, plásticos, entre otras /1/, y no pueden serdegradados naturalmente, permanecen en lossedimentos y son lentamente liberados en los cuerposde agua, aún cuando se encuentren presentes encantidades bajas e indetectables, su recalcitrancia yconsiguiente persistencia implica que a través deprocesos naturales, como la biomagnificación, suconcentración pueda llegar a ser tan elevada que seconvierta en tóxica /5/. Entre algunos de los másperjudiciales están el cadmio, el plomo, el cromo y elmercurio, los cuales pueden presentar efectos tóxicosderivados de su acción sobre grupos funcionalesvitales de los seres vivos /6/.

Los dos principales procesos de tratamiento parala remoción de contaminantes de las aguas residualesson químicos y biológicos. A pesar de las ventajas del

tratamiento químico, los inconvenientes son enormes.Debido a esto, el tratamiento biológico se ha comenzadoa explotar en las últimas décadas, principalmentesacando ventaja de la habilidad de los microorganismosde utilizar diversos constituyentes de las aguasresiduales para obtener la energía para su metabolismo/4/, ya sea a través de la asimilación directa de estoscompuestos, de su hidrólisis o transformaciones y dela diversidad de mecanismos que presentan para lacaptura de elementos como por ejemplo los metalespesados.

No obstante, el hecho de utilizar sistemas biológicos,no excluye en absoluto la intervención de procesosquímicos y físicos para la eliminación de contaminantes,pues precisamente la complejidad de la biotecnologíaambiental radica en la combinación de procesos, locual ocurre en el interior de la célula bacteriana.

Teniendo en cuenta estos elementos, el presentetrabajo se propuso como objetivo determinar laremoción de materia orgánica, nitrógeno, fósforo ymetales pesados por trece aislados bacterianosautóctonos, en presencia de efluentes sintéticos quesimulan aguas contaminadas.

Materiales y métodos

Microorganismos empleados

Se emplearon trece aislados bacterianosautóctonos, provenientes de la rizosfera de plantashidrófitas (Typha dominguensis), de humedalesnaturales de La Habana, Cuba.

Enfrentamiento de aislados al agua residualsintética doméstica

Se realizó el crecimiento bacteriano de lascepas individuales en medio de cultivo caldonutriente a 30 °C, 100 r.min-1, por 24 h; se filtró lacantidad de cultivo deseada para el enfrentamientocon equipo Millipore (0,2 µm); se lavó el filtro y seinoculó en el agua residual sintética compleja a unpH de 7, temperatura de 30 oC y 72 h de contacto.La inoculación fue de 1 % (V/V) de cada cultivobacteriano en el agua residual. Se utilizó un aguaresidual sintética compleja con una demanda químicade oxígeno, DQO, de 500 mg/L, contenido denitrógeno de 30 mg/L y contenido de fósforo de 6

Revista Cubana de Química, págs. 87-95


mg/L, para lograr un agua residual de tipo sanitario decontaminación promedio, según Metcalf y Eddy, /7/.

Enfrentamiento de aislados a agua residualcon metales pesados

Como punto de partida, se empleó el crecimientode cada aislado en medio de cultivo líquido caldonutriente, de 24 h de crecimiento, a 30±2 °C, enagitación a 100 r.min-1. Se colectaron las células porcentrifugación a 10 000 r.min-1 durante 20 min; selavaron con agua bidestilada, y se centrifugó; seeliminó el sobrenadante y se recuperó la biomasabacteriana.

Los ensayos de biosorción se realizaron de acuerdocon patrones de multirresistencia a los metales plomo,cromo, mercurio y cadmio, mostrados en estudiosanteriores por cada aislado. Se emplearon las siguientessoluciones mixtas (pH 7): Pb2+ + Hg2+ (TAN229);Pb2+ + Cr6+ + Hg2+ (TAN1115, TAN219, TAN217,TAN118, TAN316, TAN1113, TAN117, TAN216,TAN221, TAN119); Pb2+ + Cd2+ + Hg2+ (TAN1111);

Pb2+ + Cd2+ + Hg2+ + Cr6+ (TAN3110), conconcentración de plomo y cromo 1 mM, cadmio 0,6mM y mercurio 0,01 mM. Se enfrentó 0,03g debiomasa frente a 15 mL de la solución mixtacorrespondiente. Se incubó a 30 ± 2 °C, 100 r.min-1,72 h.

Cuantificación de la remoción decontaminantes

Antes de la cuantificación en todos los ensayos, seseparó la biomasa de la solución sintética, porcentrifugación a 10 000 r.min-1 durante 10 min y seanalizó el sobrenadante.

Métodos analíticos para la determinaciónde DQO, N y P

La DQO se determinó por el método colorimétricode reflujo cerrado, el N-NH4+ por el método deNessler directo (Micro-escala) y el P-PO43- por elmétodo del molibdato de amonio, según APHA-AWWA-WPCF, 1998 y Norma Mexicana NMX-AA- 034-SCFI-2001, 2001 /8,9/.

El % de remoción se calculó según la siguiente fórmula:

Determinación de metales

Las muestras se analizaron por espectroscopía deemisión óptica de plasma acoplado inductivamente,ICP-OES, por sus siglas en inglés. Para el Cd2+ se usóuna longitud de onda de 228,802 nm, para el Cr2+ de267,716 nm, para el Hg2+ de 253,652 y para el Pb2+ de220,361.

La determinación de la cantidad de metal capturadose realizó según la ecuación: q = (Ci - Cf) V / m /10/, donde q: mg de metal capturado por gramos debiomasa (mg.g-1), Ci: concentración inicial del metal,Cf: concentración final del metal, m: masa de labiomasa en la mezcla de reacción, V: volumen de lamezcla de reacción.

Análisis estadísticos

Se utilizó el paquete estadístico Statistic 6.1; paracomprobar la normalidad y homogeneidad de varianzade las muestras se realizaron las pruebas deKolmogorov- Smirnov y Bartlett, respectivamente.

Se realizó ANOVA de clasificación simple; las mediasse compararon utilizando la prueba de StudentNewman Keuls paramétrica (SNK) (p = 0,05).

Resultados y discusión

Remoción de DQO, nitrógeno y fósforo deagua residual sintética doméstica

La remoción de DQO, nitrógeno y fósforo semuestra en la figura 1. En el caso de la DQO, el100 % de los aislados mostró remoción, y excepto elaislado TAN3110 (46.,37 %) todos removieron másdel 50 % de la materia orgánica presente en el aguaresidual sintética. Además, con seis de ellos se eliminóel 100 % de la carga de materia orgánica inicial. Parael fósforo, el 100 % de los aislados también mostróremoción, todos los porcentajes estuvieron por encimade 50, y once aislados mostraron 100 % de remoción.

En el caso del nitrógeno, el 54 % de los aisladosmostró remoción, la que se encontró por debajo del50 %, en todos los casos. En algunos efluentes,



para el caso de los aislados que no mostraronremoción, se detectaron concentraciones de NH4+

superiores a la concentración inicial. Siete de losaislados mostraron remoción de los tres contaminantesestudiados (TAN1113, TAN118, TAN316, TAN229,TAN1111, TAN3110 y TAN117). Los resultados

mostraron diferencias en el comportamiento decada aislado, encontrándose respuestas no siemprehomogéneas al observar los comportamientos decada uno frente a cada indicador de contaminacióny los comportamientos de remoción entreindicadores.

Fig. 1 Porcentajes de remoción de DQO, nitrógeno y fósforo por los trece aislados bacterianos frentea un agua residual sintética compleja. Condiciones de cultivo: temperatura 30 ± 2°, pH 7, 72 h

de contacto, 100 r.min-1. Los resultados son el promedio de tres repeticiones y las barrasde error representan el error estándar.

Al comparar la concentración de contaminantes alfinal de los experimentos con las concentracionesiniciales (tabla 1), se observó que con los aislados quepresentaron remoción de nitrógeno no se obtuvo unadisminución de concentración significativa en elefluente, y las diferencias significativas con respectoa la concentración inicial se presentaron en algunos delos tratamientos con los aislados que no mostraronremoción, pero que sí incrementaron la cantidad deamonio en el agua. Para la DQO, el 69 % de losaislados mostró una disminución significativa de laconcentración de materia orgánica, y también el 69 %mostró disminución significativa de la concentraciónde fosfato.

Las bacterias se han convertido en un factor claveen la biorremediación, definida como el uso de

sistemas biológicos para la eliminación decontaminantes /11, 12/, debido, fundamentalmente, asu gran diversidad y versatilidad metabólica. Cuandolas cepas bacterianas son obtenidas de sitios impactadospor contaminación, como el caso de los aislados deeste estudio, las probabilidades de encontrar diversidadde respuestas frente a diferentes compuestos aumentaaún más /13/.

Los resultados de la remoción de DQO yfósforo de este trabajo consolidan este hecho,pues los niveles de remoción encontrados fueronelevados y constituyen un resultado importante,teniendo en cuenta que se empleó un aguasimulada con características de agua residualmedia, por lo que las concentraciones decontaminantes fueron altas.



Existen reportes de diferentes cepas bacterianasque pueden realizar la remoción de materia orgánicay fósforo de un agua contaminada, debido a que ellasemplean como fuentes nutricionales estos compuestos,pero los resultados de este trabajo resaltan teniendoen cuenta que se trabajó con un agua compleja quepresentó una variada mezcla de compuestos y aún asíse observó una disminución de los contaminantes enel efluente tratado.

Los porcentajes de remoción obtenidos son algunossimilares y otros superiores a los niveles logrados conotros microorganismos /14, 15/, no obstante el 100 %que presentaron algunos aislados es difícil de obtener.A pesar de las similitudes con otros estudios en estetrabajo la interacción de las biomasas con el aguaresidual fue un tiempo más corto, por lo que estosaislados autóctonos además de llevar a cabo la remociónde contaminantes, pueden realizar el proceso en untiempo relativamente pequeño, característica deseableen un proceso de tratamiento.

Los valores de remoción para el nitrógeno nofueron tan satisfactorios. Según lo informado porotros autores en ocasiones se puede obtener unaremoción de nitrógeno amoniacal por encima del 50 %

empleando microorganismos /15/, pero esto ocurrecasi siempre cuando se trabaja con agua residual depoca complejidad.

La mayor concentración de amonio en el efluente,que se encontró en algunos casos, pudiera deberse alas transformaciones que ocurrieron en el agua productode la acción microbiana sobre la variedad decompuestos del agua residual. Además, en esteresultado podría estar influyendo la premisa de quepara convertir biológicamente el amonio del aguaresidual en dinitrógeno, se necesita la oxidacióncompleta a nitrato seguido de la desnitrificaciónheterotrófica o la presencia de bacterias anamóxicasen el sistema /16/.

Los resultados diferentes mostrados entre losaislados frente a cada contaminante, así como lasdiferencias de respuestas al comparar lasremociones de los diferentes contaminantes, seexplican debido a que cada interacciónmicroorganismo-agua residual muestra unfuncionamiento fisiológico específico /17/, deacuerdo con el tipo de microorganismo, así como ala interacción particular que se establece con cadacompuesto.

TABLA 1. COMPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES FINALES DE DQO,NITRÓGENO Y FÓSFORO DE CADA MUESTRA CON LAS CONCENTRACIONES

INICIALES DEL AGUA RESIDUAL SINTÉTICACOMPLEJA (PRUEBA SNK, P < 0,05)

*p < 0,05 **p < 0,01 (significativo) ***p < 0,001



Teniendo en cuenta los valores de remoción deDQO y fósforo de los trece aislados, de manerageneral, sumado a la remoción, aunque no tanelevada, que realizaron algunos de ellos de nitrógeno,avalado por la disminución significativa de laconcentración inicial de materia orgánica y fósforo,algunas de estas bacterias podrían ser propuestaspara su empleo en futuras tecnologías para eltratamiento de residuales domésticos, como alternativapreventiva antes del vertimiento de estoscontaminantes a los ecosistemas acuáticos y terrestres.Sin embargo, es necesario realizar estudios posteriorescon estos aislados insertados en sistemas de tratamientode aguas y que impliquen la interacción con residualesreales, lo cual será objetivo de futuras investigaciones.

Remoción de metales pesados desoluciones metálicas mixtas

La cantidad de metal removido varió entre loscuatro metales estudiados, y para un mismo metalentre los aislados. En el caso del plomo, el 85 % delos aislados presentaron remoción de la solución, parael cromo sólo dos presentaron remoción, ninguno delos enfrentados a cadmio lo eliminaron de la solucióny los resultados del mercurio mostraron que el 85 %removió el metal, aunque los niveles de remoción entodos los casos no resultaron elevados. Todos losaislados mostraron remoción de alguno de los metalesestudiados, excepto TAN229 y el 77 % presentómultirremoción (figura 2).

Fig. 2 Porcentajes de remoción de plomo, cromo, cadmio y mercurio de los treceaislados bacterianos frente a soluciones metálicas mixtas. Condiciones de

cultivo: temperatura 30 ± 2 °, pH 7, 72 h de contacto, 100 r.min-1.Los resultados son el promedio de tres repeticiones y las barras de

error representan el error estándar.

Las concentraciones finales determinadasno mostraron una disminución significativa deninguno de los cuatro metales en estudio, sólo seobservó diferencias significativas entre laconcentración final de cadmio y la concentración

inicial en la interacción del aislado TAN3110con la solución multimetálica, pero estadiferencia se debió al incremento de laconcentración de cadmio en la solución(tabla 2).



La diferencia de comportamientos entre los aisladospuede deberse a la interacción específica de cadabacteria con cada metal y por la influencia de losfactores abióticos bajo los cuales se desarrolló elexperimento /18/. Que algunos de los aislados hayanmostrado remoción de los metales de maneraindividual, e incluso multirremoción, a pesar de nohaber alcanzado altos valores, es importante, teniendoen cuenta que los cuatro metales ensayados seencuentran entre los de mayor toxicidad y, además,porque se trabajó con concentraciones muy superioresa los límites máximos permisibles en aguas, según laNorma Cubana NC 27: 1999 /19/, vigente en laactualidad.

La búsqueda de cepas que muestren remoción demás de un metal /20/, es de gran interés, ya que en losecosistemas, de manera natural, se presentan todoslos elementos en interacción.

A pesar de no haberse encontrado elevados nivelesde remoción hay que tener en cuenta que losexperimentos se realizaron enfrentando cada biomasabacteriana a soluciones mixtas con los metales ycuando se trabaja con un sistema multimetal puedeencontrarse que la cantidad total de metal biosorbido

sea menor que en un sistema simple /21/, pues enocasiones la presencia de cualquier ión metálico en lamezcla, ya sea binaria o de más de dos metales, tieneun fuerte efecto antagonista en los procesos debiosorción /22/.

Numerosos autores han informado la capacidadde diferentes cepas bacterianas para la remoción demetales /23, 24/, pero la mayoría de los resultados serelacionan con remoción de compuestos menos tóxicosque los estudiados y en el caso de emplearlos en lainvestigación, en pocas ocasiones se ensaya la remociónde todos, además se trabaja con menoresconcentraciones.

Teniendo en cuenta los datos, estas biomasaspudieran ser valoradas para su empleo en tecnologíaspara el tratamiento de aguas residuales contaminadascon metales pesados, con el correspondiente estudiodel mecanismo de remoción y de la interacción conresiduales reales que en su composición presentenmetales pesados.

Los aislados bacterianos estudiados se obtuvieronde aguas contaminadas, por lo que probablemente loscomportamientos presentados en la remoción de los

TABLA 2. COMPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES FINALES DEMETALES DE CADA MUESTRA CON LAS CONCENTRACIONES

INICIALES EN LAS SOLUCIONES METÁLICAS MIXTAS(PRUEBA SNK, P < 0,05)

- : (la remoción de este metal no se estudió para este aislado), ***p < 0,001



contaminantes son un reflejo de la respuestaadaptativa de los microorganismos en esosambientes impactados /25/.

Los resultados demuestran que muchos de losaislados presentaron eliminación de más de una fuentede contaminación, ya sean contaminantes presentesen efluentes domésticos como industriales, lo querealza su importancia, pues es difícil obtener cepascon múltiples potencialidades; por lo que la aplicaciónde estos aislados pudiera ser de amplio espectro, unavez se profundicen los estudios con ellos.

Conclusiones

Los presentes resultados podrían contribuir alfortalecimiento de los estudios de laspotencialidades que presentan losmicroorganismos para la remoción decontaminantes y a su propuesta como alternativaspara el saneamiento de las aguas, en lo queexisten todavía insuficientes estudios. Muchos delos aislados presentaron altos valores de remociónde materia orgánica y fósforo y en menor cuantíaremoción de nitrógeno y metales pesados tóxicos,resultando algunos de ellos efectivos en la remociónde más de un contaminante, a pesar de haberseenfrentado a altas concentraciones de estoscompuestos. Estos resultados convierten a estosaislados autóctonos en buenas propuestas para suimplicación en tratamientos biotecnológicos deaguas residuales contaminadas, ya sean efluentesdomésticos o industriales.

Agradecimientos

Esta investigación fue apoyada por InternationalFoundation for Science (IFS), Stockholm, Sweden, através de la beca W/4860-1 otorgada a Irina SalgadoBernal. Los autores también agradecen al personal delos Laboratorios 301 al 303, de la Facultad de Química,Conjunto E y Conjunto D, de la UNAM, México, porsus facilidades para la realización de parte del trabajoexperimental.

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