RCGI V31 N63

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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA. Vol. 31 NÚM. 63. PP. 18 -21 OCT. 2016 ISSN 0185-6294 REMOCIÓN DE CROMO (VI) EN SOLUCIÓN ACUOSA POR LA BIOMASA DE AMARANTO (Amaranthus caudatus) 1 Nancy C. Pacheco Castillo, 1 Juan F. Cárdenas González, 1 María de Guadalupe Moctezuma Zárate, 2 Víctor Manuel Martínez Juárez, 1 Adriana Rodríguez Pérez e 1 Ismael Acosta Rodríguez 1 Laboratorio de Micología Experimental. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de San Luis Potosí 2 Área Académica de Medicina Veterinaria y Zootecnia. Instituto de Ciencias Agropecuarias. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, México. 3 Laboratorio de Microbiología. Facultad de Ciencias Químicas. UASLP. Autor de contacto: iacosta@uaslp.mx Recibido: 30/agosto/2016 Aceptado: 29/septiembre/2016 Publicado: 19/octubre/2016 RESUMEN Se analizó la capacidad de remoción de Cromo (VI) en solución acuosa por la biomasa de Amaranto. Para evaluar la concentración del metal se utilizó el método de la difenilcarbazida. Se evaluó la bioadsorción a diferentes pH´s (1, 2, 3 y 4) a diferentes tiempos. También se estudió el efecto de la temperatura en el intervalo de 28°C hasta 60 o C y la remoción a diferentes concentraciones iniciales de Cr (VI) de 200 a 1000 mg/L. La mayor bioadsorción (100% con 100 mg/L del metal) fue a las 4 horas, a pH de 1.0 y 28 o C. Con respecto a la temperatura, la más alta remoción fue a los 60 o C, con un 100% de remoción a los 75 minutos. A las concentraciones de Cromo (VI) analizadas, la biomasa natural mostró una excelente capacidad de remoción, además de que remueve eficientemente el metal in situ (72% y 63% de remoción en tierra y agua contaminadas, a los 7 días de incubación con 5 g de la biomasa (100 mL de agua), por lo que se puede utilizar para eliminarlo de aguas residuales industriales. Palabras clave: Remoción, Cromo (VI), Amaranto Abstract. The removal capacity of Chromium (VI) in aqueous solution by Amaranth biomass was analyzed. diphenylcarbazide method was used to evaluate the metal concentration. The biosorption at different pHs (1, 2, 3 and 4) was evaluated at different times. In addition, the effect of temperature in the range of 28°C to 60 o C and removal at different initial concentrations of Cr (VI) from 200 to 1000 mg/L, were also studied. Most biosorption (100% with 100 mg/L of metal) was 4 hours at 28 o C and pH 1.0. With respect to the temperature, the highest removal was to 60 o C, with 100% of removal after 75 minutes. At the concentrations of chromium (VI) analyzed, the natural biomass showed excellent removal capacity, and this removal efficiently the metal in situ (72% and 63% removal in soil and contaminated water, after 7 days of incubation with 5 g of biomass (100 mL water), so it can be used to remove industrial wastewater. Keywords: Removal, Chromium (VI), Amaranth INTRODUCCIÓN Los efluentes de las tenerías son una de las principales fuentes de contaminación con Cr (VI) de cuerpos de agua y suelos. Este metal se utiliza en el curtido de cuero y pieles, así como en las aleaciones del acero, galvanoplastía, tinción de textiles y biocida en los sistemas de enfriamiento de aguas en plantas nucleares, lo cual resulta invariablemente en las descargas del metal al medio ambiente con sus consecuencias [1]. El Cr presenta 9 estados de oxidación desde -2 a +6. No obstante, por su estabilidad en el ambiente, únicamente son importantes las especies hexavalente y trivalentes [2]. El Cr (VI) se encuentra principalmente como cromato (CrO 4 -2 ), que a pH ácidos se transforma sucesivamente en cromato protonado (HCrO 4 - ), dicromato (Cr 2 O 7 -2 ) y finalmente en el ácido (H 2 Cr 2 O 7 ) [3]. Estos aniones del Cr (VI) forman sales muy solubles y su sorción en superficies de arcillas y oxihidróxidos es muy baja [2], por lo que representan una fuente de afectación para los cuerpos de agua y suelos, y una fuente potencial de riesgo para la biota y población humana expuesta. Es una especie química muy oxidante y la cual presenta efectos mutagénicos, carcinogénicos y/o teratogénicos [4]. Las principales técnicas para recuperar o remover Cr (VI) de aguas residuales son: reducción química y precipitación, adsorción sobre carbón activado, intercambio iónico y ósmosis inversa. Actualmente, el proceso más empleado es la reducción de las especies de Cr (VI) para formar compuestos insolubles de Cr (III), utilizando un agente reductor y una sustancia básica, usualmente lechada de cal, para formar el Cr(OH) 3 , que es un compuesto de muy baja solubilidad [1]. Sin embargo, esos métodos presentan desventajas, como altos costos, baja eficiencia, generación de residuos tóxicos u otros, que requieren de una disposición controlada, lo que complica la operación y el control del proceso [1]. Actualmente, la búsqueda de materiales de desecho y microorganismos como material bioadsorbente se T E C N O L Ó G I C O N A C I O N A L D E M É X I C O . I. T. M É R I D A
REMOCIÓN DE CROMO (VI) EN SOLUCIÓN ACUOSA POR LA BIOMASA DE AMARANTO (AMARANTHUS CAUDATUS) encuentra en crecimiento constante, junto con la utilización de biomasas microbianas para la remoción de Cr (VI) de aguas residuales industriales y/o contaminadas con resultados altamente satisfactorios [1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. El presente trabajo reporta la remoción de Cr (VI) en solución acuosa por la biomasa de Amaranto (Amaranthus caudatus). Metodología. Se trabajó con la biomasa de Amaranto, obtenida durante los meses de junio-agosto del 2015, de diferentes tiendas de la ciudad de San Luis Potosí, S.L.P. Para la obtención de la biomasa, el amaranto se lavó 72 horas con agua tridesionizada en agitación constante, con cambios del agua cada 12 horas. Posteriormente, se hirvió 1 hora, para eliminar los restos de materia orgánica, se secó a 80 o C, durante 12 horas en horno bacteriológico, se molió en licuadora hasta pulverización y se guardó en frascos ámbar hasta su uso. Se trabajó con 100 mL de una solución de 100 mg/L de Cr (VI) obtenida por dilución de una solución patrón de 1 g/L preparada en agua tridesionizada a partir de K 2 Cr 2 O 7 . Se ajustó el pH de la dilución a analizar con H 2 SO 4 1 M y/o NaOH 1 M, antes de adicionarla a 1 g de biomasa. La concentración de Cromo (VI) en solución acuosa se determinó por el método colorimétrico de la difenilcarnazida (15). Todos los experimentos se realizaron 3 veces y por duplicado. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Se analizó la bioadsorción de 100 mg/L de Cromo (VI), a diferentes tiempos de incubación y a diferentes valores de pH, encontrando que a pH de 1.0 se remueve el 100% del metal a las 4 h a 28 o C (Figura 1). La literatura [12] reporta diferentes tiempos de incubación, cuando se trabajó con las biomasas de las cáscaras de M. indica, M. paradisiaca, C. paradise, C. melo, C. máxima y aserrín (1.16, 60, 120, 180, 480, y 960 minutos, respectivamente), a un pH de 1.0, y una concentración constante del bioadsorbente (1.0 g/100 mL), y 50 mg/L del metal, un pH de 2.0 y 5 días para Aspergillus niger [16], este último con 10 g/L de biomasa, y a un pH de 2.0. Cambios en la permeabilidad, de origen desconocido, podrían explicar en parte las diferencias encontradas en el tiempo de incubación, proporcionando mayor o menor exposición de los grupos funcionales de la pared celular de la biomasa analizada [17]. Con respecto a la influencia del pH inicial sobre la eficiencia de remoción se encontró que la mayor remoción (100%) se evidenció a pH 1.0 y 4 h. Se ha reportado un pH óptimo de 1.0 para las biomasas de la cáscara de melón [10], aserrín de pino [11], cáscaras de M. indica, M. paradisiaca, C. paradise, C. melo, C. máxima [12], y de toronja [13], aunque otros autores reportan un pH óptimo de 2.0 para: semillas de tamarindo [18], la corteza de eucalipto [19]; bagazo y pulpa de caña de azúcar [20]. El Cromo (VI) se encuentra como HCrO 4 - , Cr 2 O 7 2 , CrO 4 2- , Cr 4 O 13 2- , Cr 3 O 10 2- [21]. Una baja en el pH causa la protonación de la superficie del adsorbente, lo que induce una fuerte atracción por los iones Cromo (VI) de la solución cargados negativamente, por lo que la bioadsorción incrementa al aumentar la acidez de la solución. Sin embargo, cuando el pH aumenta, se incrementa la concentración de iones OH - , induciendo cambios en la superficie del adsorbente, impidiendo la bioadsorción de los iones Cromo (VI) cargados negativamente, lo cual disminuye la adsorción del metal a estos valores de pH. También se encontró que a mayor temperatura es mayor la bioadsorción del metal, pues a 60°C se remueve el 100% a los 75 minutos (Figura 2), resultados que son coincidentes con los de litchii [22], con un 100% a los 5 minutos; para la cáscara de naranja [23], 100% a los 10 minutos; un 98% de remoción a 58°C y 180 minutos, para la semilla de tamarindo [18]. El incremento en la temperatura aumenta la velocidad de remoción de Cromo (VI) y disminuye el tiempo de contacto requerido para la completa remoción del metal, por incrementar la velocidad de reacción redox [24]. Con respecto al efecto de diferentes concentraciones de Cromo (VI) en solución, a un pH de 1.0 +/- 0.2, con 1 g de biomasa, a 28 o C y 100 rpm, se encontró que la concentración del metal no influye en la remoción del mismo, pues las concentraciones analizadas, a excepción de 200 mg/L, se eliminan a las 24 h (Figura 3), lo cual es menor a otros reportes de la literatura [10,11,12,13,22 y 23], para la remoción de la misma concentración de Cromo (VI) por diferentes biomasas naturales. El incremento en la temperatura aumenta la velocidad de remoción de Cromo (VI) y disminuye el tiempo de contacto requerido para la completa remoción del metal, por incrementar la velocidad de reacción redox [24]. También se observó el desarrollo de un color azul-verdoso y un precipitado blanco, el cual cambia más rápidamente a mayor temperatura, lo cual indica la reducción de cromo (VI) a Cromo (III) (datos no mostrados). Por otro lado, a mayor concentración de la biomasa hay mayor remoción del metal en solución (Figura 4), pues hay más sitios de bioadsorción del metal, pues la cantidad de bioadsorbente añadido determina el número de sitios de unión disponibles para la bioadsorción del metal [6]. Resultados similares se han reportado para la biomasa de las cáscaras de toronja, litchii y tamarindo [13, 22, 23], pero son diferentes a lo reportado para la biomasa de los desechos de la mandarina (gabazo), en la cual se reporta una concentración óptima de biomasa de 100 mg/L [25]. Con objeto de analizar el posible uso de la biomasa para eliminar Cromo (VI) de desechos industriales, se adaptó un ensayo de biorremediación en solución acuosa, incubando 5 g de biomasa con tierra no estéril, contaminada con 297 mg Cromo (VI)/g de tierra y 100 mL de agua contaminada con aproximadamente con 400 mg de Cromo (VI), resuspendiendo la tierra en agua tridesionizada a 28ºC y 100 rpm, observando que después de 7 días de incubación se remueve el 72% y 63% del metal, de las muestras de tierra y agua contaminadas, sin cambios significativos en el contenido de Cromo total (Figura 5), lo cual coincide con los reportes de la literatura con bacterias, hongos y levaduras en condiciones similares [1,4,10,11,12,13]. REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO MÉRIDA Vol. 31 NÚM. 63 19
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