Contaminacion del agua

Revista Cubana de Química
ISSN: 0258-5995
revcubanaquimica@cnt.uo.edu.cu
Universidad de Oriente
Cuba
Salgado-Bernal, Irina; Cárcamo-Ramírez, Herlen; Martínez, Armando; Carballo-Valdés,
María Elena; Cruz-Arias, Mario; Durán-Domínguez-de-Bazúa, María del C.
EFECTOS AMBIENTALES DE CONTAMINANTES QUÍMICOS EN LAS AGUAS: UNA
PROPUESTA BIOTECNOLÓGICA PARA SU ELIMINACIÓN
Revista Cubana de Química, vol. XXIII, núm. 3, 2011, pp. 87-95
Universidad de Oriente
Santiago de Cuba, Cuba
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Recepción: marzo 2011
Aceptación/publicación: agosto.2011
EFECTOS AMBIENTALES DE CONTAMINANTES
QUÍMICOS EN LAS AGUAS: UNA PROPUESTA
BIOTECNOLÓGICA PARA SU ELIMINACIÓN
MSc. Irina Salgado-Bernal I , Herlen Cárcamo-Ramírez II , MSc. Armando Martínez I , Dra.C. María
Elena Carballo-Valdés I , Dr.C. Mario Cruz-Arias I , Dra.C. María del C.
Durán-Domínguez-de-Bazúa II
irina@fbio.uh.cu
I
Facultad de Biología, Universidad de La Habana, Ciudad de La Habana, Cuba, II Facultad de Química,
Universidad Nacional Autónoma de México, México D.F.
Resumen
•
Los contaminantes químicos presentes en las aguas residuales, como la materia orgánica, el
nitrógeno amoniacal (N-NH4 + ), el fosfato (P-PO4 3- ) y los metales pesados, causan efectos tóxicos sobre
los seres vivos y serios problemas de contaminación en los ecosistemas impactados con ellos. El
tratamiento biológico con bacterias puede ser empleado en el manejo de la calidad de las aguas, debido
a su capacidad para degradar, transformar y capturar estos contaminantes. El objetivo de este trabajo
fue determinar la remoción de materia orgánica, nitrógeno, fósforo y metales pesados por trece aislados
bacterianos autóctonos, en presencia de efluentes sintéticos que simulan aguas contaminadas. Se
emplearon aislados bacterianos rizosféricos autóctonos y se determinó la capacidad de remoción de los
contaminantes de interés frente a soluciones simuladas de efluentes domésticos e industriales, cuantificando
la demanda química de oxígeno (DQO), el N-NH4 + , el P-PO4 3- , el plomo (Pb 2+ ), el cadmio (Cd 2+ ), el
cromo (Cr 6+ ) y el mercurio (Hg 2+ ). Se determinó el porcentaje de remoción, así como la significación en
la disminución de la concentración inicial de los contaminantes del efluente. Gran parte de los aislados
presentaron altos valores de remoción de materia orgánica y fósforo, incluso con valores del 100% de
remoción, y aunque en menor cuantía, también se observó la remoción de nitrógeno y de los metales
pesados por algunas bacterias; con varios de los aislados se detectaron comportamientos de multirremoción.
Los resultados promueven la futura aplicación de los microorganismos empleados en tratamientos
biotecnológicos de aguas residuales contaminadas.
Palabras clave: contaminantes químicos, bacterias, remoción.
• Abstract
Chemical contaminants in wastewaters, such as organic matter, ammonia nitrogen (N-NH4 + ),
phosphate (P-PO4 3- ) and heavy metals cause toxic effects on living beings and serious pollution on
ecosystems impacted. The biological treatment with bacteria can be used in the management of water
quality 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 and
heavy metals by thirteen indigenous bacterial isolates, in the presence of synthetic effluent that simulate
contaminated water. Rhizospheric bacterial isolates were used and it was determined its capacities for
removal of contaminants of interest by means of solutions simulating domestic and industrial effluents;
the chemical oxygen demand (COD), N-NH4 + , P-PO4 3- , the lead (Pb 2+ ), cadmium (Cd 2+ ), chromium
(Cr 6+ ) and mercury (Hg 2+ ) were determined. The percentage of removal and the significance in
decreasing the initial concentration of pollutants in the effluent were determined too. Most of the isolates
showed high removal of organic matter and phosphorus, even with values of 100% of removal and also
the removal of nitrogen and heavy metals by bacteria was observed, but in a lesser extent; with several
isolates were detected multiremoval behaviors. The results promote the further implementation of the
used microorganisms in biotechnology treatments of contaminated wastewaters.
Key words: chemical contaminants, bacteria, removal.
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Revista Cubana de Química, págs. 87-95
• Introducción
La contaminación química de las aguas es un
problema que afecta su calidad a nivel mundial, por
ello el tratamiento de efluentes es considerado una de
las estrategias actuales para el manejo de la calidad de
las aguas. Entre algunos de los contaminantes químicos
peligrosos se encuentran los metales pesados, los
nutrientes como compuestos nitrogenados y
compuestos del fósforo, así como la materia orgánica
/1/, los cuales pueden provenir de residuos domésticos,
industriales y agrícolas.
La materia orgánica efluente está compuesta por
elementos complejos y heterogéneos, entre ellos se
encuentran carbohidratos, proteínas y ácidos grasos
/2/. Los compuestos del nitrógeno y fósforo, se
encuentran entre unos de los contaminantes más
importantes de las aguas residuales debido a su papel
en la eutrofización, su efecto en la concentración de
oxígeno de las aguas receptoras y su toxicidad para
los invertebrados acuáticos y vertebrados, incluyendo
los seres humanos /3/.
Además de los efectos directos sobre los
organismos vivos, todos estos contaminantes también
pueden afectar características como turbidez y olor
del agua, lo cual interfiere en actividades recreativas
y de uso estético /4/.
En el caso de los metales pueden provenir de una
gran variedad de fuentes: baterías, cerámicas,
bombillos de luz eléctrica, pinturas, aceite de motor
usado, plásticos, entre otras /1/, y no pueden ser
degradados naturalmente, permanecen en los
sedimentos y son lentamente liberados en los cuerpos
de agua, aún cuando se encuentren presentes en
cantidades bajas e indetectables, su recalcitrancia y
consiguiente persistencia implica que a través de
procesos naturales, como la biomagnificación, su
concentración pueda llegar a ser tan elevada que se
convierta en tóxica /5/. Entre algunos de los más
perjudiciales están el cadmio, el plomo, el cromo y el
mercurio, los cuales pueden presentar efectos tóxicos
derivados de su acción sobre grupos funcionales
vitales de los seres vivos /6/.
Los dos principales procesos de tratamiento para
la remoción de contaminantes de las aguas residuales
son químicos y biológicos. A pesar de las ventajas del
tratamiento químico, los inconvenientes son enormes.
Debido a esto, el tratamiento biológico se ha comenzado
a explotar en las últimas décadas, principalmente
sacando ventaja de la habilidad de los microorganismos
de utilizar diversos constituyentes de las aguas
residuales para obtener la energía para su metabolismo
/4/, ya sea a través de la asimilación directa de estos
compuestos, de su hidrólisis o transformaciones y de
la diversidad de mecanismos que presentan para la
captura de elementos como por ejemplo los metales
pesados.
No obstante, el hecho de utilizar sistemas biológicos,
no excluye en absoluto la intervención de procesos
químicos y físicos para la eliminación de contaminantes,
pues precisamente la complejidad de la biotecnología
ambiental radica en la combinación de procesos, lo
cual ocurre en el interior de la célula bacteriana.
Teniendo en cuenta estos elementos, el presente
trabajo se propuso como objetivo determinar la
remoción de materia orgánica, nitrógeno, fósforo y
metales pesados por trece aislados bacterianos
autóctonos, en presencia de efluentes sintéticos que
simulan aguas contaminadas.
Materiales y métodos
Microorganismos empleados
Se emplearon trece aislados bacterianos
autóctonos, provenientes de la rizosfera de plantas
hidrófitas (Typha dominguensis), de humedales
naturales de La Habana, Cuba.
Enfrentamiento de aislados al agua residual
sintética doméstica
Se realizó el crecimiento bacteriano de las
cepas individuales en medio de cultivo caldo
nutriente a 30 °C, 100 r.min -1 , por 24 h; se filtró la
cantidad de cultivo deseada para el enfrentamiento
con equipo Millipore (0,2 µm); se lavó el filtro y se
inoculó en el agua residual sintética compleja a un
pH de 7, temperatura de 30 o C y 72 h de contacto.
La inoculación fue de 1 % (V/V) de cada cultivo
bacteriano en el agua residual. Se utilizó un agua
residual sintética compleja con una demanda química
de oxígeno, DQO, de 500 mg/L, contenido de
nitrógeno de 30 mg/L y contenido de fósforo de 6
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mg/L, para lograr un agua residual de tipo sanitario de
contaminación promedio, según Metcalf y Eddy, /7/.
Enfrentamiento de aislados a agua residual
con metales pesados
Como punto de partida, se empleó el crecimiento
de cada aislado en medio de cultivo líquido caldo
nutriente, de 24 h de crecimiento, a 30±2 °C, en
agitación a 100 r.min -1 . Se colectaron las células por
centrifugación a 10 000 r.min -1 durante 20 min; se
lavaron con agua bidestilada, y se centrifugó; se
eliminó el sobrenadante y se recuperó la biomasa
bacteriana.
Los ensayos de biosorción se realizaron de acuerdo
con patrones de multirresistencia a los metales plomo,
cromo, mercurio y cadmio, mostrados en estudios
anteriores por cada aislado. Se emplearon las siguientes
soluciones mixtas (pH 7): Pb 2+ + Hg 2+ (TAN229);
Pb 2+ + Cr 6+ + Hg 2+ (TAN1115, TAN219, TAN217,
TAN118, TAN316, TAN1113, TAN117, TAN216,
TAN221, TAN119); Pb 2+ + Cd 2+ + Hg 2+ (TAN1111);
El % de remoción se calculó según la siguiente fórmula:
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Pb 2+ + Cd 2+ + Hg 2+ + Cr 6+ (TAN3110), con
concentración de plomo y cromo 1 mM, cadmio 0,6
mM y mercurio 0,01 mM. Se enfrentó 0,03g de
biomasa frente a 15 mL de la solución mixta
correspondiente. Se incubó a 30 ± 2 °C, 100 r.min -1 ,
72 h.
Cuantificación de la remoción de
contaminantes
Antes de la cuantificación en todos los ensayos, se
separó la biomasa de la solución sintética, por
centrifugación a 10 000 r.min -1 durante 10 min y se
analizó el sobrenadante.
Métodos analíticos para la determinación
de DQO, N y P
La DQO se determinó por el método colorimétrico
de reflujo cerrado, el N-NH4 + por el método de
Nessler directo (Micro-escala) y el P-PO4 3- por el
método del molibdato de amonio, según APHA-
AWWA-WPCF, 1998 y Norma Mexicana NMX-
AA- 034-SCFI-2001, 2001 /8,9/.
Determinación de metales
Las muestras se analizaron por espectroscopía de
emisión óptica de plasma acoplado inductivamente,
ICP-OES, por sus siglas en inglés. Para el Cd 2+ se usó
una longitud de onda de 228,802 nm, para el Cr 2+ de
267,716 nm, para el Hg 2+ de 253,652 y para el Pb 2+ de
220,361.
La determinación de la cantidad de metal capturado
se realizó según la ecuación: q = (C i
- C f
) V / m /10/
, donde q: mg de metal capturado por gramos de
biomasa (mg.g -1 ), C i
: concentración inicial del metal,
C f
: concentración final del metal, m: masa de la
biomasa en la mezcla de reacción, V: volumen de la
mezcla de reacción.
Análisis estadísticos
Se utilizó el paquete estadístico Statistic 6.1; para
comprobar la normalidad y homogeneidad de varianza
de las muestras se realizaron las pruebas de
Kolmogorov- Smirnov y Bartlett, respectivamente.
Se realizó ANOVA de clasificación simple; las medias
se compararon utilizando la prueba de Student
Newman Keuls paramétrica (SNK) (p = 0,05).
• Resultados y discusión
Remoción de DQO, nitrógeno y fósforo de
agua residual sintética doméstica
La remoción de DQO, nitrógeno y fósforo se
muestra en la figura 1. En el caso de la DQO, el
100 % de los aislados mostró remoción, y excepto el
aislado TAN3110 (46.,37 %) todos removieron más
del 50 % de la materia orgánica presente en el agua
residual sintética. Además, con seis de ellos se eliminó
el 100 % de la carga de materia orgánica inicial. Para
el fósforo, el 100 % de los aislados también mostró
remoción, todos los porcentajes estuvieron por encima
de 50, y once aislados mostraron 100 % de remoción.
En el caso del nitrógeno, el 54 % de los aislados
mostró remoción, la que se encontró por debajo del
50 %, en todos los casos. En algunos efluentes,
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para el caso de los aislados que no mostraron
remoción, se detectaron concentraciones de NH4 +
superiores a la concentración inicial. Siete de los
aislados mostraron remoción de los tres contaminantes
estudiados (TAN1113, TAN118, TAN316, TAN229,
TAN1111, TAN3110 y TAN117). Los resultados
mostraron diferencias en el comportamiento de
cada aislado, encontrándose respuestas no siempre
homogéneas al observar los comportamientos de
cada uno frente a cada indicador de contaminación
y los comportamientos de remoción entre
indicadores.
Fig. 1 Porcentajes de remoción de DQO, nitrógeno y fósforo por los trece aislados bacterianos frente
a 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 barras
de error representan el error estándar.
Al comparar la concentración de contaminantes al
final de los experimentos con las concentraciones
iniciales (tabla 1), se observó que con los aislados que
presentaron remoción de nitrógeno no se obtuvo una
disminución de concentración significativa en el
efluente, y las diferencias significativas con respecto
a la concentración inicial se presentaron en algunos de
los tratamientos con los aislados que no mostraron
remoción, pero que sí incrementaron la cantidad de
amonio en el agua. Para la DQO, el 69 % de los
aislados mostró una disminución significativa de la
concentración de materia orgánica, y también el 69 %
mostró disminución significativa de la concentración
de fosfato.
Las bacterias se han convertido en un factor clave
en la biorremediación, definida como el uso de
sistemas biológicos para la eliminación de
contaminantes /11, 12/, debido, fundamentalmente, a
su gran diversidad y versatilidad metabólica. Cuando
las cepas bacterianas son obtenidas de sitios impactados
por contaminación, como el caso de los aislados de
este estudio, las probabilidades de encontrar diversidad
de respuestas frente a diferentes compuestos aumenta
aún más /13/.
Los resultados de la remoción de DQO y
fósforo de este trabajo consolidan este hecho,
pues los niveles de remoción encontrados fueron
elevados y constituyen un resultado importante,
teniendo en cuenta que se empleó un agua
simulada con características de agua residual
media, por lo que las concentraciones de
contaminantes fueron altas.
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TABLA 1. COMPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES FINALES DE DQO,
NITRÓGENO Y FÓSFORO DE CADA MUESTRA CON LAS CONCENTRACIONES
INICIALES DEL AGUA RESIDUAL SINTÉTICA
COMPLEJA (PRUEBA SNK, P < 0,05)
*p < 0,05 **p < 0,01 (significativo) ***p < 0,001
Existen reportes de diferentes cepas bacterianas
que pueden realizar la remoción de materia orgánica
y fósforo de un agua contaminada, debido a que ellas
emplean como fuentes nutricionales estos compuestos,
pero los resultados de este trabajo resaltan teniendo
en cuenta que se trabajó con un agua compleja que
presentó una variada mezcla de compuestos y aún así
se observó una disminución de los contaminantes en
el efluente tratado.
Los porcentajes de remoción obtenidos son algunos
similares y otros superiores a los niveles logrados con
otros microorganismos /14, 15/, no obstante el 100 %
que presentaron algunos aislados es difícil de obtener.
A pesar de las similitudes con otros estudios en este
trabajo la interacción de las biomasas con el agua
residual fue un tiempo más corto, por lo que estos
aislados autóctonos además de llevar a cabo la remoción
de contaminantes, pueden realizar el proceso en un
tiempo relativamente pequeño, característica deseable
en un proceso de tratamiento.
Los valores de remoción para el nitrógeno no
fueron tan satisfactorios. Según lo informado por
otros autores en ocasiones se puede obtener una
remoción de nitrógeno amoniacal por encima del 50 %
empleando microorganismos /15/, pero esto ocurre
casi siempre cuando se trabaja con agua residual de
poca complejidad.
La mayor concentración de amonio en el efluente,
que se encontró en algunos casos, pudiera deberse a
las transformaciones que ocurrieron en el agua producto
de la acción microbiana sobre la variedad de
compuestos del agua residual. Además, en este
resultado podría estar influyendo la premisa de que
para convertir biológicamente el amonio del agua
residual en dinitrógeno, se necesita la oxidación
completa a nitrato seguido de la desnitrificación
heterotrófica o la presencia de bacterias anamóxicas
en el sistema /16/.
Los resultados diferentes mostrados entre los
aislados frente a cada contaminante, así como las
diferencias de respuestas al comparar las
remociones de los diferentes contaminantes, se
explican debido a que cada interacción
microorganismo-agua residual muestra un
funcionamiento fisiológico específico /17/, de
acuerdo con el tipo de microorganismo, así como a
la interacción particular que se establece con cada
compuesto.
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Teniendo en cuenta los valores de remoción de
DQO y fósforo de los trece aislados, de manera
general, sumado a la remoción, aunque no tan
elevada, que realizaron algunos de ellos de nitrógeno,
avalado por la disminución significativa de la
concentración inicial de materia orgánica y fósforo,
algunas de estas bacterias podrían ser propuestas
para su empleo en futuras tecnologías para el
tratamiento de residuales domésticos, como alternativa
preventiva antes del vertimiento de estos
contaminantes a los ecosistemas acuáticos y terrestres.
Sin embargo, es necesario realizar estudios posteriores
con estos aislados insertados en sistemas de tratamiento
de aguas y que impliquen la interacción con residuales
reales, lo cual será objetivo de futuras investigaciones.
Remoción de metales pesados de
soluciones metálicas mixtas
La cantidad de metal removido varió entre los
cuatro metales estudiados, y para un mismo metal
entre los aislados. En el caso del plomo, el 85 % de
los aislados presentaron remoción de la solución, para
el cromo sólo dos presentaron remoción, ninguno de
los enfrentados a cadmio lo eliminaron de la solución
y los resultados del mercurio mostraron que el 85 %
removió el metal, aunque los niveles de remoción en
todos los casos no resultaron elevados. Todos los
aislados mostraron remoción de alguno de los metales
estudiados, excepto TAN229 y el 77 % presentó
multirremoción (figura 2).
Fig. 2 Porcentajes de remoción de plomo, cromo, cadmio y mercurio de los trece
aislados 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 determinadas
no mostraron una disminución significativa de
ninguno de los cuatro metales en estudio, sólo se
observó diferencias significativas entre la
concentración final de cadmio y la concentración
inicial en la interacción del aislado TAN3110
con la solución multimetálica, pero esta
diferencia se debió al incremento de la
concentración de cadmio en la solución
(tabla 2).
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TABLA 2. COMPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES FINALES DE
METALES 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
La diferencia de comportamientos entre los aislados
puede deberse a la interacción específica de cada
bacteria con cada metal y por la influencia de los
factores abióticos bajo los cuales se desarrolló el
experimento /18/. Que algunos de los aislados hayan
mostrado remoción de los metales de manera
individual, e incluso multirremoción, a pesar de no
haber alcanzado altos valores, es importante, teniendo
en cuenta que los cuatro metales ensayados se
encuentran entre los de mayor toxicidad y, además,
porque se trabajó con concentraciones muy superiores
a los límites máximos permisibles en aguas, según la
Norma Cubana NC 27: 1999 /19/, vigente en la
actualidad.
La búsqueda de cepas que muestren remoción de
más de un metal /20/, es de gran interés, ya que en los
ecosistemas, de manera natural, se presentan todos
los elementos en interacción.
A pesar de no haberse encontrado elevados niveles
de remoción hay que tener en cuenta que los
experimentos se realizaron enfrentando cada biomasa
bacteriana a soluciones mixtas con los metales y
cuando se trabaja con un sistema multimetal puede
encontrarse que la cantidad total de metal biosorbido
sea menor que en un sistema simple /21/, pues en
ocasiones la presencia de cualquier ión metálico en la
mezcla, ya sea binaria o de más de dos metales, tiene
un fuerte efecto antagonista en los procesos de
biosorción /22/.
Numerosos autores han informado la capacidad
de diferentes cepas bacterianas para la remoción de
metales /23, 24/, pero la mayoría de los resultados se
relacionan con remoción de compuestos menos tóxicos
que los estudiados y en el caso de emplearlos en la
investigación, en pocas ocasiones se ensaya la remoción
de todos, además se trabaja con menores
concentraciones.
Teniendo en cuenta los datos, estas biomasas
pudieran ser valoradas para su empleo en tecnologías
para el tratamiento de aguas residuales contaminadas
con metales pesados, con el correspondiente estudio
del mecanismo de remoción y de la interacción con
residuales reales que en su composición presenten
metales pesados.
Los aislados bacterianos estudiados se obtuvieron
de aguas contaminadas, por lo que probablemente los
comportamientos presentados en la remoción de los
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contaminantes son un reflejo de la respuesta
adaptativa de los microorganismos en esos
ambientes impactados /25/.
Los resultados demuestran que muchos de los
aislados presentaron eliminación de más de una fuente
de contaminación, ya sean contaminantes presentes
en efluentes domésticos como industriales, lo que
realza su importancia, pues es difícil obtener cepas
con múltiples potencialidades; por lo que la aplicación
de estos aislados pudiera ser de amplio espectro, una
vez se profundicen los estudios con ellos.
Conclusiones
Los presentes resultados podrían contribuir al
fortalecimiento de los estudios de las
potencialidades que presentan los
microorganismos para la remoción de
contaminantes y a su propuesta como alternativas
para el saneamiento de las aguas, en lo que
existen todavía insuficientes estudios. Muchos de
los aislados presentaron altos valores de remoción
de materia orgánica y fósforo y en menor cuantía
remoción de nitrógeno y metales pesados tóxicos,
resultando algunos de ellos efectivos en la remoción
de más de un contaminante, a pesar de haberse
enfrentado a altas concentraciones de estos
compuestos. Estos resultados convierten a estos
aislados autóctonos en buenas propuestas para su
implicación en tratamientos biotecnológicos de
aguas residuales contaminadas, ya sean efluentes
domésticos o industriales.
Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por International
Foundation for Science (IFS), Stockholm, Sweden, a
través de la beca W/4860-1 otorgada a Irina Salgado
Bernal. Los autores también agradecen al personal de
los Laboratorios 301 al 303, de la Facultad de Química,
Conjunto E y Conjunto D, de la UNAM, México, por
sus facilidades para la realización de parte del trabajo
experimental.
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