Biosorción de metales pesados para el tratamiento de aguas residuales industriales
La contaminación producida por los metales pesados es uno de los problemas medioambientales más importantes. Un gran número de industrias producen desechos que contienen altas concentraciones de estos metales y son vertidos en el medio ambiente, contaminado un recurso que es cada vez más escaso en el planeta, el agua, por lo que puede llegar a constituir una amenaza para la vida humana. Este hecho justifica por sí solo cualquier acción investigadora encaminada a preservar y mantener dicho recurso en unos parámetros de calidad aceptables.
Los metales pesados son considerados los contaminantes inorgánicos más perniciosos para el medio ambiente, aun cuando se encuentren presentes en pequeñas cantidades, incluso indetectables. La recalcitrancia y consiguiente persistencia de los mismos en el agua hace que por medio de procesos naturales como la biomagnificación su concentración llegue a ser tan elevada que alcance niveles tóxicos para la vida. Entre los mecanismos moleculares que determinan la toxicidad de los metales pesados, se encuentran:
- El desplazamiento de iones metálicos esenciales para las biomoléculas y el bloqueo de sus grupos funcionales.
- La modificación de la conformación activa de las biomoléculas (sobre todo enzimas y polinucleótidos).
- La ruptura de la integridad de las biomoléculas.
- La modificación de otros agentes biológicamente activos.
Las tecnologías convencionales: precipitación, oxidación, reducción, intercambio iónico, filtración, tratamiento electroquímico, osmosis inversa, adsorción y evaporación son costosas y a veces poco eficaces. Por ejemplo, en los métodos químicos el agente activo no puede ser recuperado para su reutilización y el producto final es un lodo con alta concentración de metales pesados que debe ser eliminado. Además, dichos métodos no son efectivos a bajas concentraciones de metales en disolución, por ejemplo, la precipitación química y tratamiento electroquímico son ineficaces cuando la concentración del metal es próxima a 100 mg/L.
Las resinas de intercambio iónico son extremadamente caras cuando se tratan grandes volúmenes de efluentes contaminados conteniendo metales pesados en bajas concentraciones. Frente a estas técnicas, el empleo de microorganismos se presenta como alternativa eficiente y económica, pues es conocida su alta capacidad para retener metales solubles y particulados, sobre todo a partir de disoluciones diluidas, lo que hace que la movilización y recuperación de metales pesados de efluentes líquidos por medio de la biosorción presente ventajas en comparación con las técnicas convencionales expuestas anteriormente.
Los microorganismos aislados de ecosistemas contaminados retienen los metales presentes en el agua a velocidades relativamente altas cuando entran en contacto con las disoluciones de dichos metales. Los costes del proceso se reducen porque no requieren la adición de nutrientes al sistema debido a que no es necesario un metabolismo activo por pare del microorganismo, es decir, la biomasa microbiana es capaz de biosorber metales pesados viva o muerta.
Los mecanismos utilizados por los microorganimos para eliminar los metales pesados son diferentes y pueden ser clasificados en tres grupos principales: unión del metal a la superficie celular, acumulación intracelular y acumulación extracelular. La unión del metal a la superficie de la célula puede ocurrir tanto con células vivas como inactivas, mientras que la acumulación intracelular y extra celular sólo ocurre en células vivas. En el primer caso la biosorción se caracteriza por la retención del metal mediante una interacción físico-química del metal con grupos funcionales presentes en la superficie celular, principalmente amino, hidroxilo, carboxilo, y fosfato.
El uso de biomasa microbiana en suspensión tiene algunas desventajas, entre las cuales se encuentra la separación final del efluente y la biomasa. Como alternativa se presenta la posibilidad de inmovilizar la biomasa en diferentes soportes con el objetivo de que haya un contacto óptimo entre estos, evitando al mismo tiempo que el biosorbente sea arrastrado por la corriente de efluente.
En este sentido, el Grupo de Investigación Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Jaén, a través de su Línea de Investigación Depuración de Efluentes Líquidos trabaja en la aplicación de nuevas tecnologías para el tratamiento de aguas residuales industriales contaminadas con metales basada en la biotecnología, es decir, en la utilización de microrganismos aislados de ambientes contaminados por su eficacia y bajo coste, especialmente en rangos de concentración bajos, menos de 100 mg/l.
Una vez evaluadas diferentes técnicas de biosorción, en nuestro caso hemos optado por la utilización de cepas aisladas del medio natural con miras a emplearlas a posteriori en el tratamiento de efluentes residuales sin que exista el riesgo de introducir en el ecosistema microorganismos alóctonos que puedan interferir negativamente con los allí presentes, cuestión ésta que no suele ser tenida en cuenta pese a su importancia. Para la inmovilización de la biomasa se ha aprovechado la capacidad espontánea que tienen las bacterias para formar biopelículas sobre soportes sólidos inertes. Esto le dará a la tecnología una característica muy importante, la simplicidad.
Actualmente estamos evaluando la eficacia de un biofiltro o columna de relleno formado por una película bacteriana en un soporte cerámico de anillos de Raschig para mejorar los aspectos fluidodinámicos, Figura 1. La bacteria, Klebsiella sp. 3S1, se ha aislado de aguas residuales urbanas. Estamos trabajando en continuo, a escala de laboratorio, en ciclos alternativos de biosorción-desorción y estudiamos diversos modelos matemáticos encaminados a ajustar los datos experimentales.
La capacidad de biosorción de plomo por Klebsiella sp. 3S1 oscila entre 170 mg/g (mg de plomo por gramo de biomasa) trabajando en discontinuo y 69 mg/g trabajando en continuo. En la Figura 2, fotos tomadas con un microscopio electrónico de barrido, se puede observar la variación morfológica sufrida por la bacteria como consecuencia de la biosorción de plomo. En el caso de este metal, la Directiva Europea 2008/105/CE establece una concentración máxima permisible en las aguas superficiales de 0,0072 mg/l.
Figura 2. Fotografías obtenidas con microscopio electrónico de barrido de Klebsiella sp. 3S1 antes (izquierda) y después (derecha) de la biosorción de plomo.
Los estudios que hemos realizado demuestran la viabilidad de utilizar sistemas de biosorción de metales pesados a nivel industrial basados en la formación de biopelículas en soportes inertes. Esta tecnología, además de ser robusta y selectiva, es viable por su bajo costo debido a la utilización de biomasa microbiana autóctona que además puede ser regenerada. Para aprovechar esta tecnología a nivel industrial es necesario continuar investigando, se hace imprescindible más trabajo experimental para obtener la mejor configuración biomasa-soporte.
Nuestro objetivo es desarrollar prototipos de biofiltros específicos para descontaminar aguas residuales procedentes de diferentes industrias. Estamos trabajando, además de con el plomo, con otros dos metales pesados de especial interés: la plata, que a pesar de su alto grado de toxicidad está poco estudiada actualmente, y el zinc, por ser el metal que se vierte en mayor cantidad en el ámbito industrial.
Antonio Jesús Muñoz Cobo es licenciado en Ciencias Ambientales por la Universidad de Jaén. Está finalizando su tesis doctoral sobre ‘Biosorción de plomo, zinc y plata con biomasa microbiana aislada de aguas residuales de la provincia de Jaén’.
