El uso de diferentes biomasas para la eliminación de metales

[Ide@s CONCYTEG 7
(85): Julio, 2012]
ISSN: 2007-2716
Como citar: Acosta Rodríguez, I., J.F. Cárdenas González y V.M. Martínez
Juárez (2012), “El uso de diferentes biomasas para la eliminación de
metales pesados en sitios contaminados”, Ide@s CONCYTEG, 7 (85), pp.
911-922.
El uso de diferentes
biomasas para la
eliminación de metales
pesados de sitios
contaminados
Ismael Acosta Rodríguez1
Juan Fernando Cárdenas González2
Víctor Manuel Martínez Juárez3
Resumen
En este artículo se presenta una revisión del uso de diferentes biomasas fúngicas y naturales como alternativas
para la remoción de metales pesados en aguas residuales provenientes de diferentes nichos contaminados; así
como también se presentan datos inéditos de nuestras investigaciones. El caso de la remoción de Cromo (VI)
se describe con más detalle. Se presentan algunos avances de los estudios que se llevan a cabo en el
Laboratorio de Micología Experimental de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de
San Luis Potosí.
Palabras clave: contaminación, biosorción, biomasas naturales, metales pesados.
1
Doctorado en Ciencias (Microbiología) obtenido en el Instituto de Investigación en Biología Experimental.
Facultad de Química, Universidad de Guanajuato. Profesor-investigador de tiempo completo del
CIEP/FCQ/UASLP. Correo electrónico: iacosta@uaslp.mx
2
Maestría en Ciencias: Bioprocesos. FCQ/UASLP. Estudiante de Doctorado del DICIM (Doctorado
Institucional en Ciencias e Ingeniería de Materiales). Instituto de Física, Facultad de Ciencias. UASLP.
Correo electrónico: jfkardenas_08@hotmail.com
3
Doctorado en Ciencias con especialidad en Biotecnología. Cinvestav, Unidad Zacatenco. Profesorinvestigador de tiempo completo del área académica de medicina veterinaria y zootecnia. Instituto de Ciencias
Agropecuarias. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, México. Correo electrónico:
victormj@uaeh.edu.mx
911
[Ide@s CONCYTEG 7 (85): Julio, 2012]
Summary
This article presents a review of the use of different fungal and natural biomass as an alternative for the
removal of heavy metals in wasted water from different contaminated places; we also show unpublished data.
The removal of chromium (VI) is described in more detail. We present some progress in the studies
conducted in the Laboratory of Experimental Mycology, Faculty of Chemical Sciences, Universidad
Autonoma de San Luis Potosí.
Keywords: contamination, biosorption, natural biomass, veavy metals.
Introducción
E
l Valle de San Luis Potosí tiene una
Además, de acuerdo con diversos estudios de
extensión territorial de 1,980 km2 y
balance
está ubicado en la zona centro del
sobreexplotación estimada cercana a los 40
estado de San Luis Potosí, México, con una
hm3/año (Cotas 2005). El acuífero somero
población
está
aproximada
de
1´100,000
geohidrológico,
existe
contaminado principalmente
una
porque
habitantes (prácticamente el 47 % de la
muchas de las descargas urbanas todavía se
población total del estado) y comprende
conducen a través de canales a cielo abierto,
parcialmente varios municipios: la ciudad de
en el caso del acuífero profundo, estudios
San Luis Potosí y capital del estado, Soledad
recientes
de Graciano Sánchez, Mexquitic de Carmona,
contaminación por el ion fluoruro debido a la
Cerro de San Pedro y el municipio de
litología
Zaragoza. En el Valle se concentran las
(Carrillo-Rivera et al., 2002; Cotas 2005;
principales actividades económicas, las cuales
Trejo y Bonilla, 2001; Hurtado y Gardea,
generan 71.5 % del PIB del estado (Cotas,
2005).
demuestran
y
que
mineralización
existe
de
la
una
zona
2005). Al pertenecer a la región semiárida del
país, la importancia del agua subterránea se
En l982 se instaló una refinería de zinc que es
hace evidente debido a que todas las
actualmente una de las de mayor producción
actividades
la
nacional y una de las más importantes en
agropecuaria, consumen casi 95 % del total
América Latina. Desde entonces, la ciudad de
requerido de los acuíferos profundos (sistema
San Luis Potosí ha crecido alrededor de una
de flujo profundo) y someros (sistema de
intensa actividad minero- metalúrgica. Dentro
flujo somero). Cerca de 20% del total de los
de este ramo, tan sólo en el estado existen 25
125.57 hm3/año extraídos de esos acuíferos,
empresas que a nivel nacional colocan a la
localizados en el valle, se destinan a
entidad en el primer productor de fluorita, en
actividades agropecuarias.
la producción de zinc ocupa el segundo, y el
económicas,
incluyendo
912
El uso de diferentes biomasas para la eliminación de metales pesados de sitios contaminados
Ismael Acosta Rodríguez, Juan Fernando Cárdenas González y Víctor Manuel Martínez Juárez
tercer lugar en la concentración y fundición
(2002), así como el estudio de organismos
del cobre, octavo lugar en la producción de
acuáticos como indicadores de contaminación
plomo, noveno en plata y décimo en oro
por metales pesados (Wong, 2009) y el
(INEGI, 1999). Lo anterior conlleva a
aislamiento
importantes actividades industriales en la
ambientales resistentes a metales pesados
ciudad principalmente en empresas de la
(Cárdenas et al., 2010).
de
hongos
contaminantes
transformación de minerales metálicos no
ferrosos. Además, por la gran extensión y
magnitud de numerosas industrias de esta
zona,
existe
una
alta
Biosorción
contaminación
atmosférica de la ciudad. En la zona
El término “biosorción” se utiliza para
industrial de la ciudad actualmente operan
referirse a la captación de metales que lleva a
más de 253 empresas de las cuales sobresalen
cabo una biomasa completa (viva o muerta) a
35 fundidoras, 50 empresas en la industria
través de mecanismos fisicoquímicos como la
básica del hierro, acero y metales no ferrosos,
adsorción o el intercambio iónico. Cuando se
34 empresas en la producción de auto partes y
utiliza
91 empresas dedicadas a la industria química
metabólicos de captación también pueden
(químicos básicos, hule, plásticos y productos
contribuir en el proceso. El proceso involucra
farmacéuticos) (Sedeco, 2004).
una fase sólida (sorbente) y una fase líquida
biomasa
viva
los
mecanismos
(solvente, que es normalmente el agua) que
Se han realizado diferentes estudios sobre la
contiene las especies disueltas que van a ser
contaminación del agua, suelo y aire del
adsorbidas (sorbato, e. g. iones metálicos).
Valle de San Luis Potosí, por ejemplo Sarabia
Debido a la gran afinidad del sorbente por las
et al., (2011) reportan la presencia de
especies del sorbato, este último es atraído
diferentes metales pesados (arsénico, cobre,
hacia el sólido y enlazado por diferentes
manganeso, plomo y fierro) en agua de riego
mecanismos. Este proceso continúa hasta que
en suelos agrícolas y cultivos de los
se establece un equilibrio entre el sorbato
municipios de San Luis Potosí y Soledad de
disuelto y el sorbato enlazado al sólido (a una
Graciano Sánchez, el análisis del polvo
concentración final o en equilibrio). La
atmosférico de la ciudad de San Luis Potosí
afinidad del sorbente por el sorbato determina
(Aragón-Piña et al., 2006), la evaluación de
su distribución entre las fases sólida y líquida.
la contaminación por arsénico, plomo, cobre
La calidad del sorbente está dada por la
y zinc, en Villa de la Paz, Matehuala, San
cantidad del sorbato que puede atraer y
Luis
retener en forma inmovilizada (Cañizares-
Potosí
(Monroy-Fernández
et
al.,
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Villanueva, 2000). Los hongos, incluyendo
adicionar nutrientes, resulta inmune a la
las levaduras, han recibido especial atención
toxicidad ó a condiciones de operación
con relación a la biosorción de metales,
adversas. Por otro lado, la biomasa muerta
particularmente porque la biomasa fúngica se
puede obtenerse fácilmente y a bajo costo a
origina como un subproducto de diferentes
partir de fuentes industriales como un
fermentaciones
subproducto industrial de desecho, y los
industriales
(Ehrlich
y
Brierley, 1990).
metales adsorbidos pueden ser recuperados
fácilmente (Zaidi et al., 2011), además, la
biomasa regenerada se puede reutilizar en
varios ciclos. En el cuadro 1 se muestran
Biosorción de metales pesados por
biomasas muertas
diferentes estudios de remoción de metales
pesados con diferentes biomasas fúngicas.
La aplicación de la biomasa muerta ofrece
ciertas ventajas sobre las células vivas; por
ejemplo, estas últimas son más sensibles a la
concentración
de
iones
metálicos,
las
variables ambientales y las condiciones de
funcionamiento. Además, no es necesario
Cuadro 1. Biosorción de metales pesados por diferentes biomasas fúngicas
Hongo
Metal
Capacidad de
Referencia
pesado
biosorción
Saccharomyces
Cu2+
93%
Peng et al. (2010)
cerevisiae
Ni2+
89%
Machado et al. (2010)
Trichoderma
Cu2+; Pb2+ 97%
Akhtar et al., (2007)
harzianum
Zn2+
Aspergillus niger
Ni2+
96%
Amini et al., (2009)
Fusarium spp.
Zn2+
42.75 mg/g
Velmurugan et al., (2010)
Aspergillus terreus
U (VI)
60 mg/L
Sun et al., (2010)
Aspergillus fumigatus Cr (VI)
78 mg/g
Wang et al., (2010)
Rhizopus arrhizus
Cu2+
79.37 mg/g
Aksu y Balibek (2007)
Candida lipolytica
Cu2+
60 mg/L
Ye et al., (2010)
Rhodotorula glutinis
U
612 mg/g
Bai et al., (2009)
Mucor rouxii IM80
Cd2+
8.7 mg /g
Acosta et al., (2007)
Fuente: elaboración propia.
Por otro lado, se han aislado hongos de
minería, aguas residuales provenientes de
diferentes lugares contaminados, tales como
tenerías y de diferentes industrias, los cuales
sitios cercanos a fabricas relacionadas a la
se analizaron para conocer la capacidad de
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El uso de diferentes biomasas para la eliminación de metales pesados de sitios contaminados
Ismael Acosta Rodríguez, Juan Fernando Cárdenas González y Víctor Manuel Martínez Juárez
bioadsorber diferentes metales en solución
(figura 3), arsénico (figura 4) y zinc (figura
con resultados altamente satisfactorios para
5).
mercurio (figura 1), plomo (figura 2), flúor
Figura 1. Remoción de mercurio por las biomasas de los hongos analizados*
*100 mg/L de Hg. 30oC. 100 rpm. 1 g biomasa.
Fuente: elaboración propia.
Figura 2. Remoción de plomo por las biomasas de los hongos analizados*
*100 mg/L de Pb. 30oC. 100 rpm. 1 g biomasa.
Fuente: elaboración propia.
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Figura 3. Remoción de flúor por las biomasas de los hongos analizados*
*100 mg/L de F. 30oC. 100 rpm. 1 g biomasa.
Fuente: elaboración propia.
Figura 4. Remoción de arsénico por las biomasas de los hongos analizados*
*100 mg/L de As. 30oC. 100 rpm. 1 g biomasa.
Fuente: elaboración propia.
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El uso de diferentes biomasas para la eliminación de metales pesados de sitios contaminados
Ismael Acosta Rodríguez, Juan Fernando Cárdenas González y Víctor Manuel Martínez Juárez
Figura 5. Remoción de zinc por las biomasas de los hongos analizados
* 100 mg/L de Zn. 30oC. 100 rpm. 1 g biomasa.
Fuente: elaboración propia.
Biosorción de metales pesados por
biomasas vivas
La
captura
de
metales
pesados
por
Srinivasan,
2011).
Phanerochaete
microorganismos vivos depende de la edad
chrysogenum puede remover oro a partir de
del cultivo, composición del medio de
soluciones de cianuro. También se ha
crecimiento, tiempo de contacto, pH de la
reportado
solución del metal y la temperatura, además
remueve eficientemente cobre, oro, zinc,
de la composición química de la pared celular
cadmio y manganeso, y algunas otras
de los hongos. Por lo general, la cinética de
especies
biosorción del metal es bifásica, con una fase
adecuadamente plomo y uranio (Wang y
inicial rápida, con una captación de 90% en
Chen, 2009). También las células de A. niger,
los primeros 10 minutos de incubación, y una
M. rouxii y R. arrhizus pueden captar oro,
segunda fase más lenta con una duración de 4
plata y cobre (Mullen et al., 1992).
que
de
Penicillium
spinulosum
Penicillium
remueven
horas ó más.
Por otra parte, la toxicidad del cromo es una
Se ha demostrado que las células vivas de
de las principales causas de contaminación
hongos del genero Penicillium, Aspergillus,
ambiental proveniente de los efluentes de
Rizopus, Mucor, Saccharomyces y Fusarium
tenerías. Este metal se utiliza en el curtido de
biosorben iones metálicos (Viraraghavan y
cuero y pieles, así como en las aleaciones de
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acero, galvanoplastía, tinción de textiles y
Cr (VI)/g de tierra obtenida de una tina de
biocida en los sistemas de enfriamiento de
lavado de una cromadora, incubando a 28°C,
aguas en plantas nucleares, lo cual resulta
observando que después de 8 días de
invariablemente en las descargas del metal al
incubación disminuye totalmente el metal en
medio ambiente con sus consecuencias (Bai y
solución sin cambios significativos en el
Abraham, 2001). Se realizó un estudio de
contenido de Cr total (figura 6). (Cárdenas-
biorremediación, en el cual se inocularon
González y Acosta-Rodríguez, 2011).
esporas del hongo Paecilomyces sp, con 20 g
de tierra no estéril, contaminada con 50 mg
Figura 6. Biorremediación de Cr (VI) a partir de tierra contaminada*
*(50 mg Cr (VI)/g tierra) por la biomasa de Paecilomyces sp. 28°C, 100 rpm.
Fuente: Cárdenas-González y Acosta-Rodríguez, 2011.
Biosorción de metales pesados por
biomasas naturales
Recientemente se ha analizado el uso de
adsorción
y/o
recuperación
de
metales
metodologías alternativas para la adsorción y
pesados
de
efluentes
absorción de metales pesados utilizando
contaminados, entre los que se encuentran:
materiales de bajo costo como biomasas de
cáscara y semillas de manzana, corteza de
bacterias, algas y hongos, además de residuos
árbol (Sarin et al., 2006), cáscara de avellana
industriales agrícolas o urbanos para la
(Cimino et al., 2000), cáscara de naranja
industriales
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El uso de diferentes biomasas para la eliminación de metales pesados de sitios contaminados
Ismael Acosta Rodríguez, Juan Fernando Cárdenas González y Víctor Manuel Martínez Juárez
(Pérez et al., 2007), cáscara de tamarindo
(Acosta et al., 2010), residuos de rosas rojas
Figura 7. Remoción y reducción de Cr (VI) en
solución acuosa
(Shafqat et al., 2008), corteza de yohimbina
(Fiol et al., 2008), cáscara de litchi (Acosta et
al.,
2012),
con
resultados
altamente
satisfactorios, por lo que es de gran interés
analizar otros materiales baratos para tratar de
eliminar y/o reducir los metales en aguas y
suelos contaminados.
Fuente: Coronado et al. (2010).
Se ha trabajado con algunas biomasas
naturales para tratar de eliminar metales
pesados de aguas residuales, uno de los
objetivos fue determinar la remoción y
reducción de cromo (VI) en solución acuosa
mediante el método espectrofotométrico de
difenilcarbazida, esto se realizó para las
cáscaras de limón, naranja, mandarina,
melón, litchi, tamarindo y mamey (GonzálezSánchez et al., 2010), (Coronado et al.,
2010), (Acosta et al., 2012), (Acosta et al.,
2010), encontrando que las biomasas de las
diferentes
cáscaras
analizadas
remueven
eficientemente el metal en solución (figura
7a), también lo reducen a cromo (III) (figura
7b ) y son muy eficientes en los ensayos de
biorremediación con tierra contaminada con
cromo (VI), por lo que pueden utilizarse para
eliminar
el
contaminados
metal
como
presente
aguas
en
Conclusión
Las biomasas analizadas y reportadas en la
literatura remueven eficientemente diferentes
metales pesados y arsénico en solución, por
lo que pueden utilizarse para eliminar los
metales presentes en sitios contaminados
como aguas residuales industriales, además
de que algunas de ellas pueden reducirlos a
formas menos tóxicas. La aplicación de estas
tecnologías para la remoción de metales
pesados en solución, para la purificación de
aguas residuales y/o recuperación de metales
preciosos presenta un gran potencial, pues las
biomasas son naturales, se pueden obtener en
grandes cantidades, son económicas y pueden
remover
selectivamente
diferentes
iones
metálicos de soluciones acuosas.
sitios
residuales
industriales, pues presentan una igual o
mayor capacidad a otras biomasas reportadas
en la literatura, como fue mencionado en el
cuadro 1.
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disponible
en:
ftp://ftp.consejosdecuenca.org.mxpub/downloa
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922