BIOLIXIVIACIN DE METALES PESADOS DE AGUAS RESIDUALES POR
ACIDITHIOBACILLUS THIOOXIDANS UN ESTUDIO COMPARATIVO
Propsito: Para entender la biolixiviacin de metales desde lodos
por Acidithiobacillus thioxidans, los objetivos de este estudio
fueron evaluar como afectan las condiciones experimentales la
eficiencia de la remocin de metales, incluyendo concentracin de
slidos, ph inicial, concentracin de azufre y nivel de inoculacin
fueron examinados y fue propuesto un mecanismo de
biolixiviacin.Materiales y mtodos.A. Thiooxidans fue aislado de
muestras de lodos que contienen bacterias de la planta de aguas
residuales Fuzhou Jingshan y la identificacin de las bacterias fue
realizada mediante la secuenciacin de las secuencias del gen de
ADNr 16s. Las condiciones que afectan la biolixiviacin y la
aplicacin fueron realizadas por experimentos por lotes. Los anlisis
de Cr, Cu, Pb y Zn fueron llevados a cabo usando un espectrmetro de
absorcin atmica y el ph y el potencial de xido reduccin ORP fueron
medidos usando un medidor de ph y un medidor de ORP.Resultados y
discusin Los resultados muestran que una alta eficiencia de la
lixiviacin de metal se logr a concentraciones de slidos bajas
debido a la disminucin de capacidad de almacenamiento en bfer.
Adems, las mejores condiciones de la biolixiviacin incluyen 2% (w /
v) de concentracin de slidos, 5,0 gL-1 concentracin de azufre, y
10% (v / v) de concentracin del inculo, donde las eficacias de
eliminacin de Cr, Cu, Pb, y Zn en lodos de aguas residuales era
43,6%, 96,2%, 41,6%, y 96,5%, respectivamente. Conclusiones
Encontramos que la biolixiviacin de Zn se rega por mecanismos
directos e indirectos, mientras que la biolixiviacin de Cu, Pb y Cr
estaba dominada principalmente por el mecanismo indirecto de
biolixiviacin. Una vez procesados con las tcnicas propuestas, los
metales pesados en los lodos de aguas residuales cumplieron con el
requisito de las normas nacionales.IntroduccinEn aos recientes, la
cantidad total de los lodos generados en todo el mundo ha aumentado
de manera dramtica. El depsito de estos es un problema
medioambiental grave. El origen de las aguas residuales y su
tratamiento desde las plantas de tratamiento es variable. Los lodos
residuales contienen altas concentraciones de metales txicos. La
eliminacin de los lodos sin tratar a la tierra muestra un peligro
potencial para la salud humana y para el medio ambiente. Por esta
razn es necesario eliminar los metales pesados de los lodos antes
de ser utilizados en la tierra. Varios productos qumicos tales como
agentes quelantes (es una sustancia que forma complejos con iones
de metales pesados) como el etileno diamina cido tetraactico y cido
nitrilothiactico han sido usados para la extraccin de metales a
partir de lodos. Sin embargo, la aplicacin prctica de los procesos
qumicos es todava limitada debido a la necesidad de gran cantidad
de productos qumicos, el costo de operacin alto, las dificultades
operativas, y los problemas de contaminacin secundarios asociados
con ellos. Como tal, el mtodo microbiano es una de las opciones que
se pueden utilizar para eliminar los metales pesados en el lodo
debido a su bajo costo y bajo requerimiento de energa.La
biolixiviacin que se basa en la capacidad de los microorganismos
para transformar los metales de los residuos slidos en formas
solubles y extrables, ha sido reportada como un eficiente y
econmico mtodo para la eliminacin de metales pesados de los lodos.
En el proceso de biolixiviacin, Acidithiobacillus thiooxidans puede
ser usado en la biolixiviacin de metales desde aguas residuales
donde A. thiooxidans oxida el azufre a cido sulfrico para obtener
energa desde el proceso de la oxidacin, lo que lleva a producir la
acidificacin de los lodos y la solubilizacin de los metales
pesados. Un nmero de estudios de biolixiviacin de metales pesados
usando A. thiooxidans ha sido recientemente reportado, donde los
reportes se interesan solo en condiciones de impacto sobre la
biolixiviacin como el ph, concentracin de slidos, fuente de energa
y los microorganismos lixiviantes. Sin embargo, la comprensin de
los mecanismos de biolixiviacin est limitada debido a su falta de
evidencia. Por ejemplo, el efecto del azufre en la biolixiviacin de
metales pesados desde desechos de minera ha sido recientemente
reportado, los resultados indican que 2% de concentracin de
sustrato de azufre es ptima para la actividad bacteriana y la
sulubilizacin del metal. La influencia del ph inicial del sistema
en la biolixiviacin de metales pesados de los suelos contaminados
del metal tambin se ha reportado, lo cual muestra que el ph juega
un papel importante en la solubilizacion del metal y que el
microorganismo puede utilizar azufre elemental como una fuente de
energa. Se ha informado que los efectos de la concentracin de
slidos en los lodos en el proceso de biolixiviacin en un
biorreactor por lotes en donde una disminucin en el ph, un
incremento en el potencial de oxido reduccin ORP y la reduccin del
metal fueron asociados con incrementos en la concentracin y la
capacidad de almacenamiento de slidos en el lodo. Sin embargo las
diferentes formas de metal pesado en el lodo varan de acuerdo al
tipo de lodo, las caractersticas del metal y el mtodo empleado para
el tratamiento del lodo. Para ententer el proceso de biolixiviacin
es necesario investigar sistemticamente carias condiciones que
afectan a la biolixiviacin de los metales pesados del lodo. Por
estas razones este estudio investig sistemticamente la
biolixiviacin de Cr,Cu,Pb y Zn desde aguas residuales usando A.
thiooxidans. Las condiciones experimentales afectan la eficiencia
de la remocin de metales, incluyendo concentracin de slidos, ph
inicial, concentracin de azufre y nivel de inoculacin fueron
examinados y fue propuesto un mecanismo de biolixiviacin. La
factibilidad de la eliminacin de iones metlicos tales como Cu,Cr,
Pb, y Zn en los lodos de aguas residuales utilizando A. thiooxidans
se demostr en las condiciones ptimas.
Materiales y mtodosFuente de aguas residuales y su
caracterizacin.La muestra de lodo que contiene las bacterias se
recogi de la planta de tratamiento de aguas residuales Fuzhou
Jingshan. La muestra de lodo fue transportada de regreso al
laboratorio y se almacen a 4C antes de su uso. La muestra se dividi
en dos partes. Una parte fue usada para aislar A. thiooxidans, otra
parte se utiliz para los experimentos de biolixiviacin. La
sumbuestra se esteriliz por tratamiento en autoclave (30 min a
120C) y fue caracterizada. Las caractersticas medidas de la muestra
de lodo se enumeran en la Tabla 1.
Aislamiento e identificacin de bacterias autctonas oxidantes de
azufre.Para el enriquecimiento de bacterias oxidantes del azufre,
se utiliz el medio lquido Waksman de la siguiente composicin:
0.2g/L (NH4)2SO4, 3g/L K2HPO4, 0.5 g/L de MgSO4.7H2O, 0.25g/L
CaCl2.2H2O,10g/L SO como una fuente de energa. El ph inicial de l
medio lquido Waksman era 4.0. Los lodos de prueba ( 10 ml con una
concentracin de slidos de 4 % ( w / v ) ) fueron tomados en un
matraz de 250 ml que contena 100 ml del medio lquido Waksman. Los
matraces se montan en una incubadora de agitacin y se agitaron a
150 rpm a 30C; el ph del medio se control. Cuando el ph alcanz 2,
10 ml de lodo acidificado se transfieren al segundo matraz que
contena 100 ml del medio lquido Waksman en las mismas condiciones.
Despus de tres generaciones de enriquecimiento, el aislado se
inocul en el medio slido Waksman, y el cultivo puro para su uso
posterior fue obtenido despus de tres subcultivos sucesivos.
Identificacin molecular del cultivo aislado fue hecha mediante
secuenciacin de las secuencias del gen de ANDr 16sCondiciones
experimentales que afectan la biolixiviacin y la
aplicacinExperimentos de biolixiviacin a escala de laboratorio se
llevaron a cabo en matraces de Erlenmeyer de 250 ml que contienen
150 ml de las muestras de lodos, los cuales se agitaron a 150 rpm a
una temperatura de 30C sobre un agitador giratorio por 24 horas
para elevar su temperatura y su ORP inicial el cual proporcion las
condiciones adecuadas para el crecimiento de A.thiooxidans. Los
factores que afectan la lixiviacin del metal usando A. thiooxidans
incluyen cinco concentraciones de slidos (2%, 4%, 6%, 8%, y 10% (w
/ v)), 5 ph iniciales (2, 3, 4, 5, y 6) los cuales fueron
conseguidos mediante ajuste usando 2N de H2SO4, cinco niveles de
azufre (2,5,10,15 y 2 g/L)y cinco concentraciones de inoculo
108~109 clulas /Ml (2 %, 5 %, 10 %, 15 %, and 20 %) Todos los
experimentos fueron realizados por duplicado y fueron incubados en
un incubador giratorio a 30C y 150 rpm. Durante el proceso de
biolixiviacin, la prdida de agua por evaporacin se reabastece con
agua destilada diariamente.Para probar la eficacia de eliminacin de
metales en las condiciones ptimas, una suspensin de lodos
(concentracin de slidos, 2% (w / v)) de 135 ml contenidos en un
matraz de 250 ml se agit a 30 C, 150 rpm durante 24 h. Se aadi un
volumen de 10% de suspensin de bacteria activa a la suspensin de
lodos con una concentracin inicial de clulas de 108 ~ 109 clulas
por mililitro y seguido por la adicin de 0,75 g de azufre
elemental. Una prueba de control sin inculo de bacterias tambin se
llev a cabo con el fin de comparar los resultados. El conjunto
entero se pes y se incub como se describi anteriormente.Mtodos
AnalticosEl ph y el ORP fueron medidos usando un medidor de ph y un
medidor de ORP respectivamente. Muestras de 15mL fueron recogidas
en intervalos de dos das de los matraces para anlisis de metales
pesados. Las muestras fueron centrifugadas a 7000 rpm por 10
minutos y el flotante fue filtrado a travs de una membrana de
filtro de 0.45 micrmetros. El anlisis de Cr, Cu, Pb y Zn fue
llevado a cabo usando un espectrmetro de absorcin atmica.Resultados
y discusin.Identificacin de A. ThiooxidansA. Thiooxidans fue
aislada a partir de lodos de aguas residuales, crecieron bien en un
medio que contiene azufre elemental como fuente de energa. Como se
muestra en la fig.1, el emmen microscpico del cultiv revel la
presencia de bacterias gram negativas, en forma de barra y
bacterias mviles. Los datos mostraron que el microorganismo aislado
se relaciona estrechamente con las bacterias acidfilas
sulfurooxidantes. A.Thiooxidans con 99% de similitud en la
clasificacin que se basa en la homologa de sus 16 S rDNA secuencias
de genes del banco de datos del Centro Nacional de Informacin
biotecnolgica.
Cambios en el ph y ORP durante la biolixiviacinLos cambios en el
ph y ORP durante la biolixiviacin fueron mostrados en la figura 2,
cuando la concentracin de lodos era 2% la concentracin de azufre
era 5g/L y la concentracin de inculo fue de 10%. Los A.Thiooxidans
activados en el lodo fueron capaces de alterar el azufre oxidado a
cido sulfrico durante su crecimiento. En consecuencia el Ph del
lodo disminuy al aumentar el tiempo de biolixiviacin como se
muestra en la figura 2.a. Un rpido descenso del ph se obsrv en los
primeros 6 das en el que el ph se redujo desde 5.30 hasta 1.07
debido a la oxidacin microbiana del azufre y la produccin de cido
sulfrico en base a sus mecanismos de biolixiviacin. Esto tambin
indica que el azufre se puede utilizar como la fuente de energa
para el crecimiento de A.Thiooxidans. Sin embargo, en el medio de
control, el ph disminuye gradualmente a 4.62 en los primeros 6 das,
luego increment a 5.42 en los siguientes 2 das , el ph final se
estabiliz en cerca de 4.98. Un ligero aumento en el ph observado en
el control indica que no se produjo la oxidacin qumica de azufre y
su rango alcalino observado en el control, se puede atribuir a la
accin amortiguadora y liberacin de la sustancia de carbonato de los
lodos de aguas resiguales con naturaleza bsica. Despus de 12 das de
biolixiviacin, el ph del control fue mayor que el de los
tratamientos de prueba. Resultados similares fueron reportados en
el estudio del perfil de ph durante la biolixiviacin de metales
resultado de la digestin anaerobia por la bacteria oxidante del
azufre.En contraste con la tendencia de cambio en el ph, como se
muestra en la figura 2.b ORP aument rpidamente desde 300 hasta
445mV en los primero 4 das de biolixiviacin, aument ligeramente a
505 mV en los siguientes 10 das y luego se mantuvo hasta el final
de la biolixivaicin. Esto es debido a que el azufre elemental se
oxida a sulfato soluble, lo que lleva a la disminucin de la
concentracin de azufre seguido por aumentos en la PARA. Sin
embargo, el ORP del control se mantuvo alrededor de 295 Mv durante
el mismo periodo de bilixiviacin. Estos resultados muestran que la
inoculacin de A. thiooxidans aceler la acidificacin de los lodos
como resultado de la oxidacin de azufre a cido sulfrico y un
aumento en el potencial redox, debido a una actividad microbiana
estimulada. Los altos valores de ORP junto con el bajo pH son
responsables de la solubilizacin de metales. Estos resultados
proporcionan la evidencia para el mecanismo de biolixiviacin
indirecta por A. Thiooxidans donde el azufre en el lodo se oxida en
cido sulfrico y conduce a la acidificacin de los lodos del
medio.
