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Efecto de las condiciones de cultivo sobre la biodegradación del azocolorante
Naranja II en un sistema combinado anóxico/óxico.
Gutiérrez, Rodríguez, Rodríguez y Barragán
EFECTO DE LAS CONDICIONES DE CULTIVO SOBRE LA
BIODEGRADACIÓN DEL AZOCOLORANTE NARANJA II EN UN
SISTEMA COMBINADO ANÓXICO/ÓXICO.
(1)
Carolina Gutiérrez L, (2)Odín Rodríguez N., (3)Felipe N. Rodríguez, (4)Blanca E. Barragán
Ingeniera en Sistemas Ambientales (2Laboratorio de la gestión de la calidad del aire, (3)Laboratorio de la
gestión de la calidad del agua,(4)Laboratorio de la gestión de residuos peligrosos, Departamento de Ingeniería
en Sistemas Ambientales. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas. Av. Wilfredo Massieu S/N. Col Unidad
Profesional Adolfo López Mateos. CP 07735
[email protected]
(1)
RESUMEN
Durante el procesamiento de textiles, la ineficacia del teñido, conduce a la eliminación de grandes cantidades los
colorantes textiles sobre las aguas de desecho de la planta. Se estima que del 10 al 15 % de los colorantes son
eliminados durante los procesos de teñido, lo que causa un gran problema de contaminación ambiental. De los
colorantes aplicados en la industria textil, los azocolorantes ocupan el 70% de la cantidad total utilizada.
Los colorantes azo, son compuestos orgánicos recalcitrantes que requieren la combinación de procesos
anaerobios y aerobios para alcanzar su completa degradación (mineralización). Con el uso secuencial de
procesos anaerobios y aerobios puede lograrse la mineralización de los azocolorantes, aplicando generalmente
consorcios microbianos.
Existen pocos reportes que muestren la capacidad de microorganismos facultativos para mineralizar colorantes
azoicos, así como el efecto de las condiciones de cultivo. En el presente trabajo, se aplicó un diseño factorial de
23 para analizar el efecto de la agitación, presencia de nutrientes y presencia de oxigeno en el medio sobre la
degradación de Naranja II y el acido sulfanílico, uno de sus productos de reducción del Naranja II, por medio de
Enterobacter sp. De acuerdo con los resultados, la cepa reduce el Naranja II en condiciones anóxicas pero no
tiene efecto significativo sobre el Ac. sulfanílico en las mismas condiciones, que es degradado en condiciones
óxicas. La presencia de nutrientes no es significativa en ninguno de las dos condiciones, lo que sugiere que
Enterobacter sp. es capaz de utilizar Naranja II como única fuente de carbono y energía.
Palabras clave: Enterobacter sp., azocolorantes, anóxico-oxico, diseño factorial
SUMMARY
During the textile processing, the inefficiency of dyeing, leads to the elimination of great amounts of textile dyes
in the wastewater. It is considered that 10 to 15% of the dyes are eliminated during the dyeing processes, which
causes a great problem of environmental pollution. The azodyes represent the 70% the total amount of the dyes
applied in the textile industry. The azodyes, are recalcitrant organic compounds that require the combination of
anaerobic and aerobic processes to reach their complete degradation (mineralization). With the sequential use of
anaerobic and aerobic processes the mineralization of the azodyes can be obtained, applying generally microbial
consortia. There are a few reports about the capacity of facultative microorganisms to mineralize azodyes, as well
as the effect of the culture conditions. In the present work, a factorial design of 23 was applied to analyze the
effect of the agitation, aeration and presence of nutrients on the degradation of Orange II and sulfanílic acid, one
of its products of reduction of Orange II, by Enterobacter sp. According with the results, this strain reduces
Orange II in anoxic conditions, but it does not have significant effect on the sulphanilic acid in the same
conditions, which is degraded in oxic conditions. The presence of nutrients is not significant in both conditions,
which suggests Enterobacter sp. is able to use Orange II as sole source of carbon and energy.
Keyword: Enterobacter sp, azodyes, Orange II, anoxic-oxic, factorial design
Efecto de las condiciones de cultivo sobre la biodegradación del azocolorante
Naranja II en un sistema combinado anóxico/óxico.
INTRODUCCIÓN
Debido a la creciente explosión demográfica y lo
que esto demanda, a partir de la revolución
industrial, con la aparición de las maquinas, en
general los recursos tanto renovables como no
renovables se han visto afectados en cantidad y en
calidad.
Año con año se reportan valores mas bajos del agua
disponible para el consumo humano, esto derivado
de la contaminación a cuerpos de agua dulce tales
como ríos, lagos, etc. Esto es principalmente por las
descargas de aguas residuales con condiciones no
controladas por parte de industrias y poblaciones
enteras.
Desde siempre la humanidad ha utilizado colorantes
para pintar y teñir su cuerpo, pieles y ropa. Hasta a
mediados del siglo XIX todos los colorantes
utilizados eran de origen natural. Los colorantes
naturales por su origen orgánico han adquirido a
través del tiempo una gran importancia por sus
múltiples utilidades especialmente con los
colorantes textiles, estos son aromáticos y en su
mayoría obtenidos de plantas, de insectos y de
algunos hongos.
La importancia de los colorantes naturales en la
industria textil desapareció con el uso de los
colorantes sintéticos empleados en distintas fibras.
La producción de nuevas fibras textiles y de
colorantes sintéticos trajo consigo problemas de
salud en un pequeño porcentaje del publico usuario
quien ha presentado reacciones alérgicas a las fibras
y colorantes antes mencionados.
Gutiérrez, Rodríguez, Rodríguez y Barragán
cromóforos, termino creado en 1876 a partir de las
raíces griegas chroma, “color” y foros, “soportar”.
Se observó también que la presencia de algunos
otros grupos daba lugar a una intensificación de
color. Estos grupos fueron denominados
auxocromos (del griego auxanein, “aumentar”).
Actualmente sabemos que estos grupos auxocromos
son entidades que no pueden experimentar
transiciones 
pero si transiciones de electrones
n.
Los azocolorantes son un grupo extenso de
colorantes sintéticos que se forman a partir de la
anilina, todos los compuestos azo tienen la fórmula
general de un colorante pero con la característica
del grupo - N=N – en medio de dos anillos
aromáticos: Ar-N=N-Ar.
La eliminación de estos compuestos se da por dos
mecanismos:
ˆ Reducción: es una reacción química
correspondiente a la acción de un cuerpo
oxidante sobre un cuerpo reductor, que da
lugar a la reducción del oxidante y a la
oxidación del reductor. Al reducirse la
especie química gana uno o más
electrones.
ˆ Mineralización: es la degradación de
materia orgánica a dióxido de carbono,
agua o hidrácidos, óxido o sales minerales
de otros elementos existentes, que se da
por la acción de los microorganismos
degradadores de los ecosistemas.
Durante los últimos 10 o 15 años, el uso de los
colorantes sintéticos en el ámbito mundial se ha
incrementado en forma casi explosiva, debido a la
exigencia de su utilización en las industrias
alimenticias,
farmacéuticas
y
cosméticas
establecidas por las legislaciones de los diferentes
países.
La reducción de los azo-colorantes se da
preferentemente en condiciones anóxicas (medios
sin oxígeno) y la mineralización de las aminas
resultantes en condiciones óxicas (medios con
oxígeno). Con el uso secuencial de procesos
anaerobios y aerobios puede lograrse la
mineralización de los azocolorantes, aplicando
generalmente consorcios microbianos.
La mayoría de los colorantes se deben a la
absorción de ciertas longitudes de onda de luz
visible por los compuestos orgánicos, antes de que
se desarrollaran las teorías de las transiciones
electrónicas, se había observado que ciertos tipos de
estructuras orgánicas tendían a originar color
mientras que otras no. Estas estructuras parciales
necesarias para la aparición de color (que no son si
no grupos insaturados capaces de experimentar
transiciones 
o n) fueron denominas
Existen pocos reportes que muestren la capacidad
de microorganismos facultativos para mineralizar
colorantes azoicos, así como el efecto de las
condiciones de cultivo. En el presente trabajo, se
aplicó un diseño factorial de 23 para analizar el
efecto de la agitación, presencia de nutrientes y
presencia de oxígeno en el medio sobre la
degradación de Naranja II y el ácido sulfanílico, uno
de los productos de reducción del Naranja II, por
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 1, No. 2, 2007 p. 40-47
medio
de
el
Enterobacter sp.
microorganismo
facultativo
estado físico: polvo amarillo, punto de fusión: 164
C, solubilidad en agua: soluble (116 g/l), código de
identificación: salud: 1, inflamabilidad: 0,
reactividad: 0.
o
El Naranja II es un azocolorante de formula química
C16H11N2NaO4S, peso molecular: 350,32mol/gr,
Estructura del Azo Colorante
Naranja II
Rombo de Seguridad del
Azo Colorante Naranja II
El mecanismo de reducción microbiológica de dicho compuesto es el siguiente:
H2O
Ácido sulfanílico
Reducción del Azo colorante Naranja II.
La medición de la amina formada en la reducción es
poco viable, por lo que un método mas conveniente
para medir la mineralización del azocolorante, es
valorando la aparición y disminución del ácido
sulfanílico.
El mecanismo de mineralización del colorante a
partir de su reducción y la consecuente formación
de ác. sulfanílico es:
H2O + H+ + CO2 + NO-3 + SO42-
O2
ácido sulfanílico
Mineralización del Ácido sulfanílico.
Para la remoción de los colorantes en los efluentes
de agua se han planteado diversas técnicas las
cuales abarcan desde tratamientos fisicoquímicos
como son: filtración con membrana, coagulación /
floculación, precipitación, flotación, absorción,
intercambio iónico, extracción por par iónico,
mineralización ultrasónica, electrólisis, oxidación
fotocatalítica, así como reducción química; por otra
parte se encuentran las técnicas biológicas que
incluyen la biosorción y biodegradación bacteriana
y fúngica en tratamientos aerobios, anaerobios y
anóxicos.
Efecto de las condiciones de cultivo sobre la biodegradación del azocolorante
Naranja II en un sistema combinado anóxico/óxico.
Para el caso de los tratamientos fisicoquímicos, se
debe tener otro tratamiento o realizar una
disposición final del residuo, lo cual solo cambia el
lugar la contaminación mas no el problema real, por
lo que pueden llegar a ser demasiado costosos o no
viables. (P. van der Zee Frank, 2002).
Así, las técnicas mencionadas de forma individual
no proporcionan una eficiencia de decoloración
aceptable por lo que se han investigado otros
procesos como el de adsorción-biodegradación que
han dado buenos resultados (Barragán et al., 2007).
A pesar de ello se requiere un mayor estudio sobre
las condiciones de proceso que garanticen la
transformación de los contaminantes a subproductos
no tóxicos o mejor aún hacia su la mineralización.
Es precisamente de este punto de donde estriba la
importancia del presente proyecto; ya que al
plantear una mineralización del mineralización del
Naranja II se pretende la eliminación del mismo sin
generación de productos más tóxicos o
contaminantes al medio ambiente y a la salud
humana.
Se sabe por las investigaciones realizadas por
O´Neill C, et al. (2000) que la decoloración de lo
Medio
NARANJA II
Acido
Sulfanílico
Tratamiento
Con nutirentes
Sin nutrientes
Con nutrientes
Sin nutrientes
Nutrientes (1)
3
3
Gutiérrez, Rodríguez, Rodríguez y Barragán
azocolorantes se da en condiciones anóxicas y la
eliminación de las aminas resultantes de dicho
proceso se da en condiciones óxicas, por lo que es
clave para el planteamiento de cualquier sistema de
tratamiento para estos compuestos basados en estas
condiciones es tener el conocimiento de las
variables a controlar para alcanzar la mayor
eficiencia, para lo cual se requiere de un estudio
multifactorial entre las principales variables que
afectan el crecimiento, reproducción y metabolismo
de la especie bacteriana en estudio a fin de
seleccionar
las
variables
que
controlan
significativamente el proceso (agitación, nutriente y
oxígeno), tomando como modelo al azocolorante
Naranja II.
Objetivo
Determinar mediante un diseño factorial el efecto de
la presencia de nutrientes, agitación y oxígeno en la
mineralización del azocolorante Naranja II
utilizando la bacteria facultativa Enterobacter sp.
METODOLOGÍA
Se prepararon los medios de cultivo para el análisis
factorial: nutritivo y mineral con Naranja II, así
como nutritivo y mineral con ac. sulfanílico, con la
siguiente composición:
Sales (2)
3
3
3
3
Naranja II
30mg
30mg
Sulfanílico
30mg
30mg
(1) Nutrientes
9
9
(2)
Sales
9
9
9
9
9
110mg/L Extracto de Carne
30mg/L de Urea
28mg/L K2HPO4
7mg/L NaCl
4mg/L CaCL
2mg/L MgSO4
30mg/L Naranja II ó Ácido sulfanílico
Una vez preparados los medios a cada matraz se le
agregaron 20mL del medio (1/3 de su capacidad),
los que se sometieron a ambiente anóxico se
sellaron con tapones de hule y arillos de aluminio
para evitar infiltraciones de oxígeno y se realizó el
cambio de atmósfera con nitrógeno.
Para los matraces cuyo tratamiento fue óxico se
agrego la misma cantidad de medio y solo se
taparon con algodón y capuchones de aluminio.
Con los matraces ya listos se inoculó con 1mL de
concentrado de células en condiciones de asepsia.
Se separaron los que serian sometidos a agitación y
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 1, No. 2, 2007 p. 40-47
fueron puestos en una incubadora a 96 rpm a una
temperatura de 30ºC, misma temperatura a la que se
mantuvieron los matraces que no requerían
agitación
Por último se procedió al análisis de los resultados
obtenidos por medio de un software estadístico.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se realizó la toma de lecturas iniciales de
absorbancia para las variables de respuesta
mediante una espectrofotómetro a diferentes
longitudes de onda, para Naranja II a 480nm, Acido
sulfanílico a 247 nm y biomasa a 600nm. Los
tratamientos se mantuvieron por 21 días y se
obtuvieron las lecturas finales de las variables de
respuesta, con dichas lecturas de absorbancia se
obtuvieron las concentraciones por medio de la
curva tipo de cada una de las variables.
El estudio multifactorial aplicado tanto Naranja II
como a Ácido sulfanílico arrojo los datos que en las
siguientes tablas se presenta, cabe mencionar que en
la tabla 1 se presentan los datos del % de remoción
y de la concentración de ácido sulfanílico presente
en el tratamiento de Naranja II ya que el producto
de la reducción del colorante es el ácido sulfanílico.
Tabla 1.Tratamientos con Naranja II
Porcentaje de remoción de Naranja II, y concentración de ácido sulfanílico
Naranja II
sulfanílico
Naranja II
sulfanílico
TRATAMIENTO
%R
[mg/L]
TRATAMIENTO
%R
[mg/L]
ANOXICO/SA/CN 33,07±0,91 17,838±0,477 ÓXICO/SA/CN 4,31±0,93
6,609±0,109
ANOXICO/SA/SN 32,23±3,83 17,073±0,939 ÓXICO/SA/SN
7,56±1,06
9,533±0,541
ANOXICO/CA/CN 38,02±4,37 18,317±0,430 ÓXICO/CA/CN 4,48±1,22 10,021±0,819
/ANOXICOCA/SN 30,32±1,03 18,478±0,969 ÓXICO/CA/SN 4,19±0,95
8,470±0,964
En la grafica 1 se puede observar que en los medios
anóxicos el porcentaje de remoción del colorantes
es mucho mayor que en el caso de postratamientos
anóxicos, lo cual se ve corroborado con las
concentraciones de acido sulfanílico que se
formaron en los medios por la reducción del
Naranja II
MULTIFACTORIAL NARANJA II
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SA/CN
SA/SN
CA/CN
CA/SN
TRATAMIENTO
% de Remoción de Naranja II ANOXICO
mg/L de Acido Sulfanilico Formado ANOXICO
% de Remosión OXICO
mg/L de ACIDO Sulfanilico Formado OXICO
Grafica 1. Resultados para el tratamiento con Naranja II
Efecto de las condiciones de cultivo sobre la biodegradación del azocolorante
Naranja II en un sistema combinado anóxico/óxico.
En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos
para los distintos sistemas con ácido sulfanílico,
Gutiérrez, Rodríguez, Rodríguez y Barragán
expresados como % de remoción que se refiere a la
transformación del ácido.
Tabla 2. Tratamientos con Ácido sulfanílico
Promedios tratamiento ácido sulfanílico
sulfanílico
TRATAMIENTO % Remoción
TRATAMIENTO
ANOXICO/SA/CN
11,92±1,97
ÓXICO/SA/CN
ANOXICO/SA/SN
20,55±0,91
ÓXICO/SA/SN
ANOXICO/CA/CN
21,72±0,61
ÓXICO/CA/CN
/ANOXICOCA/SN
18,02±0,79
ÓXICO/CA/SN
% Remoción
39,65±2,2224
32,62±1,5114
30,77±0,2494
25,56±1,3182
MULTIFACTORIAL AC. SULFANILICO
45
40
35
% de Remosión
30
25
20
15
10
5
0
SA/CN
SA/SN
CA/CN
Tratamiento
CA/SN
ANÓXICO
ÓXICO
Grafica 2. Resultados para el tratamiento con acido sufanílico
En el caso de la remoción de ácido sulfanílico se
puede observar que, por el contrario que en el caso
de Naranja II el mayor porcentaje este se da en
condiciones óxicas jugando entones, la presencio o
ausencia de oxigeno un papel fundamental en la
mineralización del colorante Naranja II.
Los resultados de biomasa para ambas sustancias se
muestran en las graficas 3 y 4:
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 1, No. 2, 2007 p. 40-47
Biomasa Multifactorial Naranja II
0,7
0,6
0,5
Δ Abs.
0,4
0,3
0,2
0,1
ÓXICO/CA/SN
ÓXICO/CA/CN
ANÓXICO/CA/SN
ANÓXICO/CA/CN
ÓXICO/SA/SN
ÓXICO/SA/CN
ANÓXICO/SA/SN
ANÓXICO/SA/CN
0
Grafica 3. Biomasa en tratamientos con Naranja II
Biomasa Multifactorial Ac.Sulfanilico
0,3
0,25
0,15
0,1
0,05
Grafica 4. Biomasa en tratamientos con acido sulfanílico
ÓXICO/CA/SN
ÓXICO/CA/CN
ANÓXICO/CA/SN
ANÓXICO/CA/CN
ÓXICO/SA/SN
ÓXICO/SA/CN
ANÓXICO/SA/SN
0
ANÓXICO/SA/CN
Δ Abs.
0,2
Efecto de las condiciones de cultivo sobre la biodegradación del azocolorante
Naranja II en un sistema combinado anóxico/óxico.
Por ultimo se puede observar en las graficas 3 y 4
que el mayor crecimiento bacteriano se dio en las
condiciones optimas de reducción tanto para el
colorante Naranja II (anóxico) y para el ácido
sulfanílico (oxico) incrementándose esta tendencia
con la presencia de nutrientes.
CONCLUSIONES
Después de desarrollada la fase experimental del
proyecto se obtuvo que:
¾
Para la reducción del azocolorante Naranja
II es necesario que el medio no tenga
presencia de oxígeno, es decir un medio
Anóxico.
¾
Para la transformación del ácido sulfanílico
es necesario que en el medio haya la
presencia de oxígeno, es decir un medio
óxico.
¾
La presencia o no de agitación o nutrientes
no tienen un efecto significativo (p>0.05)
en la reducción ni en la mineralización del
Naranja
II
y
ác.
sulfanílico
respectivamente.
¾
La presencia de nutrientes no es
significativa (p>0.05), en ninguno de las
dos condiciones, lo que sugiere que
Enterobacter sp. es capaz de utilizar al
colorante como única fuente de carbono y
energía.
Bibliografía
Barragán H. Blanca., C. Costa., M. Carmen
Márquez. 2007. Biodegradaction of azo dyes by
bacteria inoculated on solid media. Dyes and
Pigments 75: 73-81.
Boll Argüello G., Lemos Pastrana A. y Mejía
Coahuila T., 2004, Manual de Laboratorio de
Microbiología Ambiental.
Isik Mustafa y Sponza Delia T, 2002, Effect Of
Oxygen On Decolorization Of Azo-Dyes By
Escherichia coli And Pseudomona sp. And Fate of
Aromatic Amines, Process Biochemistry 00: 1-10
O’Neill C., López A., Esteves S. y Hawkes F.R.,
2000, Azo-Dye Degradation In An AnaerobicAerobic Treatment System Operating On Simulated
Gutiérrez, Rodríguez, Rodríguez y Barragán
Textile Effluent, Appl Microbiol Biotechnol,
53:249-254
P. Ekici, Leupold G. y Parlar H., 2004,
Degradability of Selected Azo Dye Metabolites In
Activated Sludge Systems, Chemosphere, 44: 721728
P. van der Zee F., 2002, Anaerobic Azo Dye
Reduction, Thesis Wagenengen University,
Wageningen, The Netherlands with Summary in
English and Dutch.
Pereira E. y Durrant L, 2001, Decolorization of
Azo Dyes by Phanerochaete chysosporium and
Pleurotus sajorcaju, Enzyme And Microbial
Technology, 29: 473-477
Razo Flores E., Luijten M., Donlon B., Lettinga
G. y Field J., 1997, Complete Biodegradation of
The Azo Dye Azodisalicylate Under Anaerobic
Conditions, Enviro Sci. Technol, 31: 2098-2103.
http://www.pasqualinonet.com.ar/Colorantes.htm#L
os%20colorantes%20artificiales
http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&
u=http://www.chemexper.com/chemicals/supplier/c
as/633-965.htmL&prev=/search%3Fq%3D%2B%2522orange
%2B7%2522%26num%3D50%26hl%3Des%26lr%
3D%26as_qdr%3Dall
http://www.iib.unsam.edu.ar/IIBINTECH/htmL/docencia/Microbiologia/EcologiaMi
crobianaBN.pdf
http://www.fagro.edu.uy/microbiologia/docs/Proces
os Microbianos.pdf
http://www.fagro.edu.uy/microbiologia/docs/Proces
os%20Microbianos.pdfhttp://images.google.com/im
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