Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir de radiografía

siler in
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
―Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir
de radiografías y tarjetas de circuito impreso
provenientes de teclados de computadora‖
TESIS
Que para acreditar la Experiencia educativa:
Experiencia Recepcional
Programa Educativo: Ingeniería Química
P r e s e n t a:
―Janeth Alducin Ruiz‖
Director:
Dra. Rosalba Argumedo Delira
Xalapa, Ver., Abril 2015
Esta tesis fue financiada por
55874
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios, al creador de todas las cosas que me ha permitido
llegar hasta este punto de mi vida y ver terminado uno de mis sueños.
A mis padres que aparte de darme la vida, han sabido guiarme y
aconsejarme para culminar cada objetivo. A pesar de la situación
siempre he contado con su apoyo; nunca me han limitado, al contrario
han estado allí para lograr uno a uno y sin ellos esto no se hubiera
cumplido.
También a mi novio por formar parte este trayecto, brindándome su
paciencia, cariño y amor incondicional que fueron de gran apoyo,
gracias.
De igual forma la Dr. Rosalba Argumedo que como directora de esta
tesis confió en mí, me dedicó parte de su tiempo, sabiduría y
paciencia. Ha sido un privilegio contar con su guía y ayuda.
Como último pero no menos importante a los amigos que de una
manera u otra estuvieron presentes, Brenda, Erika, Mónica, Esther,
Gaby, Analy, Jennifer, Odaia, Itxma, Deisy, Itzel, Yesica, Ariana y
Annai.
Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir de radiografías y tarjetas de
circuito impreso provenientes de teclados de computadora
Janeth Alducin Ruiz
Universidad Veracruzana, 2015
RESUMEN
Los grandes avances tecnológicos han propiciado mejores condiciones de vida, pero poco se ha
advertido del impacto negativo que se causa al ser humano, al medio ambiente y a los recursos
naturales del planeta, debido a que aún somos incapaces de eliminar y tratar adecuadamente la
basura tecnológica. Dentro de esta basura tecnológica se encuentran los residuos médicos y
electrónicos. Es importante mencionar que algunos de estos residuos contienen metales valiosos
como la plata, metal de gran importancia industrial y comercial. De los residuos médicos con mayor
contenido de plata se encuentran las radiografías (RR). Mientras que los residuos electrónicos con
mayor cantidad de plata se encuentran las tarjetas de circuito impreso de teclados de
computadoras (RPCITC). Para la recuperación de plata a partir de RR y RPCITC se han empleado
procesamientos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos, sin embargo, dichos procesamientos
presentan desventajas energéticas y ambientales. Considerando lo anterior, la presente
investigación se dio a la tarea de evaluar la capacidad de biolixiviación de plata que tiene la
bacteria Sphingomonas sp. ante RR y RPCITC. Para llevar a cabo este objetivo se realizaron las
siguientes etapas: 1) Desmantelamiento y raspado de RR y RPCITC, 2) Evaluación del crecimiento
de la bacteria Sphingomonas sp. en diferentes cantidades de RR y RPCITC, 3) Biolixiviación de
plata por Sphingomonas sp. a partir de RR y RPCITC y 4) Escalamiento de la biolixiviacion de plata
con RR Y RPCITC. Los resultados obtenidos muestran que la biomasa seca de la bacteria es
incrementada en la mayoría de los tratamientos con RR y RPCITC en comparación con sus
respectivos controles, a los 15 y 30 días de incubación. En lo referente al pH se observa que
Sphingomonas sp. al interactuar con los RR y RPCITC es capaz de disminuir el pH del medio de
cultivo, casi igual al pH de los controles bióticos donde solo se encuentra la bacteria. Con respecto
a la cantidad de plata biolixiviada se observó que incrementa al aumentar las inoculaciones y el
tiempo de incubación, obteniendo un máximo de recuperación del 4.1% para RR y 2.4% para los
RPCITC con los tratamientos inoculados tres veces e incubados por 30 días. Mientras que en el
biorreactor, se obtuvo una biolixiviación del 40.1% para RR y 5.1% para RPCITC. Estos resultados
deslumbran otra alternativa para recuperar plata a partir de estos residuos con la ayuda de la
bacteria Sphingomonas sp. incrementando su potencial para biolixiviar plata al emplear otras
condiciones de cultivo como las utilizadas en él biorreactor.
Palabras
clave:
Plata,
biolixiviación,
bacteria,
radiografías,
residuos
electrónicos
ÍNDICE GENERAL
Pág.
ÍNDICE DE FIGURAS
iv
ÍNDICE DE TABLAS
v
1. INTRODUCCIÓN
1
2. ANTECEDENTES
2
2.1.
2
Definición de residuos médicos y electrónicos
2.1.1. Residuo médico
2
2.1.2. Residuo electrónico
3
2.1.3. Radiografía o placa radiográfica
3
2.1.4. Placa de circuito impreso (PCI) de teclados de
computadora
4
2.2.
Uso de las placas radiográficas en la industria medica
5
2.3.
Destino y manejo de las placas radiográficas en el
7
mundo y México
2.4.
Destino y manejo de los teclados de computadoras
en el mundo y México
8
2.5.
Toxicidad e impacto ambiental de los residuos de
placas radiográficas y PCI de teclados de
computadoras
9
2.6.
Alternativas para la recuperación de metales a partir
residuos de placas radiográficas y PCI de teclados de
computadoras
10
2.6.1. Procesamiento hidrometalúrgicas y pirometalúrgicas
11
2.6.2. Electroquímicos
11
2.6.3. Biológicos
12
2.7.
Ventajas y desventajas del empleo de técnicas
biológicas para la recuperación de metales a partir de
residuos de placas radiográficas y PCI de teclados de
computadora
13
2.8.
Historia de la plata
13
i
2.9.
Propiedades fisicoquímicas de la plata y algunas
15
aplicaciones
2.10. Importancia de obtener plata a partir de los residuos
16
de placas radiográficas y de las PCI de los teclados
de computadoras
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
17
4. JUSTIFICACIÓN
18
5. OBJETIVOS
19
5.1.
Objetivo general
19
5.2.
Objetivos particulares
19
6. HIPÓTESIS
20
7. MARCO TEÓRICO
21
7.1.
pH
21
7.2.
Género Sphingomonas
21
7.3.
Fases de crecimiento microbiano
22
7.4.
Bioproceso
23
7.5.
Enzima
23
7.6.
Escala de McFarland
24
7.7.
Biorreactor
24
7.8.
Espectrometría
de
emisión
óptica
por
plasma
24
acoplado inductivamente (ICP-OES)
7.9.
Metal
25
7.10. Reacciones de óxido reducción
26
7.11. Métodos de lixiviación
26
8. MATERIALES Y MÉTODOS
28
8.1.
28
Evaluación del crecimiento de Sphingomonas sp. en
diferentes cantidades de RR y RPCITC
8.1.1. Materiales biológicos
28
8.1.2. Desmantelamiento de los teclados de computadoras
28
8.1.3. Raspado de las placas de radiografías y de las PCI
28
ii
de los teclados de computadora
8.1.4. Crecimiento de Sphingomonas sp. en diferentes
cantidades de RR y RPCITC
29
8.2.
30
Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir
de RR y RPCITC
8.2.1. Biolixiviación de plata con una inoculación
30
8.2.2. Determinación de pH
30
8.2.3. Determinación de biomasa
31
8.2.4. Biolixiviación de plata
31
8.2.5. Biolixiviación de plata con doble inoculación
31
8.2.6. Biolixiviación de plata con triple inoculación
31
8.3.
31
Escalamiento de la biolixiviacion de plata con RR Y
RPCITC
8.4.
Análisis estadístico
32
9. RESULTADOS
33
9.1.
Crecimiento bacteriano en diferentes cantidades de
RR y RPCITC
33
9.2.
Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir
de RR y RPCITC
33
9.3.
Escalamiento de la biolixiviación de plata con RR Y
RPCITC
38
10. DISCUSIÓN
41
10.1. Crecimiento bacteriano en diferentes cantidades de
RR y RPCITC
41
10.2. Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir
de RR y RPCITC
41
11. CONCLUSIONES
43
12. RECOMENDACIONES
44
13. LITERATURA CITADA
45
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Partes de una placa radiográfica. a) gelatina, b) emulsión
3
de halogenuros de plata y c) base de poliéster.
Figura 2. Placas radiográficas empleadas en diversos ámbitos.
4
Figura 3. PCI de teclado de
5
computadora compuesta por las
películas de polipropileno flexibles (Whitchurch et al., 2009).
Figura 4. Curva de crecimiento de los microorganismos a) fase de
23
lactancia b) fase logarítmica c) fase estacionaria d) fase de muerte
(Hernández et al., 2003).
Figura 5. Descripción general de la técnica de Espectrometría de
25
Emisión Óptica por Plasma Acoplado Inductivamente (ICP).
Figura 6. Polvo obtenido de los residuos radiográficos y electrónicos
29
a) placa radiográfica y b) PCI de teclados de computadoras.
Figura 7. Biomasa seca de Sphingomonas sp. con y sin residuos
33
radiográficos a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de
incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error estándar, n=3).
Figura 8. Biomasa seca de Sphingomonas sp. con y sin residuos de
34
placas de circuito impreso de teclados de computadoras a
temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de incubación y b) 30
días de incubación (Medias ± error estándar, n=3).
Figura 9. pH del medio de cultivo de los tratamientos con
35
Sphingomonas sp. (biótico), residuos radiográficos (abiótico) y
Sphingomonas sp. + RR a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15
días de incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error
estándar, n=3).
Figura 10. pH del medio de cultivo de los tratamientos con
36
Sphingomonas sp. (biótico), residuos de placas de circuito impreso
iv
de teclados de computadoras (abiótico) y Sphingomonas sp. +
RPCITC a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de
incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error estándar, n=3).
Figura 11. Plata biolixiviada de los residuos radiográficos por
37
Sphingomonas sp. a temperatura ambiente (17 a 22 °C). Medias ±
error estándar, n=3.
Figura
12.
Plata
biolixiviada
de
los
residuos de
PCI por
37
Sphingomonas sp. a temperatura ambiente (17 a 22 °C). Medias ±
error estándar, n=3.
Figura 13. Biomasa seca de Sphingomonas sp. producida en un
38
biorreactor a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) RR y b) RPCITC
(Medias ± error estándar, n=3).
Figura 14. pH del medio de cultivo del biorreactor donde se creció
39
Sphingomonas sp. a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a)
tratamientos con RR y b) material RPCITC (Medias ± error estándar,
n=3).
Figura 15 Plata biolixiviada en un biorreactor por Sphingomonas sp
40
ante RR y RPCITC (Medias ± error estándar, n=3).
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Eventos históricos que permitieron la utilización de las
6
radiografías en el ámbito médico (Haus y Cullinan, 1989).
Tabla 2. Comportamiento del pH en el medio de cultivo cuando se
35
expone a Shingomonas sp a RR y RPCITC.
v
1. INTRODUCCIÓN
Los grandes avances tecnológicos han propiciado mejores condiciones de vida en
la sociedad actual, pero poco se ha advertido del impacto negativo que se causa
al ser humano, al medio ambiente y a los recursos naturales del planeta, debido a
que aún somos incapaces de eliminar y tratar adecuadamente a la basura
tecnológica. Dentro de esta basura tecnológica se encuentran los residuos
electrónicos y médicos. Los residuos electrónicos están constituidos por una gran
variedad de equipos eléctricos y electrónicos obsoletos, mientras que los residuos
médicos generalmente constan de papel, cartones, sangre o fluidos corporales,
agujas, objetos punzocortantes, placas radiográficas, sustancias químicas tóxicas,
etc.
Es importante mencionar que algunos de estos residuos contienen metales
valiosos como la plata, metal de gran importancia industrial y comercial. De los
residuos con mayor contenido de plata se encuentran las placas de circuito
impreso de los teclados de computadora (PCI, residuo electrónico) y las placas
radiográficas (PR, residuo medico). Para la recuperación de plata a partir de estos
residuos se han empleado procesamientos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos,
los cuales, presentan desventajas energéticas y ambientales.
Considerando lo anterior, se están buscando otras alternativas de menor impacto
ambiental y energético que puedan recuperar plata a partir de estos residuos de
una forma sustentable, evitando la obtención de este metal por la minería clásica
que afecta a ecosistemas completos. Por lo que la presente investigación se dio a
la tarea de evaluar la capacidad para lixiviar plata, mediante Sphingomonas sp. a
partir de residuos de PCI y residuos radiográficos. La información obtenida se
describe con mayor detalle en la presente tesis.
1
2. ANTECEDENTES
Las PCI de teclados de computadora y las placas radiográficas que han concluido
su vida útil se convierten en residuos electrónicos y médicos respectivamente. A
continuación se darán algunas definiciones para entender mejor el tema.
2.1.
Definición de residuos médicos y electrónicos
2.1.1. Residuo médico
Los residuos médicos se generan principalmente en clínicas, hospitales,
laboratorios diagnóstico y de investigación, bancos de sangre, clínicas dentales,
clínicas de atención materno-infantil, hospitales veterinarios, centros de autopsia,
asilos y morgues (Marinković et al., 2008). También incluyen desechos de los
programas de vacunación, misiones de asistencia médica y desechos producidos
cuando se cuida a un enfermo en casa (Singh y Prakash, 2007).
Los residuos médicos se pueden clasificar en dos tipos:
Residuos generales, los cuales no están regulados y se definen como residuos no
peligrosos, es decir que no requieren de un manejo especial, tratamiento y
disposición, como cartón, papel, cajas etc. (Taghipoura y Mosaferi, 2009).
Residuos especiales, incluyen materiales que se consideran potencialmente
riesgosos para la salud, que requieren especial manejo, tratamiento y disposición,
tales como residuos químicos, residuos infecciosos y los residuos radiactivos,
dentro de esta clasificación se encuentran las placas radiográficas (Prüss et al.,
1999; Junco-Díaz et al., 2003).
Otra forma de definir a los residuos hospitalarios es como a todo tipo de residuo
de origen biológico o no biológico obtenido en un establecimiento médico, los
cuales ya no tienen una posterior utilización (Rutala y Mayhall, 1992).
2
2.1.2. Residuo electrónico
Se considera a los aparatos eléctricos y electrónicos que han concluido su tiempo
de vida útil, volviéndose obsoletos, dentro de los cuales encontramos:
computadoras, televisores, teléfonos celulares, teclados de computadoras,
equipos de sonido y video, juguetes, herramientas, etc. (Mohan y Bhamawat,
2008; Nnorom y Osibanjo, 2009).
También se define como cualquier aparato al que se le suministre energía
eléctrica y termine su vida útil convirtiéndose en obsoleto (Widmer et al., 2005).
2.1.3. Radiografía o placa radiográfica
La placa radiográfica consta de una base sobre la que se adhiere por las dos
caras una emulsión (FujiFilm, 1990). La base es una hoja de poliéster de color
azul con estructura rígida (Figura 1) y con un espesor de entre 0.2 y 0.1 mm,
mientras que la emulsión está constituida por un 95% de AgBr y un 5% Agl
(cristales planos y triangulares de aproximadamente 0.001mm) (Kodak, 1980).
Cada emulsión está unida a la base mediante una capa de un material adhesivo,
que impide su desprendimiento y ambas capas de la emulsión estas protegidas de
las agresiones externas mediante una capa protectora de gelatina pura (FábregasMaury et al., 2002).
Figura 1. Partes de una placa radiográfica. a) gelatina, b) emulsión de halogenuros de
plata y c) base de poliéster.
3
Se utiliza la plata ya que es sensible a luz y esta se encuentra entre 1.5 a 2 % en
cada una de las radiografías, estas placas son empleadas en el ámbito de
investigación, industrial y médico (Figura 2) (Hamblin, 1962; Howell, 1996). Es
importante mencionar que en la actualidad se toman aproximadamente 2 mil
millones de radiografías en todo el mundo por cada año, en donde están incluidas
mamografías, tomografías computarizadas, radiografías de tórax y dentales, etc.
(Khunprasert et al., 2008).
Figura. 2. Placas radiográficas empleadas en diversos ámbitos.
2.1.4. Placa de circuito impreso (PCI) de teclados de computadora
La PCI de teclado se compone de dos películas de polipropileno flexible (Figura
3), en la que se imprimen los patrones conductivos en relación opuesta con una
barrera de policarbonato (espaciador entre las dos películas), la barrera de
policarbonato consta de varios orificios, los cuales se encuentran en las posiciones
correspondientes a los puntos de contacto en las respectivas películas de
polipropileno (Whitchurch et al., 2009). El patrón conductor se imprime con tinta
eléctricamente funcional, en este caso la tinta está pigmentada con plata (Gan et
al., 2009; Yang et al., 2010). Las películas flexibles se encuentran por debajo de
las teclas del teclado.
4
Figura 3. PCI de teclado de computadora compuesta por las películas de polipropileno
flexibles (Whitchurch et al., 2009).
2.2.
Uso de las placas radiográficas en la industria medica
Las radiografías han estado presentes desde la antigüedad a pesar de que los
rayos X fueron descubiertos por Roentgen en el año de 1895. No obstante, hay
una serie de eventos históricos que dieron lugar a la creación de las placas
radiográficas actuales (Tabla 1), las cuales han sido de gran importancia para la
industria médica al poder proporcionar un diagnóstico y ser una herramienta
terapéutica (Robb, 1982; Haus y Cullinan, 1989).
Las radiografías proporcionan imágenes del interior de nuestro cuerpo que hace
muchos años no era posible y hoy es un gran logro, se puede realizar una
radiografía en cualquier parte de cuerpo, un ejemplo de ello son las mastografías,
tomografías, radiografías dentales y de todo el sistema óseo (Banerjee et al.,
2012).
Las mamografías o también llamadas mastografías, son representaciones planas
de las glándulas mamarias por medio de placas radiográficas, las cuales son
obtenidas gracias a los rayos X, este diagnóstico permite detectar lesiones no
palpables a menos de 0.5 cm (Brandan y Villaseñor-Navarro, 2006).
Las placas radiográficas también son utilizadas en las tomografías computarizadas
por rayos X, las cuales se basan en la obtención de una imagen de cualquier parte
del cuerpo, incluso de órganos (Ramírez-Giraldo et al., 2008).
5
Tabla1. Eventos históricos que permitieron la utilización de las radiografías en el
ámbito médico (Haus y Cullinan, 1989).
Año
1826
1839
1839
Persona/Compañía
Joseph Nicephore Niepce
Louis J.M. Doguerre
Williams F. Talbot
1839
1851
1871
John Herschel
Frederick Scott Archer
Richard L. Maddox
1879
George Eastman
1895
1895
1896
William Conrad Roentgen
William Conrad Roentgen
Carl Schieusner
1896
1896
Kodak
Thomas A. Edison
1896
Michael Pupin
1896
May Levy
1913
1916
Kodak
Patterson Screen company
1918
1921
Kodak
Patterson Screen company
1923
Kodak
1933
1934
1936
1942
1956
DuPont
Patterson Screen company
Ansco
Pako
Kodak
1960
1965
DuPont
Kodak
1971
Kodak
1972
1977
1983
3M
3M
Kodak
Evento
Primera fotografía permanente con cámara
Descubrimiento de un material fotosensible
Descubrimiento del método fotográfico negativopositivo
Se acuña la palabra fotografía
Descubrimiento del proceso colodión húmedo
Descubrimiento de las placas secas al gelatinobromuro de plata
Se inventa la máquina para el revestimiento por
emulsión de las placas
Se descubren los rayos X
Se toma la primera radiografía medica
Se fabrican las primeras placas de vidrio para las
radiografías
Introduce el primer papel para rayos X
Se recomienda el tungstato de calcio para pantallas
de fluoroscopia
El primero en utilizar pantallas fluorescentes en
combinación con placas fotográficas de vidrio.
Hizo uso de las radiografías utilizando una película
cubierta con doble emulsión entre dos pantallas
fluorescentes intensificadas
Introduce una película a base de nitrato de celulosa
Producen pantallas intensificadoras fluorescentes
con características mejoradas
Introducen películas con doble emulsión
Introducen pantallas fluorescentes con una capa
protectora para su limpieza
Introducen películas seguras a base de acetato de
celulosa
Introducen películas para rayos X teñidas de azul
Introducen pantallas Patterson Par Speed
Introducen películas de exposición directa a rayos X
Introducen un procesador automático de películas
Introducen un proceso de revelado de películas
radiográficas con sistema
de transporte por rodillos
Hace la primera película a base de poliéster
Introduce un proceso rápido de revelado (90 s) de
películas
Introducen pantallas que emiten en el ultravioleta
para reducir el cruce luz en doble curvatura
Introducen pantallas de tierras raras
Introducen películas de bajo cruce
Introduce la emulsión para películas radiográficas
con grano tabular de haluros de plata
6
Esta técnica se basa en cuatro puntos: 1) mejorar la velocidad, 2) aumentar la
resolución, 3) perfeccionar la calidad de la imagen y 4) minimizar la dosis de
radiación hacia el ser vivo (Ramírez-Giraldo et al., 2008).
Mientras que las radiografías dentales son una herramienta útil y necesaria en el
diagnóstico y tratamiento de las enfermedades bucodentales como la caries,
enfermedades periodontales y las patologías orales, sin embargo, las dosis de
radiación en las radiografías dentales son bajas, ya que la exposición a la
radiación debe minimizarse siempre que sea posible (ADACSA, 2006).
2.3.
Destino y manejo de las placas radiográficas en el mundo y México
Es importante mencionar que la información sobre el destino y manejo de los
residuos radiográficos es escasa, sin embargo, se reporta que en Tailandia se
recolecta una gran cantidad de placas radiográficas en hospitales (después de ser
conservadas de 5 a 10 años para los registros), cada año se venden a
distribuidores; los cuales se encargan de recuperar la plata por medio de
electrolisis y lixiviación ácida principalmente. No obstante, el sistema de gestión de
residuos radiográficos en este país presenta algunos inconvenientes: 1) hay
demasiados distribuidores y procesadores de residuos radiográficos en Tailandia,
sin embargo, no está claro a donde van todos los residuos radiográficos y quienes
llevan a cabo su manejo, 2) algunos procesadores no oficiales de los residuos de
plata, no se preocupan sobre si el tratamiento es verde, lo cual representa riesgos
graves para los seres humanos, especialmente para los trabajadores y el medio
ambiente, 3) existen pocos sistemas documentados sobre la gestión de los
residuos radiográficos, lo que complica su control y monitoreo, 4) los residuos
radiográficos están bajo el control de muchas autoridades, las cuales han
establecido diferentes medidas para hacer frente a este tipo de residuos, sin
embargo, las instituciones reguladoras de cada sección carecen de cooperación,
lo que conduce a una brecha a nivel normativo y 5) el único procesador oficial de
residuos radiográficos importa todos estos residuos de otros países para tratar de
7
recuperar la plata, lo que ha provocado que incremente el transporte de estos
residuos desde otros países hacia Tailandia para su tratamiento final, lo cual
involucra que toda la contaminación que se genere después del tratamiento de
dichos residuos permanezca en esta nación (Khunprasert et al., 2008).
Por otro lado, es evidente que en México también se tienen algunos de los
problemas que presenta Tailandia, pues la mayoría de la población mexicana
desconoce cuál es el destino final de estos residuos y sus implicaciones
ambientales. Considerando lo anterior la investigadora Gretchen Lapidus Lavine
de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) ha llevado a cabo un proceso
económico y sustentable para recuperar plata a partir de las placas radiográficas,
y con esta técnica la investigadora pretende crear un centro de acopio de placas
radiográficas, las cuales son residuos de los centros médicos (Lapidus-Lavine,
2011).
2.4.
Destino y manejo de los teclados de computadoras en el mundo y
México
La mayor producción de residuos electrónicos (teclados de computadora) se
encuentra en Estados Unidos, Canadá, Australia, Europa, Japón y Corea, sin
embargo, a pesar de que existen acuerdos y convenios sobre la transferencia
fronteriza de Residuos de Equipos Eléctricos y Electrónicos (REEE), estos países
prefieren mandar sus residuos electrónicos a países subdesarrollos como Ghana,
China, India y Pakistán para su tratamiento final (Ni y Zeng, 2009). Pero en estos
países la recuperación de los materiales valiosos presentes en estos residuos es
bajo condiciones infrahumanas y afectando gravemente al medio ambiente, así
como a las personas que se encuentran cerca de estos lugares o en contacto
directo con estos residuos debido a sus actividades laborales (Sepúlveda et al.,
2010; Terazono et al., 2006).
Por otro lado, en México existe poca información sobre la situación de los residuos
electrónicos y la gran mayoría de los 2,443 municipios mexicanos no cuentan con
8
la infraestructura legal, medios económicos y medios humanos para hacer frente a
los residuos sólidos urbanos de este tipo (UNEP, 2009). No obstante, está en
proceso la aplicación de la reforma de la Ley General para la Prevención y Gestión
Integral de los Residuos en materia de residuos electrónicos (Pérez-AlonsoGonzález et al., 2011). Adicionalmente la empresa mexicana Recicla Electrónicos
México (REMSA) se ha dado a la tarea de hacer centros de acopio en casi todos
los estados de la república, con el fin de fomentar el reciclaje de este tipo de
residuos y aprovechar sus materiales valiosos para darles otro uso (REMSA,
2014).
2.5.
Toxicidad e impacto ambiental de los residuos de placas radiográficas
y PCI de teclados de computadoras
La eliminación de la basura tecnológica de una forma no apropiada, ha provocado
la contaminación del aire, suelo y cuerpos de agua, debido a que estos residuos
contienen más de 1000 sustancias, muchas de las cuales son tóxicas (Huang et
al., 2009).
Por otro lado, es importante mencionar que el principal constituyente metálico de
los residuos de placas radiográficas como de los residuos de las PCI de teclados
de computadora es la plata (Chancerel et al., 2009). La plata es un metal pesado
que se encuentra en una variedad de formas en el ambiente, por lo que es
importante saber cómo se encuentra químicamente, para evitar que reaccione con
otras sustancias y provoque la contaminación de ecosistemas terrestres y
acuáticos (Purcell y Peters, 1998).
Para el ser humano estar en contacto con la plata en sus formas solubles causa
enfermedades, como la argiria que produce coloraciones entre gris-azulado en la
piel o en los ojos (argiosis) (Gulbranson et al., 2000). También puede producir
daños tóxicos en algunos órganos como hígado y riñones, en vías respiratorias y
en el tracto intestinal (Drake y Hazelwoo|d, 2005).
9
Aunque la plata no se considera tan toxica para la salud del ser humano, debido a
que no provoca mutaciones o cáncer (Hollinger, 1996). Pero, se considera
altamente tóxica para las plantas acuáticas e invertebrados si se encuentra en una
concentración de 50 µg de Ag L-1 en agua potable y 10 µg de aire total Ag m-3
(Eisler, 1996).
2.6.
Alternativas para la recuperación de metales a partir residuos de
placas radiográficas y PCI de teclados de computadoras
En la actualidad para la recuperación de metales a partir de residuos electrónicos
y
médicos
las
técnicas
más
utilizadas
son
las
hidrometalúrgicas
y
pirometalúrgicas.
2.6.1. Procesamiento hidrometalúrgico y pirometalúrgico
El proceso hidrometalurgico consiste en la extracción de metales por medio de
soluciones acuosas y orgánicas, se utiliza una gran variedad de reactivos como
ácido nítrico, agua regia, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, cloruro férrico, etc.
(Gramatyka et al., 2007). Para recuperar a los metales de interés es común que se
realicen 3 etapas: 1) lixiviación, 2) concentración de la solución y 3) purificación y
obtención de los metales (Silva et al., 2005). En la segunda etapa la solución se
expone a procesos de separación como sedimentación, precipitación, filtración
intercambio iónico, y extracción con disolventes (Ruiz et al., 2007). Mientras que
en la tercera etapa se utilizan procesos de precipitación, intercambio iónico y
electrolisis para obtener al metal de interés (Jha et al., 2001).
Algunos de los ejemplos donde se utiliza este procesamiento para la obtención de
Ag a partir de las placas radiográficas es el estudio de Moreno-García (1986)
quien sumerge a las radiografías en soluciones de cianuro, cloruro férrico y ácido
nítrico obteniendo una recuperación del 99% de Ag. También se ha reportado la
recuperación de plata (97%) a partir de radiografías utilizando ácido oxálico al 1%
10
y a una temperatura de 97 °C, logrando separar eficientemente la plata del
poliéster (Syed et al., 2002). Otra técnica reportada para la recuperación de plata a
partir de las placas radiográficas es la utilización de peróxido de hidrógeno en un
pH de 5.5, obteniendo una recuperación del 91.5% (Mahdizadeh et al., 2014).
Por otro lado, dentro de los procesamientos pirometalúrgicos se encuentra el
tostado, fundición, conversión y refinación (Havlik et al., 2010; Ojeda et al., 2009).
Generalmente esta técnica es menos eficiente que el proceso hidrometalúrgico
con una recuperación menor del 95%, además utiliza temperaturas mayores a 950
°C para destruir el poliéster de las placas radiográficas (Masebinu y Muzenda,
2014). Un ejemplo de este procesamiento es el uso de incineradores para
recuperar la plata proveniente de las películas fotográficas, este equipo tiene la
capacidad de incinerar 4500 lb h-1 de este material con una eficiencia de
recuperación del 99% (Ewell y Piper, 1970).
Finalmente, cabe mencionar que ambos procesamientos presentan desventajas
energéticas y ambientales, como la generación de gases tóxicos en el caso de los
procesos pirometalúrgicos y grandes cantidades de efluentes corrosivos y lodos
para los procesos hidrometalurgicos (Zhouxiang et al., 2008).
2.6.2. Electroquímicos
Los sistemas electroquímicos deben contener dos electrodos separados por un
electrolito, los cuales son conectados a través de un conductor electrónico
externo, donde los iones fluyen a través del electrolito desde un electrodo al otro, y
el circuito se completa por los electrones que fluyen a través del conductor externo
(Newman y Thomas-Alyea, 2004). Este tipo de sistemas también se ha utilizado
para recuperar plata a partir de las placas radiográficas, tal es el caso de Ramírez
et al. (2011) quienes reportan una recuperación del 99.8%, con un bajo consumo
de energía (0.387 KWh kg-1) y alta eficiencia de corriente.
11
2.6.3. Biológicos
Los procesos bilógicos son técnicas donde se utilizan microorganismos, es decir
hay una interacción entre el microorganismo y el metal, lo que permite su
recuperación y por consiguiente la reutilización del metal (Brierley, 2008).
En lo referente al uso de microorganismos y sus enzimas para recuperar plata a
partir de las placas radiográficas se encuentra el trabajo Choudhary (2013) quien
utiliza una proteasa alcalina producida por el hongo Aspergillus versicolor P/F/107,
(aislado de una granja de aves de corral) para hidrolizar las capas de emulsión de
las radiografías, la enzima se mantuvo en contacto con las placas radiográficas a
50 C y pH=9, obteniendo una recuperación de 0.135 g de plata con un rendimiento
del 0.335%. Mientras que Masui et al. (2004), reportan que la hidrolisis de las
capas de emulsión de las radiografías es mucho más rápida empleando una
enzima mutante termo estabilizada obtenida de la proteasa alcalina de Bacillus sp.
B21-2 que con proteasas alcalinas convencionales en un reactor de tanque
agitado y pH=10.5. Otro ejemplo interesante es la utilización del extracto
enzimático proveniente de Bacillus subtilis ATCC6633 para remover la plata de las
placas radiográficas, teniendo como condiciones un pH=8 y una temperatura de
50 °C, recuperando 0.4013 g plata con una pureza del 99.16% (Nakiboğlu et al.,
2001). También se ha reportado la utilización de la proteasa alcalina proveniente
de Conidiobolus coronatus, la cual se ha puesto en contacto con las radiografías y
es capaz de extraer toda la emulsión dejando libre el poliéster a 40 °C y pH=10
(Shankar et al., 2010). De igual forma la proteasa alcalina proveniente del hongo
Purpureocillium lilacinum LPS # 876 logro remover las capas de emulsión de las
radiografías y liberar partículas de plata dentro de 6 min a 60 °C y pH=9.0 (Cavello
et al., 2013).
Cabe mencionar que son escasos los estudios fisicoquímicos, electroquímicos y
biológicos sobre la recuperación de plata a partir de las placas de circuito impreso
provenientes de los teclados de computadoras por lo cual no son mencionados en
el presente escrito.
12
2.7.
Ventajas y desventajas del empleo de técnicas biológicas para la
recuperación de metales a partir de residuos de placas radiográficas y PCI
de teclados de computadoras
En lo referente a los tratamientos biológicos para la recuperación de metales estos
poseen
más
cosas
positivas
que
los
tratamientos
hidrometalúrgicos
y
pirometalurgicos, que son más costosos y que generan grandes cantidades de
contaminantes (Jadhav y Hocheng, 2012).
Algunas ventajas y desventajas se mencionaran a continuación.
Ventajas:

La recuperación de metales es menos costosa que con los métodos
tradicionales.

Son procesos biotecnológicos amigables con el medio ambiente al generar
residuos menos peligrosos que con los procesamientos fisicoquímicos.

Requieren un gasto energético mínimo.

Los microorganismos empleados en los procesos de recuperación son
aislados del medio ambiente.
Desventajas:

Son procesos lentos

No se cuenta con una eficiencia del 100% para obtener al metal.

En la mayoría de los procesos no se obtiene directamente al metal.

Se requieren cuidados constantes para evitar las contaminaciones (Pant et
al., 2012; Rodríguez et al., 2001).
2.8.
Historia de la plata
El país número uno en producción de plata es México (con un 20% de la
producción mundial), seguido de los Estados Unidos, Canadá, Perú y Chile
(Morones-Ramírez, 2010).
13
La plata es conocida como ―metal de acuñación‖ gracias a su uso antiguo, por lo
cual es uno de los primeros metales conocidos por el hombre; su nombre se
deriva del latín argentum y del griego upyog, argos (brillante o blanco), la cantidad
de plata que se encuentra en la corteza terrestre es de 0.08 mgL-1 (Greenwood y
Earnshaw, 1997).
Se cree que las primeras extracciones de plata se dieron en las minas de Asia
Menor y el uso más antiguo que se ha documentado por una civilización ocurrió en
el año de 3500 a. C., en donde Menes, el primer faraón del imperio egipcio,
escribió el Código de Menes donde señalaba que el valor de dos partes y media
de plata correspondían a una parte de oro (Gale y Stos-Gale, 1981). Mientras que
en Mesopotamia alrededor del año 3000 a. C., la plata se consideró como un
material llamativo y valioso, y se tomó como base para compararlo con cualquier
otro artefacto que se quisiera cambiar, posteriormente se fabricaron arillos de plata
que se convirtieron en la moneda de ese tiempo (Pringle, 1998). Los romanos
saquearon las minas de su vasto imperio que llegaba hasta lo que es ahora
España y Portugal, llegando a perfeccionar las técnicas para trabajar la plata, que
condujo al uso de este metal en la fabricación de utensilios y contenedores, para
uso de la realeza, y en la construcción de complejos patrones y figuras que
decoraban diversos ornamentos (Lucas, 1928).
Entre tanto, en la época prehispánica la plata era extraída principalmente de las
minas de Taxco Zumpango en Guerrero, México, y se fundía en pequeños hornos
utilizando crisoles de arcilla, posteriormente se martillaba para producir laminas
que se labraban con la finalidad de elaborar objetos para los santuarios dedicados
a los dioses de los antiguos mexicanos (Coll-Hurtado et al., 2002).
Por otro lado, el nitrato de plata se convirtió en la edad media en algo esencial
para la medicina, al utilizarse en heridas crónicas, quemadura y úlceras, además
de emplearse como un método alternativo para la cauterización del hierro (Silver
et al., 2006).
14
2.9.
Propiedades fisicoquímicas de la plata y algunas aplicaciones
La plata metálica nativa es prácticamente pura, pero se produce en muy pequeñas
cantidades, generalmente en forma cristalina, como agujas, filamentos y redes
arborescentes, aunque también se ha encontrado (raramente) en pepitas y placas
delgadas; los principales minerales de plata son el sulfuro de plata, solo o
asociado con los sulfuros de antimonio o arsénico, y el cloruro de plata (Lucas,
1928).
La plata es un metal sólido, blanco, brillante, muy dúctil y maleable el cual tiene
una variedad de propiedades que la hacen deseable para la industria, gracias a
estas características en muchas ocasiones se han hecho aleaciones con cobre y
oro para fortalecer y facilitar el trabajo; es el mejor conductor de la electricidad y
de calor que se puede conocer, pero no se utiliza con frecuencia por su alto costo
(Vogel, 1969). La plata es uno de los metales más abundante y menos costoso de
los metales preciosos (oro, plata, paladio y platino) (Morones-Ramírez, 2010).
Se encuentra en el grupo IB de la tabla periódica, su número atómico es 47,
trabaja con valencia 1+, con masa atómica de 107.83 g mol-1, peso específico de
10.5 N m-1 y sus electrones están arreglados en el siguiente orden en cada órbita:
2, 8, 18, 18, 1, es invulnerable al fuego, aire y agua; el ácido nítrico la disuelve
formando el nitrato de plata (Delfin-Figueroa, 1966).
Día con día el número de aplicaciones de plata va en acenso no solo en el ámbito
médico sino también en nuestra vida cotidiana (Franke, 2007). La plata tiene una
gran variedad de utilidades, una de ella es como agente antimicrobiano,
reconocido durante muchos años para inhibir las infecciones y en el cuidado de
quemaduras, heridas y úlceras (Leaper, 2006 ; Alexander, 2009). Además de una
variedad de productos de supermercado como filtros de agua, lavadores de frutas
y verduras y ungüentos, asimismo en la fabricación de soldaduras, dispositivos
eléctricos-electrónicos, utensilios y en la joyería (Renner et al., 2001; Silver, 2003).
15
2.10. Importancia de obtener plata a partir de los residuos de placas
radiográficas y de las PCI de los teclados de computadoras
En los últimos años se ha incrementado la demanda de plata, debido a sus ya
conocidos usos y a sus nuevas aplicaciones en forma de nanopartículas (eléctrica,
química, médica, etc.), por lo que se debe buscar la manera de extraer a este
metal de una forma sustentable (Jain et al., 2009).
La plata es extraída convencionalmente por procesos mineros, los cuales
involucran la remoción de grandes cantidades de suelo que contaminan y agreden
a los ecosistemas presentes en los lugares donde se realizan las actividades
mineras (Fleming, 1992). Considerando lo anterior varios países han buscado la
forma de obtener metales de una manera sustentable, sugiriendo la extracción de
estos metales a partir de fuentes secundarias como lo son los residuos de otras
industrias, no obstante, otra problemática que tiene la recuperación de metales a
partir de fuentes secundarias es que también generan sustancias contaminantes,
por lo cual la búsqueda de técnicas biológicas, para obtener metales a partir de
fuentes secundarias se considera de gran importancia (Tuncuk et al., 2012).
Por otra parte, una ventaja que tiene la obtención de plata a partir de los residuos
de las placas radiográficas (12 kg t-1) y de las PCI de los teclados de
computadoras (0.7 kg t-1) es que contienen generalmente más plata que los
minerales (1.3-2.4 kg t-1) donde se extrae este metal, adicionalmente se pueden
obtener con mayor pureza (Purcell y Peters, 1998; Abdel-Aal y Farghaly, 2007).
16
3. PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA
El progreso tecnológico han causado que los teclados que acompañan a las
computadoras de escritorio se vuelvan obsoletos en poco tiempo, mientras que las
placas radiográficas al cumplir su función ya no tengan otro uso, y al no contar con
una legislación vigente al respecto, terminan en los basureros como cualquier
residuo sólido afectando al ambiente y a la salud humana. Debido a que las PCl
provenientes de los teclados de computadora y las radiografías contienen plata, un
metal pesado que puede ocasionar cambios estéticos y daños tóxicos en algunos
órganos de los seres humanos (hígado, riñones, vías respiratorias y en el tracto
intestinal). Además de bioacumularse en los seres vivos que se encuentren
expuestos a altas concentraciones de este metal, afectando su metabolismo.
17
4. JUSTIFICACIÓN
Tomando en cuenta que la plata se encuentra en muy pocas cantidades en la
corteza terrestre, y la forma de extraerla daña a ecosistemas enteros, estas
razones han hecho que la plata se vuelva un metal valioso y con un alto costo en
el mercado por sus diversas aplicaciones. Por lo cual, es de vital importancia que
en México se busquen fuentes secundarias como lo son las PCl de los teclados de
computadora obsoletos y las placas radiográficas usadas, para su obtención. Esta
alternativa, tiene la ventaja de ser sustentable y evitaría la afectación de los
ecosistemas por el uso de los procesos mineros tradicionales. Adicionalmente la
utilización de microorganismos para su recuperación evitaría la generación de
sustancias
altamente
contaminantes
y
reduciría
los
gastos
energéticos.
Considerando lo anterior, la presente investigación se justifica al crear información
relevante e innovadora sobre la recuperación de plata a partir de PCl y placas
radiográficas empleando Sphingomonas sp., de la cual no existen muchos
reportes. Adicionalmente esta información será básica para posteriormente escalar
dicho procedimiento.
18
5. OBJETIVOS
5.1.
Objetivo general
Determinar la capacidad de Sphingomonas sp. para recuperar plata a partir de
Residuos de Radiografías (RR) y Residuos de Placas de Circuito Impreso de
Teclados de Computadoras (RPCITC).
5.2.
•
Objetivos particulares
Conocer el crecimiento de la bacteria Sphingomonas sp. en diferentes
cantidades de RR y RPCITC.
•
Evaluar la biolixiviación de plata a partir RR y RPCITC por Sphingomonas
sp.
•
Realizar el escalamiento de la biolixiviación de plata a partir de RR y
RPTCITC por Sphingomonas sp. en un pequeño biorreactor.
19
6. HIPÓTESIS
La cantidad de RR y RPCiTC en el medio de cultivo, el número de inoculaciones,
la agitación (oxígeno disuelto) y el tiempo de incubación serán factores decisivos
para incrementar la biolixiviación de plata de Sphingomonas sp.
20
7. MARCO TEÓRICO
7.1.
pH
El pH es el logaritmo negativo de la concentración de iones hidronio H3O+, para
saber si una solución es ácida o básica depende de la cantidad de iones hidronio
H+ que contenga esta. La escala de pH tiene como neutro al valor de pH=7, si el
pH es mayor que este es básico y si es menor será ácido (Atkins y Jones, 2007).
7.2.
Género Sphingomonas
El género Sphingomonas pertenece a la familia Sphingomonadaceae, fue descrito
por Yabuuchi y Cols en 1990 y registrado por Takeuchi y Colsi en 1993, las
bacterias que pertenecen a este género son bacilos no esporulados, gram
negativos que tienen un único flagelo polar cuando son móviles, además son
aerobios estrictos, quimioorganotróficos, producen catalasa y sus colonias
generalmente son de amarillas a blancas marrón (Winn et al., 2008). Del género
se conocen más de 20 especies, y de acuerdo a sus características filogenéticas,
quimiotaxonómicas y fenotípicas se subdividieron en tres nuevos géneros:
Sphingobium, Novosphingobium y Sphingopyxis (Takeuchi et al., 2001). Estas
bacterias se encuentran distribuidas en el suelo, el agua y en los sedimentos, se
sabe que tienen la capacidad de degradar hidrocarburos poliaromáticos y
precipitar uranio (Fredrickson et al., 1995; Nilgiriwala et al., 2008).
Por otro lado, dentro de este género bacteriano Sphingomonas paucimorbilis es un
patógeno humano, ya que causa infecciones hospitalarias y provoca endoftalmitis
(inflamación de los tejidos intramusculares) considerada de las más devastadoras
enfermedades (Martínez y Ovalle, 2013; Mauri-Garrido et al., 2014).
21
7.3.
Fases de crecimiento microbiano
Está representada por una curva, la cual expresa el comportamiento del
microorganismo a través del tiempo y las fases de crecimiento son:

Fase de latencia: coincide con el periodo de adaptación a las
condiciones de cultivo y ambientales, se presenta enseguida de la
inoculación y su duración depende del estado fisiológico de la célula
inoculada, durante este periodo no existe aumento en el número de
células.

Fase logarítmica o exponencial: las células se multiplican a su máxima
velocidad, la velocidad de crecimiento durante este periodo es
constante, esta fase se termina cuando ocurre unas de estas tres
situaciones: 1) los nutrientes se agotan, 2) las condiciones
ambientales se modifican y 3) cuando la célula produce metabolitos.

Fase estacionaria: la velocidad de crecimiento (reproducción) del
microorganismo es igual a la velocidad de muerte y se llega a un
equilibrio celular.

Fase de muerte: inicia cuando los nutrientes que están en el medio de
cultivo no son suficientes para que el microorganismo se reproduzcan,
por lo que las células mueren (Figura 4) (Hernández et al., 2003;
Madigan et al., 2006).
22
Figura 4. Curva de crecimiento de los microorganismos a) fase de lactancia b) fase
logarítmica c) fase estacionaria d) fase de muerte (Hernández et al., 2003).
7.4.
Bioproceso
Un bioproceso involucra los procesos mediante los cuales determinados sustratos
(nutrientes) son transformados por acción biológica (microorganismos, células,
tejidos y enzimas) en productos como biomasa, antibióticos, hormonas, fermentos,
vacunas, ácidos orgánicos, amino ácidos, biocombustibles, etc., y servicios tales
como biorremediación, biolixiviación y tratamiento de efluentes (Duque, 2010; Liu,
2013).
7.5.
Enzima
Las enzimas son proteínas especializadas en la catálisis de las reacciones
químicas que tienen lugar en la célula, son muy eficaces como catalizadores y son
altamente específicas, ya que cada una de ellas induce la transformación de un
sólo tipo de sustrato, la vida no es posible sin ellas (McGilvery, 1977). Desde el
punto de vista químico, son proteínas globulares, algunas de ellas con estructura
cuaternaria, para cumplir su función requieren conservar su estructura nativa, en
particular se destaca una región conocida como sitio activo, que es responsable
de catalizar la reacción (Lehninger et al., 2004).
23
7.6.
Escala de McFarland
Se utiliza principalmente para visualizar aproximadamente la concentración de
células en una suspensión, está representada por la concentración especifica de
UFC (unidades formadoras de colonias) mL-1 de una escala que va de 5 a a10, y
está diseñada para determinar la concentración bacteriana. Los estándares son
realizados al mezclar soluciones de cloruro de bario ( 1%) con ácido sulfúrico (1%)
en volúmenes específicos, dichas soluciones deben ser almacenadas en un
recipiente sellado a una temperatura de 20-25 °C, en la oscuridad. Esta técnica
tiene la ventaja de que los estándares no necesitan tiempo o equipos de
incubación para estimar el número de bacterias. Mientras que las desventajas son
la subjetividad en la determinación de la turbidez. Para medir la cantidad de
colonias también se puede utilizar el espectrómetro para estimar la turbidez
directamente (Sutton, 2011).
7.7 Biorreactor
Los biorreactores son recipientes que contienen sustratos, nutrientes y células
libres, en un ambiente controlado, de tal forma que se produzcan uno o más
productos, el objetivo del diseño de biorreactores es pasar de los biorreactores de
laboratorio a la producción a gran escala de un producto determinado de una
forma económica y fiable (Moreno-Grau y Bayo-Bernal, 1996).
7.8 Espectrometría de emisión óptica por plasma acoplado inductivamente
(ICP-OES)
En esta técnica, la mayoría de las muestras se introducen como líquidos y un
sistema de nebulización forma un aerosol que es transportado por argón a la
antorcha del plasma, acoplado inductivamente por radio frecuencia (Blades y
Horlick, 1981). En el plasma, debido a las altas temperaturas (6000 °K) generadas,
los analitos son atomizados e ionizados, es decir las partículas de los analitos son
disociadas en átomos libres, generándose los espectros de emisión atómica que
24
presentan líneas características (Hou y jones, 2000). Los espectros son
dispersados por una red de difracción y el detector sensible a la luz se encarga de
medir las intensidades de las líneas (Figura 5). La información es procesada por
el sistema informático y los datos cuantitativos se obtienen relacionando la
intensidad de emisión con la concentración en una curva de calibración (Scott et
al., 1974).
Figura.5. Descripción general de la técnica de Espectrometría de Emisión Óptica por
Plasma Acoplado Inductivamente (ICP).
7.9
Metal
Elementos químicos que presentan buena conductividad térmica y eléctrica,
resistencia relativamente alta, gran rigidez y buena resistencia a los choques
eléctricos. Tienen utilidad especial en aplicaciones estructurales, adicionalmente
los metales se mezclan para mejorar determinadas propiedades (Askeland, 1998).
25
7.10 Reacciones de óxido reducción
En una reacción de óxido-reducción, se presenta una semireacción en donde
existe una pérdida de electrones (reducción), y una semireacción donde ocurre
una ganancia de electrones (oxidación) (Chang y College, 2002). Por otro lado,
desde el punto de vista histórico el término oxidación toma su nombre de los
procesos en que una sustancia gana oxígeno, se dice que la especie química que
toma oxigeno se ha oxidado y la que lo ha perdido se ha reducido., sin lugar a
dudas el O2 es el agente más común pues se adiciona fácilmente a otro elemento
o compuesto para formar el óxido correspondiente (Garritz y Chamizo, 1998).
7.11 Métodos de lixiviación
Se encuentra una variedad de métodos en el que los microorganismos extraen
metales, dentro de los cuales se encuentran la biolixiviación de minerales y de
materiales sólidos.
Biolixiviación de minerales, descrita principalmente para las bacterias del género
Thiobacillus:
1. Biolixiviación microbiana indirecta: no se lleva a cabo un contacto
entre la bacteria y la superficie del mineral, y la oxidación se da por
medio de reacciones enzimáticas.
2. Biolixiviación microbiana directa: en este mecanismo la bacteria oxida
directamente al mineral por acción química, al producir un metabolito
lixiviante, como ácidos orgánicos que disminuyen el pH (Bosecker,
1997).
Biolixiviación de materiales sólidos:
Una diversidad de microorganismos (hongos y bacterias) bajo condiciones
ambientales adecuadas, se han dado a la tarea de poder solubilizar y obtener
metales de materiales sólidos ricos en metales, esto se realiza gracias a la
26
formación de ácidos orgánicos, agentes complejantes o enzimas; en la actualidad
esta técnica se utiliza para obtener metales preciosos de residuos sólidos
industriales y cenizas (Krebs et al., 1997).
27
8 MATERIALES Y MÉTODOS
8.1 Evaluación del crecimiento de la Sphingomonas sp. en diferentes
cantidades de RR y RPCITC
8.1.1 Material biológico
Sphingomonas sp. se aisló de suelo de los alrededores del relleno sanitario el
Tronconal, Xalapa-Veracruz, México (con residuos de pilas, computadoras y
placas
de
circuito
impreso).
Dicha
bacteria
ha
sido
caracterizada
morfológicamente, microscópicamente, bioquímicamente, molecularmente y con
perfiles lipídicos (Monroy-Martínez, 2015).
8.1.2 Desmantelamiento de los teclados de computadoras
El desmantelamiento de los teclados de computadora se realizó empleando una
variedad de desarmadores, ya que los teclados de computadoras obsoletos tienen
alrededor de 20 tornillos de diferentes tamaños, posteriormente se obtuvo la placa
de circuito impreso (PCI) que se encuentra dentro.
8.1.3 Raspado de las placas de radiografías y de las PCI de los teclados
de computadora
Las PCI de los teclados de computadora y las placas radiográficas se rasparon
con una navaja de afeitar para remover la película de plata en el caso de las PCI y
la gelatina de plata en el caso de las radiografías hasta que se obtuvo un polvo
fino en ambos casos (Figura 6).
28
Figura 6. Polvo obtenido de los residuos radiográficos y electrónicos a) placa radiográfica
y b) PCI de teclados de computadoras.
8.1.4 Crecimiento de Sphingomonas sp. en diferentes cantidades de RR y
RPCITC
Sphingomonas sp. se cultivó en cajas Petri con agar nutritivo (Bioxon®) a 28 °C
por 4 días. Transcurrido este tiempo se realizó una suspensión bacteriana con una
concentración de 107 UFC mL-1, utilizando la escala de Mcfarland. Posteriormente
a tubos de plástico con capacidad de 50 mL se les agregaron 25 mL de medio
mineral estéril (g L-1): 1.5 (NH4)2SO4; 0.5 Na2SO4; 0.25 MgCl2; 0.25 CaCl2 y 20
glucosa; pH 5.6. Luego se adicionaron 0.1 y 0.01g de polvo de radiografías y de
PCI respectivamente. Posteriormente se le agregaron 3 mL de la suspensión
bacteriana. Finalmente se dejaron incubar a temperatura ambiente (17 a 22 °C) y
500 rpm durante 30 días. Se utilizó un control abiótico (sin bacteria) y un control
biótico (sin material). Concluido el tiempo de incubación se determinó el
crecimiento de Sphingomonas sp. Es importante mencionar que Sphingomonas
sp. es de lento crecimiento, por lo cual se utilizaron tiempos de incubación largos
(15 y 30 días).
29
8.2
Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir de RR y RPCITC
De acuerdo a lo realizado por Yang et al. (2009), quienes evaluaron el efecto de
diferentes inoculaciones de Acidithiobacillus ferrooxidans en la biolixiviación de Cu
a partir de PCI. El presente estudio realizó una metodología en la cual se pudiera
evaluar el efecto de las inoculaciones de Sphinghomonas sp., en la biolixiviación
de Ag a partir de RR y RPCITC.
8.2.1 Biolixiviación de plata con una inoculación
Sphingomonas sp. se cultivó en cajas Petri con agar nutritivo (Bioxon®) a 28 °C
por 4 días. Transcurrido este tiempo se realizó una suspensión bacteriana con una
concentración de 107 UFC mL-1. Posteriormente a tubos de plástico con capacidad
de 50 mL se les agregaron 25 mL de medio mineral (g L -1): 1.5 (NH4)2SO4; 0.5
Na2SO4; 0.25 MgCl2; 0.25 CaCl2 y 20 glucosa; pH=5.6. Luego se adicionaron 0.01
g de polvo de las radiografías a cada tubo. Después se le agregaron 3 mL de la
suspensión bacteriana. Finalmente se dejaron incubar a temperatura ambiente (17
a 22 °C) y 500 rpm durante 15 y 30 días respectivamente. Se utilizó un control
abiótico (sin bacteria) y un control biótico (sin material), todos los tratamientos
contaron con tres replicas. Concluido los tiempos de incubación se filtraron y se
centrifugaron los tratamientos de acuerdo a Ilyas et al. (2007). Es importante
mencionar que el papel filtro empleado (Whatman No. 4) permite el paso de la
bacteria, por lo cual se centrifugo a 3000 rpm por 10 min para recuperar el
paquete bacteriano.
8.2.2. Determinación de pH
Después de filtrar y centrifugar al sobrenadante obtenido se le midió el pH con un
medidor de pH (Hanna®, Mod. HI98129), previamente calibrado con el buffer de
pH=4 (Hanna®, HI 7004).
30
8.2.3. Determinación de biomasa
El paquete bacteriano obtenido de la centrifugación, se secó en una estufa a una
temperatura de 30 °C durante 168 h, hasta llegar a peso constante. Finalmente se
procedió a pesar cada muestra para obtener su peso seco.
8.2.4. Biolixiviación de plata
Al sobrenadante que se le midió el pH, se acidifico con 1 mL de HNO3
concentrado, posteriormente se analizó en un espectrómetro de emisión óptica
ICP (Varian ® Mod. 725-ES) para cuantificar el contenido de Ag biolixiviada.
8.2.5. Biolixiviación de plata con doble inoculación
De igual forma se empleó la metodología antes descrita para los tratamientos con
dos inoculaciones, con la variante de que los tratamientos que se dejaron
incubando por 15 días, se inocularon una segunda vez al cuarto día de incubación,
mientras que los tratamientos que se incubaron por 30 días, se incubaron por
segunda vez al décimo día de incubación.
8.2.6. Biolixiviación de plata con triple inoculación
También para estos tratamientos se utilizó la metodología antes descrita, solo que
los tratamientos que se dejaron incubando por 15 días, se inocularon una segunda
vez al cuarto día de incubación y una tercera vez al octavo día de incubación.
Mientras que los tratamientos que se incubaron por 30 días, se incubaron por
segunda vez al décimo día de incubación y una tercera vez al veintavo día de
incubación.
8.3.
Escalamiento de la biolixiviacion de plata con RR Y RPCITC
Sphingomonas sp. se cultivó en cajas Petri con agar nutritivo (Bioxon®) a 28 °C
por 4 días. Transcurrido este tiempo se realizó una suspensión bacteriana a una
concentración de 107 UFC mL-1. Posteriormente a recipientes de plástico con
31
capacidad de 3000 mL se les agregaron 1000 mL de medio mineral (g L -1): 1.5
(NH4)2SO4; 0.5 Na2SO4; 0.25 MgCl2; 0.25 CaCl2 y 20 glucosa; pH 5.6. Luego se
adicionaron 0.13 g de polvo de las radiografías y 1 g de polvo de PCI a cada
recipiente. Después se le agregaron 120 mL de la suspensión bacteriana a cada
respectivo recipiente. Finalmente se dejaron incubar a temperatura ambiente (17 a
22 °C) y 1000 rpm durante 15 días. Se utilizó un control abiótico (sin bacteria) y un
control biótico (sin material), todos los tratamientos contaron con dos replicas. Al
terminar los tiempos de incubación se determinó el pH, la biomasa seca total y la
cantidad de Ag biolixiviada utilizando un espectrómetro de emisión óptica ICPOES (Varian ® Mod. 725-ES).
8.4.
Análisis estadístico
Para los experimentos de biolixiviación donde se determina el efecto de la
incubación y las inoculaciones se empleó un diseño experimental completamente
al azar utilizando un factorial 2x3x2 (2 residuos, 3 inoculaciones y 2 tiempos de
incubación). Mientras que para el escalamiento se empleó un factorial 2x1(2
residuos, 1 microorganismo). Cada tratamiento tuvo tres repeticiones. Los datos
obtenidos fueron analizados mediante análisis de varianza y la prueba de
comparación de medias (Tukey, α=0.05) con el programa estadístico SAS.
32
9. RESULTADOS
9.1.
Crecimiento bacteriano en diferentes cantidades de RR y RPCITC
Los ensayos realizados para conocer la cantidad apropiada de RR y RPCITC, que
no afectara el crecimiento de Sphingomonas sp., muestran que 0.1 g de RR no
permiten el crecimiento de la bacteria, debido a que no se observó la turbidez
característica del crecimiento bacteriano. Mientras que con 0.01 g de RR, si se
observó el crecimiento de la bacteria. En el caso de los RPCITC, 0.1 g no provocó
ningún efecto negativo en el desarrollo de la bacteria.
9.2.
Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir de RR y RPCITC
La biomasa seca de Sphingomonas sp. no muestra diferencias significativas
(P≤0.001) entre los tratamientos con RR, RPCITC y los controles, encontrando
que la biomasa es incrementada en los tratamientos con residuos radiográficos en
comparación con sus respectivos controles, a los 15 días de incubación (Figura
7).
Figura 7. Biomasa seca de Sphingomonas sp. con y sin residuos radiográficos a
temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de incubación y b) 30 días de incubación
(Medias ± error estándar, n=3).
33
Mientras que a los 30 días de incubación se puede observar el mismo
comportamiento, pero se obtuvo mayor cantidad de biomasa en la primera
inoculación (0.23 g), sin embargo en la tercera inoculación el control de dicho
tratamiento presentó mayor biomasa seca. Entretanto, en los tratamientos con
residuos de PCI de teclados el comportamiento es similar al descrito con los
residuos de radiografías, a diferencia de que la mayor cantidad de biomasa seca
se produjo en los tratamientos con residuos electrónicos en la tercera inoculación
al ser incubados por 15 días (0.33 g) y en los controles al ser incubados por 30
días (Figura 8).
Figura 8. Biomasa seca de Sphingomonas sp. con y sin residuos de placas de circuito
impreso de teclados de computadoras a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de
incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error estándar, n=3).
En lo referente al pH se encontraron diferencias significativas (P≤0.001) entre los
tratamientos con RR, RPCITC, controles abióticos y controles bióticos. Además se
observa que Sphingomonas sp. al interactuar con los residuos radiográficos es
capaz de disminuir el pH del medio de cultivo, casi similar al pH de los controles
bióticos donde solo se encuentra la bacteria, ya que los controles abióticos (donde
se encuentra el RR con medio de cultivo) presentan un pH más alto (5.2), a los 15
y 30 días de incubación (Figura 9). La bacteria sigue disminuyendo el pH,
34
encontrando que con tres inoculaciones el pH del control es casi igual al de los
tratamientos con radiografías (Tabla 2).
Tabla 2. Comportamiento del pH en el medio de cultivo cuando se expone a
Shingomonas sp. a RR y RPCITC.
pH
Una inoculación
Tratamiento
Control biótico
Control abiótico
Dos inoculaciones
Tratamiento
Control biótico
Control abiótico
Tres inoculaciones
Tratamiento
Control biótico
Control abiótico
RR
(15 días)
RR
(30 días)
RPCITC
(15 días)
RPCITC
(30 días)
4.5
4.3
5.2
4.0
3.6
5.1
4.7
4.3
5.8
4.5
4.2
5.9
4.4
4.3
5.2
4.5
3.8
5.2
4.7
4.5
5.7
4.8
4.0
5.9
4.5
4.3
5.2
4.4
3.6
5.2
4.7
4.6
5.6
3.7
3.7
5.9
Figura 9. pH del medio de cultivo de los tratamientos con Sphingomonas sp. (biótico),
residuos radiográficos (abiótico) y Sphingomonas sp. + RR a temperatura ambiente (17 a
22 °C). a) 15 días de incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error estándar,
n=3).
35
Por otro lado, para los residuos de teclados de computadoras, observamos un
comportamiento similar al observado en los residuos radiográficos a los 15 y 30
días de incubación. También la bacteria sigue acidificando a los tratamientos con
RPCITC (Figura 10).
Figura 10. pH del medio de cultivo de los tratamientos con Sphingomonas sp. (biótico),
residuos de placas de circuito impreso de teclados de computadoras (abiótico) y
Sphingomonas sp. + RPCITC a temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) 15 días de
incubación y b) 30 días de incubación (Medias ± error estándar, n=3).
En lo referente a la cantidad de plata biolixiviada por Sphingomonas sp., se
observaron diferencias significativas (P≤0.001) entre los tratamientos con una, dos
y tres inoculaciones, encontrando que al incrementar el número de incubaciones
se incrementa la cantidad de plata biolixiviada, obteniendo una biolixiviación
máxima de 2.48% a los 15 días de incubación y 4.13% a los 30 días (Figura 11).
36
Figura 11. Plata biolixiviada de los residuos radiográficos por Sphingomonas sp. a
temperatura ambiente (17 a 22 °C). Medias ± error estándar, n=3.
Figura 12. Plata biolixiviada de los residuos de PCI por Sphingomonas sp. a temperatura
ambiente (17 a 22 °C). Medias ± error estándar, n=3.
37
Mientras que para los residuos de PCI se observó que la biolixiviacion de plata
llevada a cabo por Sphingomonas sp. tiene un comportamiento semejante al
encontrado con residuos radiográficos, pero la biolixiviación es menor puesto que
se obtiene una biolixiviación del 0.78% y 2.35% para los 15 y 30 días de
incubación respectivamente (Figura 12).
9.3.
Escalamiento de la biolixiviación de plata con RR Y RPCITC.
La biomasa seca de Sphingomonas sp. producida en un biorreactor muestra
diferencias significativas (P≤0.001) entre los tratamientos con RR, RPCITC y sus
respectivos controles, encontrando una mayor producción de biomasa en los
tratamientos con residuos radiográficos (2.19 g) y
RPCITC (1.10 g)
respectivamente (Figura 13).
Figura 13. Biomasa seca de Sphingomonas sp. producida en un biorreactor a temperatura
ambiente (17 a 22 °C). a) RR y b) RPCITC (Medias ± error estándar, n=3).
Por otra parte, el pH de los biorreactores donde se creció a la bacteria
Sphingomonas sp presentan diferencias significativas (P≤0.001) entre los
tratamientos con RR, RPCITC, controles abióticos y controles bióticos. Se observa
que el pH de los tratamientos abióticos con RR aumenta ligeramente el pH inicial
38
(5.6) por presencia del residuo (5.9), puesto que el pH del control biótico (3.8) y de
los tratamientos inoculados con la bacteria en presencia de RR (4.9) presentan un
pH menor. Entretanto para los RPCITC el pH del medio de cultivo en los
biorreactores se ve disminuido al pH inicial por acción del residuo (control abiótico)
y de la bacteria (control biótico). Cabe mencionar que la bacteria en presencia de
los RPCITC provoca que el pH del medio de cultivo disminuya más (3.7) en estos
tratamientos (Figura 14).
Figura 14. pH del medio de cultivo del biorreactor donde se creció Sphingomonas sp. a
temperatura ambiente (17 a 22 °C). a) tratamientos con RR y b) material RPCITC (Medias
± error estándar, n=3).
Es importante aclarar que se empleó una agitación más elevada (mayor cantidad
de oxígeno disuelto en el medio de cultivo de los biorreactores), lo cual logro que
la biolixiviación de plata se incrementará considerablemente en los residuos
radiográficos (40.1%) y un poco en los RPCITC (5.1%), dichos resultados se
observan mejor en la Figura 15.
39
Figura 15. Plata biolixiviada en un biorreactor por la bacteria Sphingomonas sp. ante RR y
RPCITC (Medias ± error estándar, n=3).
40
10.
DISCUSIÓN
10.1. Crecimiento bacteriano en diferentes cantidades de RR y RPCITC
Considerando que la toxicidad de cualquier sustancia química está en función de
su dosis, frase acuñada por el químico suizo Paracelsus (1493-1541) que hasta
nuestros días se considera como un axioma de la toxicología moderna
(Deichmann et al., 1986; Stirling, 2006). Podemos inferir que en el caso del RR y
RPCITC este axioma se cumple para Sphingomonas sp.. Sin embargo, es claro
que los componentes de los RR (AgBr y AgI) son más tóxicos para la bacteria
probada que los presentes en los RPCITC, lo cual puede estar relacionado con el
efecto tóxico que presentan los halógenos para bacterias como Escherichia coli
(Stoimenov et al., 2002),
10.2. Biolixiviación de plata por Sphingomonas sp. a partir de RR y RPCITC
El crecimiento bacteriano medido directamente por la biomasa seca de
Sphingomonas sp. ante los residuos de radiografías y electrónicos ha sido difícil
de comparar por la escasa información existente sobre este tema. No obstante, se
ha reportado que la biomasa de Sphingomonas sp. DX-T3-03 se ve disminuida al
incrementar la dosis de metales como Cd, Pb, Hg y Ni, en un medio de cultivo rico
en nutrientes (Xie et al., 2010). Sin embargo, en este estudio se observa que la
biomasa se incrementa en los tratamientos con RR y RPCITC, posiblemente a que
el medio mineral utilizado solo contiene metales como Mg, Na, K, y Ca, y como
fuente de carbono glucosa, lo cual obliga a la bacteria a utilizar a los metales
presentes en los residuos. Además de que la concentración de plata contenida en
la cantidad de residuos empleados no provoco un efecto tóxico a la bacteria que le
impidiera disminuir su crecimiento.
Con respecto al pH se ha reportado que algunas especies que pertenecen al
género Sphingomonas son capaces de alcalinizar su entorno o acidificarlo
dependiendo de las condiciones en las que se encuentren (Hashidoko, 2005).
41
Cuando estas bacterias se encuentran en presencia de metales son capaces de
producir ácidos orgánicos, tal es el caso de Sphingomonas pituitosa que produce
ácido oxálico, ácido cítrico y ácido málico ante dosis crecientes de aluminio
(Panhwar et al., 2014). Dicha información nos hace inferir que en el caso de los
tratamientos con RR y RPCITC y sus respectivos controles se estén produciendo
estos ácidos orgánicos.
Es importante mencionar que la metodología de biolixiviación empleada para la
recuperación de plata a partir de RR y RPCITC no ha sido reportada, lo cual hace
valiosa a esta información al ser una aportación científica, dicha razón hace difícil
comparar estos resultados. Sin embargo, para el caso de RR se ha informado que
la recuperación de plata empleando a la enzima proteasa alcalina proveniente de
diversos microorganismos es una biotecnología prometedora. Tal es el caso de la
proteasa alcalina obtenida de Bacillus subtilis ATCC6633 que es capaz de
recuperar 0.4013 g de plata con una pureza del 99%, mientras tanto la proteasa
alcalina proveniente del hongo Aspergillus versicolor puede recuperar 0.135 g de
plata con un rendimiento del 0.33% (Nakiboğlu et al., 2001; Choudhary, 2013). La
biolixiviación de plata llevada a cabo por Sphingomonas sp. con respecto a la
proteasa alcalina producida por Bacillus y Aspergillus, es aceptable en el caso del
biorreactor, ya que se tiene una recuperación de plata del 40.1%, sin emplear una
temperatura de 50 °C, lo cual potencializa su utilización en un futuro al hacer más
eficiente la recuperación de plata a partir de RR por esta técnica.
42
11. CONCLUSIONES
En primera instancia los objetivos planteados se cumplieron es su totalidad, y
podemos concluir que: 1) la bacteria Sphingomonas sp. es capaz de lixiviar plata
dependiendo de las condiciones de cultivo y del residuo empleado, 2) la
biolixiviación de plata se llevó a cabo en medios ácidos, acondicionados por la
presencia de la bacteria, 3) al aumentar el número de inoculaciones de la bacteria
Sphingomonas sp. se incrementa la biolixiviación de plata, 4) entre mayor sea el
tiempo de incubación mayor es la biolixiviación del metal, 5) la velocidad de
agitación directamente relacionado con el oxígeno disuelto en el medio de cultivo,
es un factor importante para incrementar la biolixiviación de plata a partir de los
RR y 6) mejorar algunas condiciones de cultivo podría incrementar las
capacidades de la bacteria Sphingomonas sp. y potencializar su lixiviación de
plata.
43
12.
RECOMENDACIONES
A continuación se mostraran algunas recomendaciones que se deberían
considerar:

Evitar la contaminación de los medios de cultivo donde se crezca a la
bacteria Sphingomonas sp.

Inocular los medios de cultivo con la bacteria Sphingomonas sp. fresca no
mayor a 7 días de su crecimiento en cajas Petri.

El material raspado de los RR y RPCITC es recomendable que sean del
menor tamaño posible y sin plástico para que el microorganismo entre en
mayor contacto con este material.

No poner mucha cantidad de RR y RPCITC para no inhibir el crecimiento de
la bacteria Sphingomonas sp., realizar un ensayo de tolerancia previo.

Tener en cuenta la temperatura, ya que entre más baja sea más lento es el
crecimiento de bacteria Sphingomonas sp.

Buscar recipientes que resistan a la esterilización además que su
composición no influya en el crecimiento del microorganismo.
44
13. LITERATURA CITADA
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