efectos del cobre y zinc sobre la oxidacin secuencial de fenoles

EFECTOS DEL COBRE Y ZINC SOBRE LA OXIDACIÓN SECUENCIAL DE
FENOLES, MEDIADA POR LA REACCIÓN DE FENTON Y BACTERIAS
MESOFÍLICAS AISLADAS DE VERMICOMPOSTA Y AGUAS RESIDUALES.
Ricardo MARTÍNEZ PICOS 3, Lizeth CASTILLO DÍAZ 1, José Antonio TICANTE
ROLDÁN 1, Leopoldo CASTRO CABALLERO 4 y Andrés A. MUÑOZ GARCÍA 1,2.
1
Posgrado en Ciencias Ambientales. Instituto de Ciencias Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla. Edif. 76 1er. Piso. Ciudad Universitaria. Puebla. 2Centro de
Investigaciones en Ciencias Microbiológicas. Instituto de Ciencias. BUAP. Edif. 76.
3er Piso. Ciudad Universitaria. Puebla. 3Colegio de Ingeniería Ambiental. Fac. de
Ingeniería Química. BUAP. 4Laboratorio de Química Inorgánica. Fac. de Ciencias
Químicas. BUAP. [email protected]
Palabras clave: Fenoles, Lixiviados, Aguas residuales, Metales pesados
RESUMEN
El problema de la contaminación en México ha dado lugar a la búsqueda de
nuevas alternativas para el tratamiento de aguas residuales. El objetivo de este
trabajo fue determinar el efecto del zinc y cobre sobre la oxidación secuencial de
fenoles, bajo la reacción de Fenton y degradación bacteriana. La reacción de
Fenton es un proceso oxidativo de alta eficiencia que posee un potencial de
oxidación elevado y que puede mineralizar una gran cantidad de compuestos
orgánicos. Dependiendo del origen de la materia orgánica que se transforma por
medio del vermicomposteo, pueden existir concentraciones de metales pesados ,
como el zinc y el cobre. Las bacterias utilizadas fueron aisladas de lixiviados de
vermicomposta y de aguas residuales del río Alseseca y fueron identificadas (2)
como: Citrobacter braakii 6BUAP, C. braakii 7BUAP, Enterobacter sp. 13BUAP y
Aeromonas sp. 27BUAP (Mezcla 1), Chryseobacterium 38BUAP y Pantoea sp.
40BUAP (Mezcla 2). Las 2 mezclas probadas fueron capaces de oxidar entre 37 y
99% de los fenoles probados en presencia de etanol o acetato de sodio. La
presencia de Cu o Zn en el agua residual artificial fue inhibitoria en los
tratamientos probados, ya que se reduce la tasa de oxidación desde 0 hasta el
8%. Siendo el Zn el metal más inhibitorio. En conclusión los cultivos mixtos son
capaces de tolerar el ambiente oxidante de la reacción de Fenton, sin embargo su
acción se ve inhibida por la presencia de cobre o zinc, lo que impediría su uso en
un ambiente altamente contaminado con estos metales.
INTRODUCCIÓN
En las aguas residuales podemos encontrar una gran variedad de compuestos
fenólicos que son descargados por muchas industrias, estos compuestos al estar
presentes en las aguas residuales pueden causar reacciones con otros
compuestos presentes en estas
aguas y producir nuevos compuestos
potencialmente cancerígenos.
Aunque la biodegradación de estos compuestos no es fácil; se puede encontrar
comunidades microbianas capaces de remover estos compuestos fenólicos de las
aguas residuales.
1
En este trabajo se aislaron microorganismos de lixiviados maduros y frescos de
lumbricomposta y de aguas residuales del río Alseseca. Por medio de la reacción
de Fenton y bacterias aerobias se ensayó la biodegradación secuencial de varios
compuestos fenólicos.
La reacción de Fenton es un proceso oxidativo de alta eficiencia que genera
grandes cantidades del radical hidroxilo (HO.), que posee un potencial de
oxidación elevado y que puede mineralizar una gran cantidad de compuestos
orgánicos. La reacción oxidante que se produce cuando un metal de transición
entra en contacto con el H202 fue descubierta por Fenton en 1894 ( De Laat et al,
1999). Después que Haber y Weiss encontraron que el agente oxidante efectivo
era el radical hidroxilo, algunos autores han tratado de explicar el mecanismo
completo (Sycher et al 1995):
M+n + H2O2 ----------------- M (n+1)+ + HO - + HO º
Donde M puede ser hierro o cobre.
En ausencia de luz y de ligandos complejantes el mecanismo más aceptado de la
descomposición del H202 en solución acuosa àcida involucra la formación del
radical hidroxiperoxilo (H02+/ O2- ) y de radicales hidroxilo HO º (De Laat et al
1999).
Chamorro et al (2001) utilizaron la reacción de Fenton para la degradación de
fenol y otros derivados fenólicos. El coeficiente estequiométrico para la reacción
de Fenton fue de aproximadamente 0.5 ml de compuesto orgánico / mol de H202.
Se encontró que el proceso es eficiente para eliminar las sustancias tóxicas e
incrementó la biodegradabilidad del agua tratada.
La vermicomposta es producida por ciertas lombrices de tierra que transforman los
residuos orgánicos en un subproducto estable. Además la vermicomposta
mantiene cantidades reducidas de sales solubles, una mayor capacidad de
intercambio catiónico y un contenido creciente de ácidos húmicos totales. Los
lixiviados de vermicomposta poseen una gran concentración de taninos y de
ácidos húmicos solubles y pueden servir como fuente de carbono para las
bacterias que lo habitan (Yagi et al 2003).
Dependiendo del origen de la materia orgánica o de lodos activados que se
transforman por medio del vermicomposteo, pueden existir concentraciones de
metales pesados ( Francis et al 2005), como el zinc y el cobre.
Por esta razón surgió la inquietud de hacer un estudio de los efectos que tenían
estos dos metales (Zn y Cu) al llevar a cabo este tratamiento: Reacción de Fenton
y bacterias aerobias provenientes de vermicomposteo y aguas residuales, sobre la
biodegradación de compuestos fenólicos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se colectaron lixiviados maduros y frescos del vermicomposta (de 1 a 6 semanas
de maduración) y para el aislamiento de los cultivos puros bacterianos se
emplearon 2 medios de cultivo: Agar Pseudomonas y Agar V8, a 2 temperaturas
(32 y 40 ° C). En el agar Pseudomonas se detectó que las poblaciones
bacterianas mostraron un descenso continuo, conforme iba madurando el lixiviado.
Mientras que las cepas termotolerantes se mantuvieron prácticamente constantes.
2
En el caso del agar V8, las poblaciones mesofílicas mostraron una drástica
reducción, desde la 2ª. semana de maduración, mientras que las cepas aisladas a
40 ° C muestran una reducción menos pronunciada de sus poblaciones.
Generalmente se detectaron más cuentas bacterianas a 32 que a 40 ° C.
Para los experimentos de degradación se seleccionaron 43 cepas (37
provenientes de lixiviados y 6 de aguas residuales), que fueron capaces de crecer
en caldo nutritivo adicionado de 10 ppm de p-nitrofenol. Además se probaron
también sus patrones de resistencia a 6 metales pesados (Mn, Zn, V, Ni, Cu y Hg)
a 4 concentraciones ( 10, 20, 50 y 100 ppm, a excepción del Hg que se probó a 5,
10, 20 y 50 ppm) y a una temperatura de 32 ° C. En general la mayoría de las
cepas probadas resistió altas concentraciones de los metales con la excepción del
Cu y del Hg, se puede decir que los metales en cuanto a toxicidad se comportaron
así: Hg > Cu > Ni >V >Zn >Mn.
Sin embargo algunas cepas fueron capaces de resistir hasta 50 ppm de Hg y 100
ppm de Cu, razón por lo que fueron seleccionadas para los siguientes ensayos.
Las cepas seleccionadas fueron identificadas por medio de galerías API 20E y
agares cromogénicos siendo estos: agar Chromagar Salmonella, Chromagar
Orientation y agar CPS3.
Una vez identificadas las cepas se seleccionaron dos mezclas bacterianas que
fueron Citrobacter braakii 6BUAP, C. braakii 7BUAP, Enterobacter sp. 13BUAP y
Aeromonas sp. 27BUAP (Mezcla M1); Chryseobacterium 38BUAP y Pantoea sp.
40BUAP (Mezcla M2). Para los ensayos de oxidación secuencial se utilizó para la
reacción de Fenton: peróxido de hidrógeno (30%) 1:1 con respecto a la cantidad
de FeCl3 , se prepararon dos tipos de caldos, uno a base de acetato de sodio y
nitrato de potasio, y el segundo con etanol al 2.5% y nitrato de potasio, siendo este
el que soportó mejor las capacidades biodegradadoras de las mezclas bacterianas
seleccionadas.
La reacción de Fenton se llevó a cabo en tres tratamientos: 1°. Con verde de
malaquita (20 ppm/ml). 2°. Con rojo congo (20 ppm/ml) 3°. Con p-nitrofenol (10
ppm).
RESULTADOS
El experimento comenzó al agregar el peróxido de hidrógeno al caldo etanolnitrato adicionado del FeCl3 , la reacción se mantuvo a 32 ° C, con agitación a 200
rpm, durante 12 horas , al término de las cuáles se inocularon por separado los 2
tratamientos mixtos M1 y M2. Las 2 mezclas probadas fueron capaces de oxidar
entre 37 y 99% de los fenoles probados (p-nitrofenol, catecol, verde de malaquita y
rojo congo) en presencia de etanol o acetato de sodio como fuentes de carbono.
Para el caso del verde de malaquita ninguno de los tratamientos fue capaz de
degradar al colorante, solo hubo un cambio de coloración (de verde a azul). En el
caso del rojo congo ambos tratamientos tuvieron resultados efectivos, el cambio
de coloración fue evidente (de rojo a gris claro) y para el último caso, el del pnitrofenol, también ambos tratamientos fueron exitosos, al disminuir efectivamente
la concentración de p-nitrofenol, tanto a simple vista como en el barrido
espectrofotométrico, donde se aprecia una disminución en la concentración. Por el
contrario la presencia de Cu o Zn en el agua residual artificial fue completamente
inhibitoria en todos los tratamientos probados, ya que se reduce la tasa de
oxidación desde 0 hasta el 8%. Siendo el Zn el metal más inhibitorio tanto para la
reacción de Fenton, como en el caso de la oxidación bacteriana.(Tabla1)
3
Tabla 1: Disminución de absorbancia en los diferentes tratamientos probados.
Tratamiento
PA
PAN
VA
VAN
PCU
PZ
CAZ
CACU
RCU
RZ
RAN
RA
C
λ
nm
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
350
450
550
T
M1
0.509 0.32
0.43
0.02
0.45
0.01
0.41
0.14
0.388 0.04
0.435 0.03
0.502 0.15
0.37
0.06
0.425 0.13
0.545 0.28
0.365 0.04
0.42
0.03
0.518 0.53
0.41
0.41
0.43
0.43
0.539 0.55
0.43
0.43
0.45
0.43
0.424
0.5
0.404 0.45
0.444 0.48
0.454 0.45
0.399 0.39
0.44
0.43
0.37
0.35
0.363 0.35
0.415 0.41
0.35
0.32
0.373 0.34
0.424
0.4
0.4
0.16
0.419 0.01
0.45
0
0.34
0.04
0.363 0.02
0.419 0.01
-0.045 0.01
-0.054
0
-0.056
0
PA= p-nitrofenol con alcohol y Fe
PAN=p-nitrofenol con acetato-nitrato y Fe
VA=verde de malaquita con alcohol y Fe
VAN=verde de malaquita con acetato-nitrato y Fe
PCU=p-nitrofenol con Cu
PZ=p-nitrofenol con Zn
CAZ=catecol con Zn
CACU=catecol con Cu
RCU=rojo congo con Cu
RZ=rojo congo con Zn
RAN=rojo congo con acetato-nitrato
RA=rojo congo con alcohol
CA=catecol con alcohol y Fe
M2
0.26
0.01
0
0.27
0.1
0.02
0.13
0.05
0.11
0.22
0.02
0.03
0.52
0.41
0.42
0.56
0.44
0.44
0.47
0.44
0.47
0.51
0.44
0.48
0.41
0.4
0.44
0.39
0.4
0.44
0.11
0.06
0.04
0.06
0.01
-0.01
-0.01
-0.02
-0.03
T-M1
0.19
0.41
0.44
0.27
0.348
0.405
0.352
0.31
0.295
0.266
0.325
0.39
-0.007
0
0
-0.01
0.005
0.02
-0.079
-0.047
-0.033
0.004
0.013
0.006
0.025
0.016
0.01
0.029
0.029
0.029
0.245
0.41
0.446
0.3
0.348
0.411
-0.051
-0.055
-0.059
T-M2
0.25
0.42
0.45
0.14
0.29
0.41
0.37
0.32
0.32
0.33
0.35
0.39
0
0
0.01
-0.02
-0.01
0.01
-0.04
-0.03
-0.03
-0.06
-0.04
-0.04
-0.04
-0.03
-0.03
-0.04
-0.03
-0.02
0.3
0.36
0.41
0.29
0.35
0.42
-0.04
-0.03
-0.03
DISMINUCIÓN DE
ABSORBANCIA
M1%
M2 %
37.3281
48.919
95.3488
97.674
97.7778
99.778
65.8537
34.39
89.6907
74.227
93.1034
95.172
70.1195
74.104
83.7838
86.486
69.4118
74.118
48.8073
59.817
89.0411
94.795
92.8571
92.857
0
-1.3514
0
1.2195
0
1.6279
-1.8553
-3.8961
1.16279
-2.093
4.44444
2.2222
-18.632
-9.6698
-11.634
-7.9208
-7.4324
-6.5315
0.88106
-12.335
-10.276
3.25815
-9.0909
1.36364
-10.27
6.75676
-8.8154
4.40771
2.40964
-6.747
-11.429
8.28571
7.7748
-6.9705
6.83962
-4.2453
61.25
73.75
97.852
85.442
99.1111
91.111
88.2353
83.824
95.8678
97.245
98.0907
101.19
113.333
88.889
101.869
58.879
105.357
55.357
M1=mezcla1
M2=mezcla2
M1%=porcentaje de disminución de absorción
M2%=porcentaje de disminución de absorción
4
Esto nos indica que en un ambiente como las aguas residuales de una empresa
que maneje metales pesados, sería necesario eliminarlos previamente, para que
pudiera utilizarse este sistema en la oxidación secuencial de derivados fenólicos.
Las cepas aisladas a partir de lixiviados de lumbricomposta y de aguas residuales
fueron capaces de tolerar las condiciones posteriores a la reacción de Fenton y
degradar al rojo congo y al p-nitrofenol.
Las cepas bacterianas aisladas a 40 ° C fueron más tolerantes a los derivados
fenólicos y a los metales probados.
La resistencia detectada a los metales pesados en las 43 cepas probadas, de
menor a mayor fue como sigue: Hg > Cu > Ni >V >Zn >Mn.
Las cepas ocupadas fueron identificadas como: Citrobacter braakii 6BUAP, C.
braakii 7BUAP, Enterobacter sp. 13BUAP y Aeromonas sp. 27BUAP (Mezcla 1),
Chryseobacterium 38BUAP y Pantoea sp. 40BUAP (Mezcla 2).
Las 2 mezclas probadas fueron capaces de oxidar entre 37 y 99% de los fenoles
probados (p-nitrofenol, catecol, verde de malaquita y rojo congo) en presencia de
etanol o acetato de sodio como fuentes de carbono. Por el contrario la presencia
de Cu o Zn en el agua residual artificial fue completamente inhibitoria en todos los
tratamientos probados, ya que se reduce la tasa de oxidación desde 0 hasta el
8%. Siendo el Zn el metal más inhibitorio tanto para la reacción de Fenton, como
en el caso de la oxidación bacteriana (ver Tabla 1).
DISCUSIÓN
Las bacterias seleccionadas en este trabajo como degradadoras de compuestos
fenólicos ya han sido reportadas por ésta actividad, Buitrón et al (1998)
encuentran a partir de lodos activados aclimatados, utilizados para la
biodegradación de 4-clorofenol, 2,4-diclorofenol y 2,4,6-triclorofenol, que los
géneros y especies que predominan son Aeromonas y Pseudomonas y las
especies Flavimonas oryzihabitans y Chryseomonas luteola. En otro trabajo se
reporta que Enterobacter cloacae es capaz de hidrolizar los ésteres del ácido
benzoico (metil- y propilparabeno) y que es capaz de tolerar y degradar el fenol
producido (Valkova et al 2001).
En otros reportes (Buitrón et al 1998, Hamer 1997, y Swapna et al 2002) se
menciona que los cultivos mixtos se prefieren para llevar a cabo estudios de
biodegradación en ambientes donde hay contaminantes múltiples. Swapna et al
(2002) informan que cultivos mixtos formados por Alcaligenes faecalis y por
Enterobacter spp , bajo condiciones anoxigénicas, son capaces de degradar al
fenol y otros derivados aromáticos, de una manera consistente, durante un
período de tres años. En el caso del género Citrobacter (Hawkes et al 2002,
Narde et al 2004) se ha reportado la presencia de una variedad de vías
metabólicas que le permiten degradar fenoles y otros compuestos relacionados, ya
sea por la presencia de fenol-oxidasas o por citocromos específicos (P450 cin).
Sin embargo a pesar de la gran versatilidad presentada por ambas mezclas
bacterianas, la presencia de elevadas concentraciones de cobre y del zinc
producen efectos inhibitorios sobre las capacidades degradadoras de los
consorcios, independientemente de su composición o del metal empleado, como
se observa en la tabla 1.
Sería conveniente realizar un nuevo proceso de selección orientado hacia la
búsqueda de bacterias resistentes a los metales pesados, a concentraciones
5
superiores a las probadas en este trabajo, que sean capaces de degradar al fenol
y a sus derivados.
CONCLUSIONES
Las 2 mezclas bacterianas probadas fueron capaces de oxidar entre 37 y 99% de
los fenoles probados en presencia de etanol o acetato de sodio como fuentes de
carbono.
La presencia de Cobre o Zinc en el agua residual artificial fue inhibitoria en los
tratamientos probados, ya que se reduce la tasa de oxidación desde 0 hasta el
8%. Siendo el Zn el metal más inhibitorio.
En conclusión los cultivos mixtos son capaces de tolerar el ambiente oxidante de
la reacción de Fenton, sin embargo su acción se ve inhibida por la presencia de
cobre o zinc, lo que impediría su uso en un ambiente con elevadas
concentraciones de estos metales.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos el apoyo de la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de
Posgrado de la BUAP (Benemérita Universidad Autónoma de Puebla) por el
apoyo financiero que nos otorgó.
Al laboratorio de Microbiología de Suelos del Instituto de Ciencias de la BUAP por
habernos prestado sus instalaciones para llevar acabo este trabajo.
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