Resumen: Contextualización: la contaminación directa de cuerpos de agua, por vertimientos de agua residual contaminada con metales pesados, es un problema importante que se ha agudizado en las últimas décadas, debido a que los metales pesados pueden alterar el correcto funcionamiento de los ecosistemas.
Vacío de investigación: se hace necesario y urgente la búsqueda de alternativas de remoción de contaminantes metálicos que sean de bajo costo y amigables con el ambiente. En ese sentido, la biosorción es una alternativa que cumple con estas características y su modo de uso es simple.
Propósito del estudio: se planteó como objetivo determinar la capacidad de biosorción de los metales pesados Hg, Cd y Pb por las microalgas Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliquus, inmovilizadas en fibra de estropajo (Luffa cylindrica), así como la desorción de estos como estrategia de recuperación.
Metodología: Para la determinación del Cd y Pb se utilizó un espectrofotómetro de absorción atómica de llama aire-acetileno y para el Hg, uno de absorción atómica con vapor frío. El análisis de los metales pesados removidos se realizó en el sobrenadante y la capacidad de desorción se determinó en el sobrenadante resultante de la biomasa microalgal, la cual se trató con solución acuosa de ácido y centrifugada. Se realizó un análisis de varianza mediante un diseño completamente al azar. Las diferencias estadísticas significativas (p < 0,05), se determinaron mediante la prueba de Tukey.
Resultados y conclusiones: los resultados indican diferencias significativas en la biosorción de metales pesados. Chlorella vulgaris tuvo la mayor biosorción con 94,77 ± 1,63 % para Cd, 92,45 ± 3,95 % de Pb y 81,78 ± 1,36 % de Hg; mientras que Scenedesmus obliquus removió el 90,08 ± 2,69 % de Cd, 86,17 ± 1,78 % de Pb y 80,2 ± 5,49 % de Hg. Y con respecto a la desorción, Chlorella vulgaris presentó los promedios más alto con 97,29 ± 1,93 % de Hg, 96,86 ± 2,14 % de Cd y 95,48 ± 1,19 % de Pb; mientras que Scenedesmus obliquus mostró una desorción de 96,74 ± 2,14 % de Hg, 95,15 ± 2,90 % de Cd y 93,82 ± 2,68% de Pb. Estos resultados demuestran que la aplicación de biomasa microalgal inmovilizada para la biosorción de metales pesados es una alternativa de biorremediación.
Palabras clave: contaminación, Chlorella vulgaris, Scenedesmus, metales pesados, biosorción, desorción.
Abstract: Contextualization: the direct contamination of bodies of water, because of dumping of wastewater contaminated with heavy metals, is a major problem that has become more acute in recent decades, because heavy metals can disrupt the proper functioning of ecosystems.
Knowledge gap: it is necessary and urgent to search for alternatives for removal of metallic contaminants, which must be low cost, and harmless for the environment. In that sense, iosorción is an alternative that meets these requirements, and its mode of use is simple.
Purpose: the objective was to determine the biosorption capacity of the heavy metals Hg, Cd and Pb by the microalgae Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus, immobilized in scourer fiber (Luffa cylindrica), as well as their desorption as a recovery strategy.
Methodology: the determination of heavy metals was performed with an air-acetylene flame atomic absorption spectrophotometer for the analysis of cadmium (Cd) and lead (Pb), and a cold vapor atomic absorption spectrophotometer for mercury (Hg). The analysis of the removed heavy metals was performed on the supernatant, and the desorption capacity was determined on the supernatant resulting from the microalgal biomass treated with aqueous acid solution and centrifuged. An analysis of variance was performed using a completely random design. The significant statistical differences (p < 0,05) were determined by the Tukey test.
Results and conclusions: the results indicate significant differences in the removal of heavy metals, showing Chlorella vulgaris the highest biosorption of heavy metals with 94,77 ± 1,63 % for Cd; 92,45 ± 3,95 % for Pb and 81,78 ± 1,36% for Hg; while Scenedesmus obliquus removed 90,08 ± 2,69 % of Cd; 86,17 ± 1,78 % Pb and 80,2 ± 5,4 9% Hg. And with respect to desorption, Chlorella vulgaris presented the highest averages with 97,29 ± 1,93 % of Hg, 96,86 ± 2.14 % of Cd and 95.48 ± 1.19 % of Pb, while Scenedesmus obliquus showed a desorption of 96,74 ± 2,14 % of Hg; 95,15 ± 2,90 % of Cd and 93,82 ± 2,68 % of Pb. This results prove that the application of immobilized microalgal biomass for the removal of heavy metals is an excellent bioremediation alternative.
Keywords: contamination, Chlorella vulgaris, Scenedesmus, heavy metal, biosorption, desorption.
ÁREA AMBIENTAL
UTILIZACIÓN DE MICROALGAS COMO ALTERNATIVA PARA LA REMOCIÓN DE METALES PESADOS
USE OF MICROALGAE AS AN ALTERNATIVE IN HEAVY METAL REMOVAL
Deimer Vitola Romero deimervitolaromero@gmail.com
Alexander Pérez Cordero alexander.perez@unisucre.edu.co
Recepción: 19 Marzo 2021
Aprobación: 20 Mayo 2021
Publicación: 21 Diciembre 2021
La contaminación de todos los compartimentos ambientales con metales pesados, producto de las diversas actividades humanas, es un problema ambiental que se ha agudizado a nivel mundial (Reyes et al., 2016) y especialmente en Colombia, dado que cada día se generan aplicaciones excesivas de sustancias químicas para el aprovechamiento de minerales como el oro, y prácticas inadecuadas de disposición de aguas residuales industriales y agrícolas en cuerpos de aguas fundamentales para la dinámica poblacional de animales, vegetales y humanos (Vargas y Marrugo, 2019).
Todo lo anterior acompañado de la flexibilidad de las leyes nacionales en materia de protección del medio ambiente y la salud humana, ya que los niveles de contaminación máximos por metales pesados, permitidos en vertimientos de agua, que fueron establecidos por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible a través de la Resolución 0631 (2015) son: cadmio (Cd = 0,10 mg/L), mercurio (Hg = 0,02 mg/L) y plomo (Pb = 0,50 mg/L).Estos valores están muy por encima de los valores permitidos a nivel internacional. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos [USEPA] estableció valores máximos de metales pesados en Cd de 0.01 mg/L, Hg de 0,00003 mg/L y Pb de 0,006 mg/L (Nguyen et al., 2013), lo que manifiesta la negligencia del estado colombiano. Lo antes expuesto se corrobora con los trabajos desarrollados por Díaz-Arriaga (2014), quien halló en agua de consumo humano niveles de mercurio que superan los 0,002 mg/L y en aguas superficiales, niveles superiores al 0,003 mg/L. Autores como Vargas y Marrugo (2019), encontraron en pescado niveles de mercurio superiores al 0,5 µg/g establecido por la OMS.
Sin embargo, existen muchas técnicas de remoción de metales pesados de las fuentes hídricas (Tahmasebi et al., 2015) de elevada eficiencia, pero que demandan un elevado costo económico y ambiental (Tang et al., 2018). Aun así, su uso es indispensable dada la alta toxicidad, rápida acumulación, nula degradabilidad (Awual et al., 2014; Staun et al., 2018) y gran movilidad de los metales pesados (Gutiérrez-Benítez et al., 2014), ya que pueden causar daño a tejidos, órganos, sistemas, alteraciones en el desarrollo, cáncer e incluso la muerte (Awual et al., 2016; Crowe et al., 2017). Por tal motivo se hace necesario y urgente la búsqueda de alternativas de biosorción de los contaminantes metálicos (Zhao et al., 2016) que sea de bajo costo y respetuosa con el ambiente, siendo la biosorción una alternativa que cumple con estos requerimientos, ya que su uso es simple, los materiales son asequibles y el bioadsorbente puede regenerarse (Renu et al., 2017).
La tecnología actual ha permitido el desarrollo de gran variedad de adsorbentes. Las investigaciones científicas actuales han volcado la mirada a los bioadsorbentes como las microalgas, debido a su gran variedad, abundancia, disponibilidad de las diferentes especies, buena capacidad para absorber iones metálicos (Yin et al., 2019; Gutiérrez-Benítez et al., 2014), alta eficiencia, bajo costo y respeto con el ambiente (Yin et al., 2019; Vitola et al., 2018). Además, cuentan con diferentes mecanismos bioquímicos de captación de metales pesados (Lee & Fisher, 2017) y neutralización de la toxicidad (Yin et al., 2019; Bilal et al., 2018). No obstante, el crecimiento de las microalgas está limitado por factores como la carga contaminante, la presencia de nutrientes, la salinidad, el pH, la luz, CO2, etc.
Ya que son organismos fotoautótrofos, que se ha recomendado la inmovilización de la microalga para brindarle protección y minimizar la contaminación biológica (bacterias u hongos) al crear una barrera física (Kandilian et al., 2017; Covarrubias et al., 2012; De Bashan & Bashan, 2010), y así aumentar la biosorción (Benítez et al., 2018; Hernández et al., 2018); especialmente si se emplean soportes naturales como el fruto seco de Luffa cylindrica, que tiene la ventaja de ser no tóxico, no reactivo (es decir, no interfiere con la actividad de la célula microalga), barato, mecánicamente fuerte, tiene alto grado de porosidad que favorece una mayor superficie de contacto, alto volumen específico y baja gravedad específica (propiedades físicas estables para cultivos a largo plazo) y es biodegradable (Nabizadeh et al., 2008; Liu et al., 1998).
La adopción de este tipo de enfoques de biorremediación es muy bien recibida, debido a su potencial de sostenibilidad (Emenike et al., 2017). Por consiguiente, el objetivo de esta investigación fue determinar la capacidad de biosorción y desorción de los metales pesados mercurio, cadmio y plomo por las microalgas Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliquus, inmovilizadas en un soporte natural.
Inmovilización de la biomasa microalgal: Las microalgas utilizadas fueron Scenedesmus obliquus (SOLINM 98 %) y Chlorella vulgaris (CVLINM 99 %), aisladas desde el complejo cenagoso de Santiago Apóstol en el departamento de Sucre (Colombia), las cuales hacen parte de la colección del banco de germoplasma del Laboratorio de Investigaciones Microbiológicas de la Universidad de Sucre, inmovilizadas en fruto seco de Luffa cylindrica como soporte y previamente lavado con detergente para retirar impurezas (Nabizadeh et al., 2008). Posteriormente, se cortaron y esterilizaron fragmentos de microalgas con 30,0 ± 1 mm de diámetro y 35,0 ± 1 mm de grosor, se impregnaron con un medio de cultivo nutrifoliar (Colinagro 4,0 ) que contiene 200 g/L de nitrógeno total, 100 g/L de fósforo y nutrientes como K, Mg, S, Cl, Fe, Cu, Zn, Mn, B y Mo por 24 h (Hernández et al., 2018) y, finalmente, se introdujeron los metales pesados en la solución con microalgas, en fase estacionaria (20 días), por 24 días. Después se retiraron los fragmentos de microalgas inmovilizadas, se lavaron para eliminar el exceso de material biológico y la biomasa inmovilizada se determinó por la diferencia del peso del estropajo antes y después de la inmovilización (Akhtar et al., 2004).
Capacidad de biosorción: se determinó inoculando a las microalgas inmovilizadas (en los soportes de estropajo) con las soluciones de metales pesados en forma de nitratos (grado analítico): Cd(NO3)2 x 4 H2O, Pb(NO3)2 y Hg(NO3)2 a concentraciones de 4,0 mg/L, 5,0 mg/L y 6,0 mg/L, por un tiempo de 24 h de biosorción con luz constante (2000 lux). Pasado este tiempo, se retiraron los fragmentos de estropajos con las microalgas inmovilizadas y se determinaron los porcentajes de biosorción mediante análisis de los sobrenadantes de cada tratamiento, usando técnicas espectroscópicas propias para cada metal pesado (Benítez et al., 2018; Hernández et al., 2018). Los datos obtenidos de la capacidad de biosorción se tabularon en Excel para su análisis estadístico e interpretación de los resultados.
Capacidad de desorción: los fragmentos de estropajo con las microalgas inmovilizadas, después de aplicar los ensayos de biosorción, se utilizaron para determinar la capacidad de desorción de los metales pesados. Estos fragmentos se mezclaron con 50 mL de una solución compuesta por 0,1 M de HNO3 y EDTA, mantenida en agitación a 400 rpm durante 55 min a 55°C, que posteriormente se filtró (Kumar et al., 2018). La concentración final de iones metálicos se determinó en la fase acuosa, filtrada usando un espectrofotómetro de absorción atómica. La relación de desorción se calculó a partir de la cantidad de metal pesado desorbido por el eluyente y la capacidad de biosorción (ecuación 1):
Tasa de desorción (%)= [HMd/HMa] x100 (1)
En la que HMd es la cantidad de metal pesado desorbido y HMa es la capacidad de biosorción (Ahmad et al., 2018). Los datos obtenidos de la capacidad de desorción se tabularon en Excel para su análisis estadístico e interpretación de los resultados.
Análisis de los metales pesados: la determinación de los metales pesados se realizó con un espectrofotómetro de absorción atómica, de llama aire-acetileno, para el análisis de cadmio (Cd) y plomo (Pb), y con un espectrofotómetro de absorción atómica, con vapor frío, para mercurio (Hg). Las concentraciones bajas fueron determinadas por la técnica de tubo de grafito y deuterio, todo de acuerdo al Standard Addition Method.
Análisis estadístico: Los resultados se expresaron como la media ± Desviación Estándar, se realizó un análisis de varianza, mediante un diseño completamente al azar, con arreglo factorial 2x3. El primer factor fueron las especies de microalgas (Scenedesmus obliquus y Chlorella vulgaris) y el segundo, las concentraciones de los metales pesados (4, 5 y 6 mg/L); previamente determinando el criterio de normalidad mediante la prueba de Shapiro Wilk (5%). Las diferencias estadísticas significativas se determinaron mediante la prueba de Tukey (p < 0,05). Todos los experimentos se realizaron por quintuplicado y se analizaron en el software InfoStat versión libre.
Los resultados de la capacidad de biosorción de metales pesados presentaron diferencias significativas entre las especies de microalgas Scenedesmus obliquus y Chlorella vulgaris, mostrando esta última la mayor capacidad de biosorción de metales pesados (Figura 1 A y B) con la concentración de 6,0 mg/L (aunque esta concentración no mostró diferencias significativas con la de 5,0 mg/L) (Figura 1 B). El metal pesado más removido fue el Cd, seguido de Pb y finalmente Hg (Figura 1 A). Sin embargo, la biosorción de todos los metales pesados por las microalgas fue superior al 77 %.
Estos resultados son consistentes con lo reportado por otros estudios. Dinesh et al. (2013) encontraron un 25 % más de biosorción de Ni en sistemas acuosos por la microalga C. sorokiniana cuando se inmovilizó en fibras de estropajo, en comparación con la microalga no inmovilizada. Kumar et al. (2018) hallaron que Chlorella vulgaris pudo remover alrededor del 97 % del Cd, cuando fue expuesta a una dosis de 10 mg/L. Hernández et al., (2018) reportan que Chlorella sp removió 95,4 % de mercurio y 93,4 % de níquel, mostrando los mayores porcentajes de biosorción cuando la microalga estaba inmovilizada en el fruto seco de Luffa cylindrica; al igual que Benítez et al., (2018), quienes sostienen que esta misma especie de microalga, inmovilizada en fragmentos de Luffa cylindrica, tuvo una biosorción del 98,9% de mercurio. Dinesh et al. (2013) informan una biosorción del 98 % de Zn cuando se empleó Chlorella marina inmovilizada en perlas de alginato. Adicionalmente, se ha encontrado que otras especies de microalgas, como Tetraselmis sp inmovilizada, han removido hasta el 41 % de nitrato y el 18 % de silicato a las 3 h de exposición a aguas residuales de curtiduría (Adam et al., 2015) y Chlorella marina, inmovilizada en perlas de alginato, ha logrado la biosorción hasta del 90 % de nitrato y el 60 % de fosfato a las 24 h de exposición (Dinesh et al., 2013).
Los resultados de la capacidad de desorción de los metales pesados, examinando la biomasa microalgal inmovilizada, muestran diferencias significativas entre las especies de microalgas. La tabla 1 muestra diferencias significativas entre los metales pesados, presentando Chlorella vulgaris la mayor capacidad de desorción de Mercurio, con 97,29 ± 1,93 % del Mercurio removido, seguido de Cadmio con 96,86 ± 2,14 % y Plomo con 95,48 ± 1,19 %; mientras que Scenedesmus obliquus mostró una desorción de 96,74 ± 2,14 % de Mercurio, 95,15 ± 2,90 % de Cadmio y 93,82 ±2,68 % de Plomo removido. Lo anterior indican que el Mercurio fue el metal pesado con mayores porcentajes de desorción, seguido de Cadmio y por último Plomo. Estos resultados son consistentes a los reportado por Benítez et al. (2018), quienes reportan una desorción del 84.1 % del Mercurio removido por Chlorella sp. Mientras que Kumar et al. (2018) hallaron una desorción de alrededor del 87 % del Cd removido por la biomasa de Chlorella vulgaris.
El uso de microalgas inmovilizadas, como técnicas de biosorción de metales pesados, es eficiente, dado que las microalgas empleadas en esta investigación permitieron una biosorción superior al 74 % de los metales pesados, y una desorción superior al 93 % de los mismos. Chlorella vulgaris mostró los mayores promedios de absorción con 94,77 % de cadmio, 92.45 % de plomo y 87.61 % de mercurio, lo que indica que esta especie de microalga posee mayor afinidad hacia estos metales pesados, en comparación con Scenedesmus obliquus.
Anexo (xls)
CÓMO CITAR: Vitola,
D. Pérez, A. y Montes, D. (2022). Utilización de microalgas como alternativa
para la remoción de metales pesados. Revista de Investigación Agraria y
Ambiental, 13(1), 195 – 203. https://doi.org/10.22490/21456453.4568
CONTRIBUCIÓN DE LA AUTORÍA: Deimer
Vitola Romero: investigación, análisis de datos, escritura – borrador original.
Alexander Pérez Cordero: investigación, conceptualización, escritura – revisión
y edición. Donicer E. Montes Vergara: análisis de datos, revisión y edición.
CONFLICTO DE INTERESES: La
información contenida en este manuscrito es original, revisada y preparada por
las personas que participan en el mismo. Declaramos que no existe conflicto de
intereses que ponga en riesgo la validez de los resultados del mismo.
https://hemeroteca.unad.edu.co/index.php/riaa/article/view/4568 (html)
https://hemeroteca.unad.edu.co/index.php/riaa/article/view/4568/5268 (pdf)
Los autores de este manuscrito extienden sus agradecimientos a la Universidad de Sucre, al Laboratorio de Investigaciones Microbiológicas y al grupo de investigación Bioprospección Agropecuaria, quienes fueron las entidades financiadoras.
