Biorremediacion de Metales Pesado de Aguas Acidas

Tratamiento de Aguas Residuales

Bioadsorción de metales pesados de aguas ácidas de minas (I) Sobre residuos de levaduras cerveceras M. García Roig, F. I. Ramírez Paredes y T. Manzano Muñoz Dpto. de Química Física. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad de Salamanca 1. Introducción

Se ha caracterizado la composición química y los estados fisicoquímico y ecológico de las aguas ácidas de dos minas a cielo abierto de la cuenca del río Duero. Asimismo, se han establecido las condiciones para la obtención y manipulación adecuadas de diferentes residuos biológicos, abundantes y baratos, que se muestren útiles para la descontaminación de metales pesados de dichas aguas ácidas. Se ha ensayado, a escala de laboratorio (80

110 67 33 11 5 4 3

2,4 38 37 3,5 0,2 2,7 3,2

87 61 36 9 2,6 1,0 0,5

42 15,8 44 9 11 16 40

118 70 45 12 5,4 4 3,6

12 7 0 0 0 0

Co: concentraciones expresadas en p.p.m.

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Ni

Co

que presentan mayores niveles de metales y de sulfatos en disolución (datos no mostrados), siendo, además, las únicas aguas de las minas analizadas que dan positivo el test de ecotoxicidad de Ames. Los principales metales existentes en estas aguas son aluminio, manganeso, hierro, níquel, cinc y cobre, estando el agua ácida de la mina Fé significativamente más contaminada (2870 mg/l de carga química inorgánica) que el agua de la mina Merladet (411 mg/l carga química) y poseyendo aquélla, además, una característica diferenciadora, que es la presencia de catión uranilo UO22+ (40 mg/1). Además, se puede observar que las aguas examinadas muestran un cierto grado de mineralización (conductividad específica más bien baja), escasa turbidez y elevado grado de oxigenación. 3.2. Bioadsorción de metales de aguas ácidas sintéticas –––––––––––––––––––––––––––––––

Considerando la abundancia y el bajo coste del residuo de levaduras cerveceras, se eligió esta biomasa de

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Saccharomyces cerevisiae como primer candidato con el que estudiar la biorremediación de estas aguas ácidas de minas. Dado que Al, Cu, Mn, Ni y Zn eran los metales mayoritarios, el primer experimento consistió en estudiar la selectividad, la cinética y el equilibrio de bioadsorción de cada uno de estos cinco metales disueltos en agua destilada de pH ácido (3.3-4.5) por las levaduras exhaustas de cerveza. Los resultados de este estudio se recogen en las figuras 1 (para el caso del Cu a modo de ejemplo) y 2 y en la Tabla IV y de ellos se pueden deducir las siguientes conclusiones:

Se propone que en el proceso de bioadsorción participan mayoritariamente interacciones fisicoquímicas específicas (de tipo intercambio iónico, coordinación, complejación de metales), si bien interacciones más físicas y lábiles y menos espe-

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Figura 2. Isotermas de bioadsorción de los metales de la disolución acuosa ácida por la acción de Saccharomyces sp. en suspensión libre

cíficas (efecto hidrofóbico, polares, van der Waals) entre el catión metálico y los distintos grupos funcionales sobre la superficie del microorganismo pueden tener un menor grado de participación. 4) Durante los experimentos de bioadsorción de los metales disueltos por las levaduras, el pH de las aguas aumentaba de manera espontánea desde sus valores iniciales (pH 3.3-4.5) hasta alcanzar valores en torno a 5.5-6.0 (datos no mostrados). Es decir, el proceso de bioadsorción del metal sobre las levaduras neutralizaba parcialmente dichas disoluciones acuosas ácidas.

De la curva de valoración (pH frente a NaOH añadido) de la biomasa disuelta en agua (datos no mostrados), se ha deducido la existencia en ella de al menos cuatro grupos químicos ácido-base, con pK aparentes 3,7, 4,5, 6,8 y 9,5. Conviene citar como de especial interés el hecho de que al realizar el experimento de bioadsorción del aluminio sobre las levaduras, los sobrenadantes de algunas muestras alícuotas separadas del biorreactor y una vez filtradas y aciduladas con 0,01 M H2SO4 se contaminaron con un microorganismo, que posteriormente se iden-

Cu elim/ mmol/g

1) En cuanto a la selectividad de la biomasa por los distintos metales y su capacidad de bioadsorción (Tabla IV), se comprueba que los mayores porcentajes de eliminación corresponden al Zn (76%) seguido de Cu (70%), Mn (62%), Ni (48%) y Al (30%). 2) Las cinéticas de eliminación de cada metal disuelto en el agua sintética por bioadsorción sobre Saccharomyces sp. son de primer orden respecto de la concentración del metal ([Metal]disolución = Ae-kt + C), alcanzándose el equilibrio en los primeros 15-20 minutos, lo que apunta a un proceso rápido de adsorción superficial del metal sobre la biomasa. Para el caso de la bioadsorción del Cu, k = 0,139 min-1, es decir que el 50% de bioadsorción del metal sobre la levadura se consigue a los 5 min de proceso (t1/2). 3) Las isotermas de bioadsorción de los metales sobre la biomasa (Fig. 2) parecen ajustarse al comportamiento de Langmuir [Metaladsorbido/masa adsorb e n t e = K b [ M e t a l ] equilibrio/ (1+K[Metal]equilibrio)]. Las constantes de afinidad para la unión metal-bioadsorbente son: K=7,29 (Zn), 3,65 (Cu), 3,31 (Mn) y 3,20 (Ni) dm3/mmol, y las constantes de capacidad de unión: b = 0,076 (Zn), 0,069 (Cu), 0,060 (Mn) y 0,059 (Ni) mmol/g.

Cu residual/ mM Figura 3. Isoterma de adsorción tipo Langmuir del Cu del agua ácida de la mina Merladet por Saccharomyces cerevisiae en suspensión libre

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Tabla VI. Evolución de la ecotoxicidad de las aguas ácidas por incubación con la matriz soporte vacía y cargada de células de Saccharomyces cerevisiae.

Muestra

Poliuretano (± levadura)

EC 50% Equitox/m3

200 cm3 agua ácida 200 cm3 agua ácida 200 cm3 lixiviado 200 cm3 lixiviado

11,5 g (- Saccharomyces) 13,7 g (+ Saccharomyces) 11,3 g (- Saccharomyces) 13,6 g (+ Saccharomyces)

14,63 8,20 -

tificó como el hongo filamentoso Cladosporium sp. En consecuencia, los correspondientes resultados de eliminación de Al por Saccharomyces cerevisiae fueron artefactos pero sorprendentes, ya que Cladosporium sp. eliminó porcentajes del orden del 70% del Al presente en las aguas. Este hallazgo novedoso (no descrito en bibliografía) podría servir de base para futuros estudios de biorremediación de aguas ácidas con metales pesados por la acción de este microorganismo que, por otra parte, creció espontánea y notablemente en aguas de pH 2.0-3.5. 3.3. Bioadsorción de metales de aguas ácidas de mina –––––––––––––––––––––––––––––––

Conocida la selectividad, cinética y capacidad de bioadsorción de cada metal disuelto en agua ácida sintética por la acción de Saccharomyces cerevisiae, en el siguiente estudio se pretendía comprobar dichos parámetros para los procesos de bioadsorción de los metales que contaminan las aguas ácidas reales de la mina Merladet (Barruecopardo, Salamanca) por la acción de las levaduras cerveceras. Los experimentos son análogos a los realizados en el estudio anterior manteniendo las mismas condiciones y el mismo tipo de análisis de las muestras. Dada la baja contaminación metalogénica de las aguas ácidas de la corta principal de la mina Merladet (3,6 mg./l Zn, 3,1 mg/1 Mn, 0,5 mg/1 Cu, 0,5 mg/1 Ni según Tabla III), las muestras de agua fueron dopadas cada una por separado con cada metal a estudiar su bioadsorción hasta conseguir siete concentraciones diferen-

tes entre 118 y 0,5 mg/1. Aunque el análisis y seguimiento se hace de un solo metal cada vez, en el agua de corta están presentes los otros metales, además de otras especies químicas que pueden interferir o competir con el propio proceso de bioadsorción por levadura (Tabla III). Los resultados de este estudio se recogen en la figura 3 (para el caso del Cu a modo ilustrativo) y en la Tabla V, y de ellos se pueden deducir las siguientes conclusiones: 1) En cuanto a la selectividad y capacidad de bioadsorción de los distintos metales por la biomasa, se comprueba que los mayores porcentajes de eliminación corresponden al Cu (80% eliminación, es decir 0,19 mgCu/g bioadsorbente) seguido de Ni (25 %, 0,24 mgNi/g bioadsorbente) y Mn (3%, 0,026 mgMn/g bioadsorbente). 2) La cinética de bioadsorción de los metales disueltos en el agua ácida de mina por Saccharomyces sp. es rápida, siendo de primer orden respecto de la concentración del metal ([Metal]disolución = Ae-kt + C) y alcanzándose el equilibrio en los primeros 10-15 minutos (datos no mostrados), lo que apunta a un proceso rápido de adsorción superficial del metal sobre la biomasa. 3) Las isotermas de bioadsorción del Cu (Fig. 3) y los demás metales (datos no mostrados) sobre la biomasa parecen ajustarse al comportamiento de Langmuir [Metaladsorbido/masa adsorbente=Kb[Metal]equilibrio/(1+ K[Metal]equilibrio)]. La constante de afinidad para la unión Cubioadsorbente es K = 2,46 dm3/mmol y la constante de capacidad de unión b = 0,1 mmol/g. Al igual que con aguas ácidas sin-

téticas, se propone que en el proceso de bioadsorción participan mayoritariamente interacciones fisicoquímicas específicas (de tipo intercambio iónico, coordinación, complejación de metales), si bien interacciones más físicas y lábiles y menos específicas (efecto hidrofóbico, polares, van der Waals) entre el catión metálico y los distintos grupos funcionales sobre la superficie del microorganismo puedan tener un menor grado de participación. 4) Durante los experimentos de incubación de las aguas ácidas de corta con las levaduras, el pH de las aguas aumenta de manera espontánea desde sus valores iniciales (pH 3.3) hasta alcanzar valores en torno a 4.0-4.6 (datos no mostrados). Es decir, el proceso de bioadsorción del metal sobre las levaduras neutraliza parcialmente dichas aguas ácidas de mina. 5) Comparando los procesos de bioadsorción de metales por Saccharomyces sp en aguas sintéticas y en aguas de la mina Merladet (aunque dopadas) se observan valores muy similares en cuanto a la eliminación de los metales Cu y Ni, siendo, sin embargo, sensiblemente menor la eficacia del proceso con aguas reales para el caso del Mn y nula para los demás metales. Se postula una interferencia antagonista sobre la bioadsorción de un metal por la presencia simultánea de otros metales. 3.4. Eliminación de la ecotoxicidad del agua de mina por levaduras inmovilizadas –––––––––––––––––––––––––––––––

Los experimentos se llevaron a cabo en reactor discontinuo de tanque agitado a 120 r.p.m. y a temperatura de 20°C con el agua ácida de la mina Merladet (Barruecopardo, Salamanca) (0,06 mg/1 Al, 0,06 mg/1 Ni, 0,56 mg/1 Cu, 1,91 mg/1 Zn, 2,91 mg/1 Mn) y con un lixiviado de lodo de la mina (0,04 mg/1 Cu, 0,20 mg/1 Zn, 0,19 mg/1 Mn), tratados según el método oficial B.O.E. 10/ 11/89 de análisis de ecotoxicidad. Los resultados del estudio de la evolución de la ecotoxicidad del agua y del lixiviado

abril 03

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de la mina de Barruecopardo tras su incubación con el soporte de poliuretano sin y con células de Saccharomyces se recogen en la Tabla VI. Como consecuencia de este estudio se pudo extraer la conclusión de que dicha agua ácida ecotóxica por el hecho de incubarla con levaduras cerveceras atrapadas en espuma de poliuretano dejaba de serlo. 4. Conclusiones 1. Tras evaluar la composición química y los estados fisicoquímico y ecológico de las aguas superficiales de las cortas de una serie de minas a cielo abierto de las provincias de Salamanca y Zamora, se ha podido concluir que únicamente son aguas ácidas contaminadas con metales pesados tóxicos las aguas de las minas Fé (Saelices el Chico, Salamanca) (con U, Al, Cu, Mn, etc.) y Merladet (Barruecopardo, Salamanca) (con Al, Mn, Zn, Cu). 2. Tras investigar la cinética y el equilibrio de eliminación de metales de las aguas ácidas de la mina Merladet mediante procesos de bioadsorción sobre residuos industriales de levaduras de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), se puede proponer, en principio, a estos residuos, abundantes y baratos, como agentes activos eficaces para la biorremediación de este tipo de aguas contaminadas con metales. Además, estos biorresiduos se han demostrado eficaces a la hora de rebajar o anular los niveles de ecotoxicidad y radioactividad de estas aguas ácidas de mina. 5. Bibliografía [1] Roig, M.G., Manzano, T. y Diaz, M. “Biochemical process for the removal of uranium from acid mine drainages”. Water Res. 31, pág. 20732083 (1997). [2] Entrena, A.L., Serrano, J.R. y Villoria, A. “Descontaminación de aguas de mina con recuperación de los metales contenidos en ellas”. Proc. VIII Int. Symposium Min/Met, 16-22 octubre, Oviedo (1988). [3] APHA, AWWA and WPCF. Standard Methods for the examination of water and wastewater 17th Ed., Clesceri, L.S., Greenberg, A.E., Trussell,

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Agradecimientos A Iberdrola Instituto Tecnológico y al Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua (CIDTA) de la Universidad de Salamanca por la concesión de una beca. Al Director y personal del CIDTA por su eficaz colaboración, asesoramiento y cesión temporal de sus equipos e instalaciones para el desarrollo de algunas de las tareas del programa de trabajo. Al Departamento de Química Analítica, Nutrición y Bromatología de la Universidad de Salamanca por la cesión de sus espectrofotómetros de Absorción Atómica. A las empresas donantes de las aguas ácidas y de los residuos biológicos utilizados en este proyecto: Empresa Nacional del Uranio S.A. (ENUSA) (Saelices el Chico, Salamanca), Merladet S.A. (Barruecopardo, Salamanca), Grupo Cruz Campo S.A. (Sevilla), por su excelente colaboración. Al Prof. William G. Bardsley por la cesión gratuita de la última versión del paquete SIMFIT.