Biorremediación de aguas con metales pesados mediante biomasa microalgal

Résumé

En este trabajo se estudia el empleo de microalgas para la biorremediación de la contaminación de metales pesados (MP) presentes en aguas. En particular, se demuestra la efectividad de cuatro especies de microalgas verdes (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, Scenedesmus almeriensis y Chlorophyceae sp.) en procesos de depuración de los elementos As, B, Cu, Mn y Zn. El estudio toma como base la composición en metales pesados del río Loa, en la región de Antofagasta, debido a la importante problemática que conlleva esta contaminación, en una zona con muy importante escasez de agua. Se estudió el efecto de los principales factores de operación que afectan el proceso de biorremediación microalgal frente a la presencia de MP, empleando biomasa viva e inactiva y comparando las capacidades de biosorción tanto en disoluciones monometálicas como multimetálicas. Para ello, se evaluó el efecto de factores como pH (5.5. – 7.0 – 9.5) y tiempo de contacto (10 – 180 min) tanto en la cinética como en las isotermas de equilibrio. Estos estudios también fueron complementados con estudios de caracterización. Las pruebas de biosorción lograron demostrar altas tasas de eliminación, destacándose los procesos frente a Cu, (88%, Chlorophyceae sp., pH 7.0, 10 min), Mn (99,4%, C. vulgaris, pH 7,0, 180 min) y Zn (91,9%, Chlorophyceae sp., pH 5,5, 180 min). Se determinó que el pH influye individualmente, destacándose una mayor eliminación de Mn y Zn a pH 5,5 (Chlorophyceae sp., y S. almeriensis) y la eliminación de Cu a pH 7,0 (Chlorophyceae sp). En tanto, el tiempo de contacto disminuyó las tasas eliminación de As y B, mientras que favoreció una mayor capacidad de eliminación en los procesos de Cu, Mn y Zn. Además, se evaluó una posible integración de los procesos de biorremediación de metales y de materia orgánica con microalgas. Para ello, se estudió el proceso de biosorción multimetálico empleando condiciones típicas de fotobiorreactores de tratamiento de aguas, como la concentración de la materia orgánica (MO) y el suministro de CO2. Los resultados obtenidos evidenciaron que la presencia de MO produce una fuerte disminución en la capacidad de eliminación de MP (p.e. una disminución de un 22,7% y un 11,1% en las capacidades finales de biosorción por efecto de la presencia de MO en estudios desarrollados con C. vulgaris y S. almeriensis, respectivamente). Los procesos específicos más fuertemente afectados por la presencia de MO fueron los implicados en la eliminación de As (desde 2,2 a 0,0 mg/g usando C. vulgaris y desde 2,3 a 1,7 mg/g usando S. almeriensis) y Cu (de 3,2 a 2,3 mg/g en C. vulgaris y de 2,1 a 1,6 mg/g usando S. almeriensis). Se determinó que el efecto negativo asociado a la MO en el proceso de biosorción se reduce a medida que aumenta el tiempo de contacto. Esta variación responde a una respuesta metabólica de las especies, disminuyendo así la concentración de MO en el medio y su efecto negativo asociado al proceso. Del mismo modo, el suministro de CO2 produjo una disminución de la capacidad total de biosorción en ambas especies de microalgas, reduciendo su capacidad en un 27% (desde 10,1 mg/g a 7,1 mg/g) en estudios desarrollados con C. vulgaris y en un 35% (desde 11,0 mg/g a 6,6 mg/g) empleando S. almeriensis. Por otro lado, se trabajó en optimizar el proceso de biosorción/recuperación de los MP previamente adsorbidos por la biomasa microalgal. En este punto, se consideraron como factores el uso de distintos tipos de eluyentes (HCl, NaOH, CaCl2) y sus concentraciones (0.1 M y 0.2 M), el tiempo de contacto (10 – 20 – 60 min) y la presencia de MO en el proceso. Se determinó que HCl 0.1 M conllevó las mejores eficiencias de recuperación, con tasas sobre el 85% para el caso del As, 92% para Cu, y casi una completa recuperación (≈ 100%) para Mn y Zn. En tanto, la presencia de MO durante la fase de carga repercutió positivamente en las posteriores tasas de recuperación. En estudios con biomasa inactiva, la capacidad de biosorción total resultó ser fuertemente dependiente de la concentración del sistema multimetálico. Las máximas capacidades de biosorción fueron obtenidas empleando la disolución multimetálica más concentrada (SMM4X: As: 48 mg/L, B: 240 mg/L, Cu-Mn-Zn: 12 mg/L), con valores de 56,0 mg/g en C. vulgaris y 56,3 mg/g en S. almeriensis, valores 6 y 3,5 veces superiores a los observados en SMM1X y SMM2X, respectivamente. Se observó que el aumento en la concentración de SMM favorece directamente la eliminación de As, Cu, Mn y Zn. Por el contrario, la eliminación de B se vio dramáticamente afectada. Esta disminución en las tasas de eliminación de B ocurre tanto en estudios con microalgas vivas como en microalgas muertas. Finalmente, se realizó un análisis preliminar de la biosorción de MP empleando sistemas de columnas trabajando en lecho fijo con biomasa inactiva. Se demostró la necesidad de operar con bajas tasas de flujo (3 mL/min), aunque no se observó una tendencia clara respecto a la concentración del afluente. Aun así, los resultados permiten evidenciar un mayor desempeño de la especie C. vulgaris. Con esta contribución, es posible validar el sistema de columnas de lecho fijo como un sistema apto para el proceso de biorremediación de aguas con MP basado en biomasa microalgal, marcando un real antecedente para un futuro escalamiento del proceso.