ALFA. Revista de Investigación en Ciencias Agronómicas y Veterinarias
Enero-abril 2023 / Volumen 7, Número 19
ISSN: 2664-0902 / ISSN-L: 2664-0902
pp. 37 – 44
Capacidad biosortiva
del Nostoc commune en la
separación del plomo de aguas contaminadas
Biosortive capacity of Nostoc commune
in separating lead from contaminated waters
Capacidade biosortiva
do Nostoc Commune na
separação da cabeça de águas contaminadas
Edwin
Rojas Felipe1
rojas.unh.epg@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-2284-7934
Víctor
Guillermo Sánchez Araujo1
victor.sanchez@unh.edu.pe
https://orcid.org/0000-0002-7702-0881
Lizangela Aurelia Hinojosa
Yzarra2
lizangelaorcid@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-9567-0303
Fredy Rivera Trucios1
fredy.rivera@unh.edu.pe
https://orcid.org/0000-0002-7081-9703
Jorge
Washington Rodríguez Deza1
jorge.rodriguez@unh.edu.pe
https://orcid.org/0000-0001-8209-989X
1Universidad Nacional de Huancavelica. Huancavelica, Perú
2Universidad Nacional
Autónoma de Huanta. Ayacucho, Perú
Artículo
recibido el 16 de noviembre 2022 / Arbitrado el 18 de diciembre 2022 /
Publicado el 9 de enero 2023
Escanea
en tu dispositivo móvil o revisa este artículo en:
https://doi.org/10.33996/revistaalfa.v7i19.195
RESUMEN
La contaminación del
agua por presencia de metales pesados como el plomo, es un problema mundial que
ha desequilibrado el sistema de salud en la humanidad, toda vez que este metal
afecta la pureza del agua bebible, poniendo en peligro la sobrevivencia de los
seres vivos, ya que el plomo afecta los sistemas nervioso, hematológico,
cardiovascular y reproductivo; frente a ello, la biosorción,
se presenta como un efectivo método alternativo, motivo por el cual el presente
estudio tiene el objetivo de dar una visión general y actualizada sobre la capacidad
biosortiva del Nostoc commune en la eliminación de plomo de aguas contaminadas. Se realizó la
revisión y análisis del estado del arte en sus fases heurística y hermenéutica
acerca de la capacidad biosortiva del Nostoc commune, recopilando artículos
científicos y tesis relacionados a la biosorción del
plomo utilizando descriptores como “biosorción”, “quimiosorción”, “Nostoc commune” “metales pesados”. Se resalta que la capacidad biosortiva está comprendida entre 247,35 y 384,62 mg pb / g de Nostoc commune; y el modelo que describe fue Langmuir
(R2) comprendido entre 98,8 y 99,25%; siendo el Nostoc
commune un potencial biosorbente
altamente eficiente para separar el plomo de aguas contaminadas, a través de
grupos carboxilos e hidroxilos, azúcares reductores, saponinas y aminoácidos,
concluyendo que, el Nostoc commune
tiene alto potencial biosorbente y muy efectivo para
contrarrestar la presencia de plomo en el agua.
Palabras clave: Biosorción; Quimiosorción;
Nostoc commune; Metales
pesados
The contamination of water by the presence of heavy metals such as lead
is a global problem that has unbalanced the health system of mankind, since
this metal affects the purity of drinking water, endangering the survival of
living beings, since lead affects the nervous, hematological, cardiovascular
and reproductive systems; In view of this, biosorption
is presented as an effective alternative method, which is why this study aims
to provide an updated overview of the biosorptive
capacity of Nostoc commune in the elimination of lead
from contaminated water. A review and analysis of the state of the art in its
heuristic and hermeneutic phases was carried out on the biosorptive
capacity of Nostoc commune, compiling scientific
articles and theses related to lead biosorption using
descriptors such as "biosorption", "chemosorption", "Nostoc
commune" and "heavy metals". It is highlighted that the biosorptive capacity is comprised between 247.35 and 384.62
mg pb / g of Nostoc
commune; and the model describing was Langmuir (R2) comprised between 98.8 and
99.25%; being Nostoc commune a highly efficient biosorbent potential to separate lead from contaminated
water, through carboxyl and hydroxyl groups, reducing sugars, saponins and amino acids, concluding that, Nostoc commune has high biosorbent
potential and very effective to counteract the presence of lead in water.
Key words: Biosorption; Chemosorption; Nostoc
commune; Heavy metals
RESUMO
A contaminação da
água pela presença de metais pesados como o chumbo é um problema global que
desequilibrou o sistema de saúde da humanidade, já que este metal afeta a
pureza da água potável, colocando em risco a sobrevivência dos seres vivos, já
que o chumbo afeta os sistemas nervoso, hematológico,
cardiovascular e reprodutivo; Em vista disso, a biosorção
é apresentada como um método alternativo eficaz, razão pela qual este estudo
visa fornecer uma visão atualizada da capacidade biosorptiva
da comunidade Nostoc na eliminação do chumbo da água
contaminada. Foi realizada uma revisão e análise do estado da arte em suas
fases heurísticas e hermenêuticas sobre a capacidade bioabsortiva
da comunidade Nostoc, compilando artigos científicos
e teses relacionadas à biosorção de chumbo usando
descritores como "biosorção", "quimiosorção", "comunidade Nostoc"
e "metais pesados". Destaca-se que a capacidade de bioabsorção está entre 247,35 e 384,62 mg
pb/g da comuna Nostoc; e o
modelo descrito foi Langmuir (R2) entre 98,8 e 99,25%; sendo a comunidade Nostoc um potencial biosorbente
altamente eficiente para separar o chumbo da água contaminada, através de
grupos carboxil e hidroxil,
reduzindo açúcares, saponinas e aminoácidos, concluindo que, a comunidade Nostoc tem um alto potencial biosorbente
e muito eficaz para neutralizar a presença de chumbo na água.
Palavras-chave: Biosorção;
Quimiosorção; Comuna Nostoc;
Metais pesados
INTRODUCCIÓN
La alteración de los
niveles naturales del agua es un problema mundial que ha generado alerta de
muchos sectores del Estado, y siendo de mucha relevancia la contaminación del
recurso hídrico, toda vez que es primordial para la vida de todos los seres
vivos del planeta (1,2), hoy en día diversas
investigaciones científicas están enfocadas en buscar alternativas para mitigar
el deterioro del ambiente por parte de los procesos productivos como la minería
y otras industrias (3); frente a esta situación, las colonias de Nostoc commune, sin previo
tratamiento mayor, solo hidratadas, se constituyen en algas biorremediadoras
debido a que retienen y absorben cadmio (Cd), cromo (Cr) y plomo (Pb) del medio
donde se encuentran (4).
Las Nostocales Cylindrospermum muscicola,
Nostoc commune
y Calothrix clavata
son capaces de tolerar y crecer en suelos contaminados con Pb (5); es así que,
el Nostoc commune
muy aparte de usarlas en la gastronomía, se las utiliza como secuestrantes de metales en soluciones acuosas ya que
tienen la capacidad biosorbente, siendo natural,
reemplazable y económico ya que abunda en los humedales altoandinos,
y su uso en la aplicación para la remediación del agua puede ser una forma de
transformarla en un recurso natural benéfico (6). La
técnica de biosorción es un método innovador que usa
la biomasa en estado fresco o seca con el único fin de remover y/o adsorber los
metales pesados tóxicos presentes en soluciones acuosas, siendo una tecnología que permite reducir la
contaminación del agua a bajo costo y eficiente mediante quimiosorción
(2,7).
METODOLOGÍA
El presente review trata del análisis
de artículos científicos y referencias relacionadas a la biosorción
del plomo usando Nostoc commune,
asimismo, se abarcó las fases heurística y hermenéutica, en donde se supone la
captura y recuperación de metales pesados de aguas contaminadas usando
tecnología alternativa a bajo costo. El procedimiento de recopilación de información fue a través de los
diversos navegadores y buscadores de la red informática, tales como: Google académico, Dialnet, Redalyc, SciELO, PubMed y Sciencedirect, en
revistas científicas como Revista de Ciencia e Ingeniería, Revista cubana Química,
entre otras; así como también en repositorios como las de la Universidad de
Guayaquil, Universidad Continental, entre otros, donde se continuó con el análisis documental concerniente al Nostoc commune, biosorción y metales pesados, y considerando como fichaje crítico la lectura de todos los resúmenes de
artículos científicos y tesis, interpretación de mapas conceptuales y gráficas,
extracción y análisis de datos especializados.
DESARROLLO Y DISCUSIÓN
Contaminación del agua
Los cambios en las características físicas, químicas o biológicas
significan un peligro considerable para la salud, por alta toxicidad y no son
biodegradables, que ocasionan enfermedades como desorden cerebral, artritis,
daño renal, vasculares, depresión y de la piel; donde se encuentran iones
metálicos, producto de actividades industriales y antropogénicas
que emplean elementos metálicos que se evacúan a los humedales y manantiales (3,8).
Metales pesados
Según la tabla periódica, son elementos que
tienen una densidad mayor a 7 gr/cm3, y en este grupo se incluyen al
arsénico (As), cadmio (Cd), cobre (Cu), cromo (Cr), mercurio (Hg), plomo (Pb),
níquel (Ni), plata (Ag), selenio (Se), y zinc (Zn); siendo el plomo el más
tóxico ya que su uso excesivo viene ocasionando serios problemas a la salud
ambiental (8).
Plomo (Pb)
Se encuentra naturalmente en los suelos,
cuyas características son: blando, gris, y componente traza de minerales
comunes formadores de roca y fácilmente resistentes a la intemperie, y
componente principal de varios minerales de carbonato, sulfuro, silicato, óxido
y sulfato (9,10), y se encuentra ubicado en el grupo (XIV) de la tabla
periódica y posee un peso atómico de 207,2; y se encuentra entre los 23 metales
pesados y el más toxico para la salud humana y contaminación del ambiente (6,11).
Por otra parte, el Pb puede afectar los
órganos más sensibles como el cardiovascular, riñón, sistema reproductivo,
sistema hematológico y sistema nervioso; y los más vulnerables al
envenenamiento por Pb son los niños, seguidamente por los adultos; y su
depósito a largo plazo en el cuerpo humano puede causar enfermedades graves que
incluyen pérdida de memoria y dolor de cabeza, y a corto plazo, trastornos
gastrointestinales, infecciones fúngicas, fatiga crónica, percepción distorsionada,
sensación de irrealidad, confusión mental, dolor en músculos, articulaciones y
alergias (7,11). Los límites permisibles (LP)
según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas
en inglés), es de 0,015 mg/L; y, asimismo, la OMS ha determinado 0,01 mg/L (3,12).
Nostoc: crecimiento y metabolismo
El Nostoc es una
colonia de cianobacterias que puede estar en estado latente hasta que las
primeras lluvias la hidratan, formando esferas de 10 a 25 mm de diámetro,
semejante a uvas. Se desarrolla entre los 3000 y 5000 m s.n.m.,
de color verde-azulado, verde-amarillo o marrón oscuro; estas crecen sobre la
superficie de la tierra y se puede localizar en los humedales y riachuelos a
nivel mundial, distribuidos desde las zonas cálidas hasta las frígidas,
conocida en Sudamérica con los nombres de cushuro, murmunta, llullucha o llayta en las zonas altoandinas,
presentan un tamaño promedio de 1 – 8 a 1 – 1-5 cm (13-15).
Química de la biosorción
Es un proceso físico–químico, consistente en
la eliminación de iones metálicos por retención en una biomasa inactiva no
viva, y teniendo la constitución bioquímica básica de las algas tiene relación
con su rendimiento de adsorción debido la solubilidad, porosidad de la
partícula, tamaño, grupos funcionales y la aplicación en contacto a ambos en
determinadas condiciones de tiempo, pH, temperatura, agitación y concentración;
y se sigue una secuencia que es descrito modelos matemáticos y parámetros (6,7,12).
La separación de los iones metálicos se fundamenta
en la adsorción física por biomasa inactiva según la teoría de Vander Waals de la atracción y la adsorción química donde
predomina el enlace covalente entre la carga negativa de la superficie de la
célula y los iones catiónicos. La constitución bioquímica de las algas tienen
relación básica en la biosorcion por la presencia de
los grupos funcionales como sulfato, hidroxilo, fosfatos, aminas y carboxilos,
y cumplen una función muy importante en la unión de metal y el grupo carboxilo
con pKa–5,0, siendo importante para la unión con el
grupo secundario de ácido sulfónico de fucoidan; la química superficial y la interacción de los
metales pesados con grupos funcionales que se determinan con técnicas
espectroscópicas (6,7,16).
Mecanismos de biosorción
Consiste en la transferencia de materia externa desde el centro de la
disolución hasta la superficie de la biomasa inactiva, y en esta fase la fuerza
impulsora es la diferencia de concentración en el interfaz solido–líquido que
rodea a cada partícula, dependiendo de las condiciones hidrodinámicas externas,
y la difusión se produce por transferencias sucesivas de las moléculas entre
centros activos, y la fuerza impulsora que es la gradiente de concertaciones de
las especies en su forma adsorbida (17). En el proceso de adsorción física no
especifica y las fuerzas de atracción entre el adsorbato
y la superficie del solido son parcialmente débiles, y donde su energía de
activación es menor que en la adsorción química y el aumento en la T° afecta negativamente la adsorción, así como también la
falta de una mezcla adecuada del sistema por ausencia de agitación puede
generar zonas muertas en el interior del reactor (2,13)
Por otra parte, para estudiar el mecanismo de
biosorción, es muy importante conocer la estructura
de la pared celular de la biosorbente y la solución
química, los tipos de biomasa de origen agrícola o algal,
que muchos de ellos contienen lignina, celulosa, hemicelulosa,
proteínas, lípidos, extractos, agua y muchos más compuestos que tienen una
variedad de grupos funcionales, y, asimismo, las algas marinas, plantas, algas
y hongos difieren significativamente uno del otro (7,11).
Se ha extraído Pb de aguas contaminadas con
distintas concentraciones de Pb: 311,12 mg Pb2+/Litro 214,89 mg Pb2+/Litro,
127,33 mg Pb2+/Litro; y la variación de pH desde 2,4 y 5,5 y dosis
del biosorbente (0,1 gr, 0,05 g y 0,025 gr);
temperatura de 25°C, movimiento constante de 300 rpm, por 3 horas; y teniendo
resultados alentadores 247,35 mg/gr, a un pH de 5,5 (6).
Factores que afectan la biosorción
Potencial de Hidrógeno (pH)
Es un parámetro sobresaliente en la sorción de
los metales pesados, y normalmente se acepta que la sorción
de cationes metálicos se incrementa al aumentar el pH del medio acuoso, y
existe una excepción que solamente aquellos iones metálicos que pueden aparecer
como complejos cargados negativamente o formar aniones en solución, pueden
mostrar un aumento en la suspensión al incrementar el pH del agua contaminada (13).
En todas las alternativas estudiadas la retención de metales tóxicos fue
significativa al incrementar el pH, y, por lo tanto, se produce una
competitividad entre los cationes y protones por los puntos de retención (15,18).
Estudios de biosorción de Cd y Pb usando como adsorbente el Nostoc sp, demostraron
que la capacidad biosortiva especifica máxima de Pb
fue de 185,89 mg/g, y a pH 3 la capacidad biosortiva
especifica de Cd fue de 13,93 mg/g, lo que equivale a remover el 44,51% de Cd
en solución acuosa, existiendo una relación directa y proporcional entre pH y
la capacidad biosortiva de Pb, siendo máxima a un pH
5 (37,43 mg/g), lo que equivale a remover el 97,32% de Pb en solución (19).
Temperatura
El aumento de la temperatura del medio acuoso genera incremento en la
retención de los metales tóxicos y la biomasa empleados, de esta forma se
concluye que el balance energético de las reacciones involucradas en la sorción es positivo evidenciando la naturaleza endotérmica,
que depende de la diversificación de entalpía (ΔH), en donde para la mayor
parte de los metales pesados, el indicador de entalpia de adsorción se
encuentra definido en el rango de 7 y 11 kJ/mol, y entre 2,5 y 6 kJ/mol para
metales ligeros, también se ha evidenciado que a una temperatura de 27 °C se ha
logrado remoción de 98,95% de metales tóxicos, en tal sentido los factores como
cantidad de biomasa, pH y la temperatura es directamente proporcional al
porcentaje de remoción (6,13).
Tamaño y dosis del biosorbente
Es el tercer factor importante en el proceso
de biosorción de los metales pesados, donde una dosis
alta conduce a un aumento en un 98,8% de remoción de metales pesados; por otra
parte, la dosificación se atribuye a los sitios de interacción con los metales
tóxicos y la biomasa, y existiendo una concentración óptima del adsorbente que
conduce a un rendimiento óptimo entre los iones metálicos y los sitios de unión
biomasa del nostoc commune,
y por otro lado, una partícula demasiado pequeña puede incrementar las
perdidas por presión, teniendo en cuenta que el efecto de la pared que es el
efecto que ejercen las paredes internas de la columna sobre el flujo de la
solución acuosa (9,18).
Discusión
Se obtuvo una alta capacidad de biosorción entre 247,35 y 384,62 mg pb/
g Nostoc; y se adecuaron mejor al modelo de Langmuir (R2 = 98,8 y 99,25%), corroborando los
reportes de Sandoval et al. (20); por otra parte, los métodos convencionales de
separación de metales pesados, tales como: adsorción, coagulación,
electrodiálisis, intercambio iónico, osmosis inversa y precipitación, son
tecnologías que requieren equipos sofisticados y mano de obra altamente
calificado, ocasionando altos costos en el proceso; asimismo, son poco
eficientes y pueden generar otros productos que requieren de depósito o
tratamiento adicional; en tal sentido el elevado costo de tratamiento de
metales pesados, han incentivado al desarrollo de nuevas tecnologías que
promueven una alta eficiencia de remoción a un menor costo como la biosorción a través de material biológico como el Nostoc commune, en
concordancia con lo manifestado por Ramírez et al. (4) .
La sorción de
cationes metálicos se incrementa al aumentar el pH del medio acuoso, en
concordancia con Duany (21) quien asevera que “el pH
es uno de los factores a tener en cuenta cuando se utiliza residuos vegetales
como bioadsorbentes, es decir, a pH bajos, los
protones (H+) se encuentran en una concentración elevada”, habiendo competencia
entre iones metálicos por ocupar los sitios de unión en el biosorbente,
lo que conlleva a una reducción de la inmovilización de los metales presentes
en disolución. La supresión de iones metálicos por biomasa muerta se centra en
la sorción de metales debido a la fuerte afinidad
entre iones metálicos y la biomasa coincidiendo con Gupta
y Diwan (22) quienes manifiestan que, la estructura
bioquímica básica de las algas tiene relación con su rendimiento de adsorción,
ya que los grupos funcionales que se encuentran en ellas y en las cianobacterias
son los carboxilo, hidroxilo, sulfato, fosfato y amina, que influyen en la
unión del metal.
CONCLUSIÓN
La biosorción como tecnología de remoción de metales pesados
cubre la necesidad operativa de crear estrategias efectivas, eficientes, económicas
y amigables con el ambiente, a fin de minimizar la concentración de Pb en el
ambiente, usando biosorbentes microbianos no vivos
que, dicho sea de paso, ofrece ciertas ventajas importantes, como ausencia de toxicidad
y la no necesidad de suministro de nutrientes.
El Nostoc commune es
un potencial biosorbente altamente eficiente,
económico y ecoamigable, para separar el Pb de aguas
contaminadas, toda vez que presentan en su estructura grupos carboxilos e
hidroxilos, azúcares reductores, saponinas y aminoácidos, existiendo una
relación directa y proporcional entre pH y la capacidad biosortiva
de Pb.
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publicación del presente artículo científico.