Recuperación de partículas y nanopartículas de plata con sistemas biológicos anaerobios de lodo granular y biopelícula

Abstract

La disponibilidad de agua dulce de buena calidad ha disminuido significativamente debido a diversas actividades humanas que han incrementado los flujos de plata y otros metales potencialmente tóxicos, envenenado los ecosistemas acuáticos. Los métodos utilizados tradicionalmente para el tratamiento de aguas que contienen metales, se basan en la neutralización y precipitación química, sin embargo estos tratamientos conllevan el alto costo de los reactivos químicos y la producción excesiva de lodos, por lo que se ha buscado una alternativa en los procesos biológicos. El proceso de digestión anaerobia se basa en la oxidación de la materia orgánica a partir de diversos tipos de bacterias, entre las cuales se encuentran las metanogénicas y acetogénicas, que son capaces de reducir el potencial óxido-reducción del medio acuoso a valores por debajo de los -200 mV. Bajo estas condiciones la plata soluble puede ser reducida a plata metálica, por lo que el uso de estas bacterias podría ser una alternativa viable para la recuperación de diversos metales de aguas residuales. El objetivo general de este trabajo fue evaluar el efecto que ejerce la plata soluble sobre la actividad anaerobia de distintos sistemas biológicos, así como asegurar la reducción de plata soluble a plata metálica. Con el fin de desarrollar un proceso económicamente viable para la recuperación del metal y la reutilización del agua. En la primera etapa del proyecto se estudió el efecto tóxico que ejerce la plata soluble sobre un lodo granular a concentraciones entre 0 y 2000 mg/L Ag+, con su respectiva cantidad de nitratos debido a que se añadió como AgNO3. El lodo fue previamente acondicionado a metanogénesis y resistió hasta 1000 mg/L Ag+-575 mg/L NO3-. Se evaluó también el efecto de la plata sobre una biopelícula anaerobia, la cual fue formada sobre un soporte de polietileno de baja densidad, en un reactor de lecho fluidificado inverso durante 94 días. La biopelícula resistió hasta 500 mg/L Ag+-288 mg/L NO3-, el efecto inhibitoria a mayores concentraciones podría deberse tanto a la presencia de Ag+ como a la de NO3-. En ambos sistemas biológicos hubo una disminución del potencial óxido-reducción (< -100 mV) que permitió la reducción de la plata soluble, la eficiencia de remoción de plata promedio fue de 97%. En la siguiente etapa se utilizó un reactor de lecho fluidificado inverso para la remoción de plata soluble de un agua residual sintética a partir de una biopelícula anaerobia. El reactor se operó en continuo durante 293 días con etanol como sustrato (1 g DQO/L). La eficiencia de remoción de plata fue superior al 96% y fue recuperada en su estado metálico. El incremento gradual en las concentraciones de plata, de 20 mg/L Ag+- 11.5 mg/L NO3- a 300 mg/L Ag+- 172.4 mg/L NO3-, favoreció el desempeño del reactor de lecho fluidificado inverso, lo cual se vio reflejado en el incremento de su eficiencia de remoción de la materia orgánica (de hasta 94%) y en el potencial óxido-reducción que permaneció inferior a -200 mV. La alcalinidad producida por la oxidación del sustrato mantuvo un pH cercano a 7.0 dentro del reactor. La caracterización de la biopelícula por biología molecular indicó la presencia de bacterias gram-negativas, principalmente Proteobacterias y Euryarchaeota., entre las que se encuentran bacterias desnitrificantes y metanogénicas. Al detectar la presencia de nanopartículas de plata en el efluente del reactor de lecho fluidificado inverso se decidió realizar la síntesis extracelular de nanopartículas de plata a partir del líquido proveniente del reactor. Se obtuvieron nanopartículas de plata con morfología irregular y tamaños entre 2 y 45 nm. Finalmente se realizaron pruebas para evaluar el efecto antibacteriano de las nanopartículas de plata biogénicas sobre células plantónicas y biopelículas de E. coli y S. aureus. El efecto antibacteriano fue más pronunciado ante E. coli que es un bacteria gram-negativa, sin embargo se observó que al combinarlas con otros compuestos como el peróxido de hidrógeno, su actividad antibacteriana aumenta. Durante esta investigación se observó también que la resistencia bacteriana incrementó con el tiempo, por lo que el efecto antibacteriano de las nanopartículas de plata fue menor en biopelículas con mayor madurez. Este trabajo es el primero en evaluar la recuperación de plata metálica en un reactor de lecho fluidificado inverso en una sola etapa, así como el primero en sintetizar nanopartículas de plata a partir de una biopelícula conformada por bacterias de digestión anaerobia.