Remoción de Pb2+ en fase acuosa mediante sistemas por lote y continuo utilizando un bioadsorbente queratinoso biodegradable

Abstract

En el presente trabajo de investigación se evaluó la utilización de la pluma de pollo modificada mediante un proceso de oxidación como adsorbente para la remoción de plomo en sistemas líquidos tanto en estado estacionario como continuo y la posterior degradación del complejo obtenido en el proceso de remoción mediante un consorcio adicionado con P. putida, los cuales cuentan con capacidad queratinolítica – tolerante a plomo. Primeramente se llevó a cabo la obtención y caracterización de tres materiales, los cuales fueron la pluma de pollo sin tratamiento, la pluma coloidizada con H3PO4 y la pluma oxidada con H2O2 5%, y posteriormente fueron evaluados en cuanto a su capacidad de adsorción de Pb2+ mediante un diseño experimental de Box-Behnken con tres variables y tres niveles cada una para seleccionar el material con los mejores resultados y mediante las superficies de respuesta obtenidas determinar las mejores condiciones de operación. Al comparar las cargas obtenidas para cada material, se observó que la pluma oxidada obtuvo los mejores resultados y como condiciones óptimas del proceso de adsorción se seleccionaron 30 °C, pH 3.3 y nula agitación. Posteriormente, con estas condiciones se realizaron isotermas en un intervalo de temperatura de 5 a 60 °C y se analizaron mediante los modelos de Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich y Langmuir, siendo este último el que describe de mejor manera el proceso de adsorción y el cual define como capacidad máxima de la pluma oxidada 18.5 mg/g en promedio dentro del intervalo de temperaturas analizado. Además, el proceso de adsorción se describió termodinámicamente mediante la Energía libre de Gibbs (ΔG°), Entalpía (ΔH°) y Entropía (ΔS°), los cuales indicaron que el proceso es favorable y espontáneo, ligeramente irreversible y que cuenta con dos etapas en cuanto a su carácter térmico ya que antes de 15 °C el proceso tiene un comportamiento endotérmico y arriba de 15 °C es exotérmico, lo cual sumado a los resultados anteriores indica que el proceso de adsorción se lleva a cabo mediante una combinación de fisisorción y quimisorción. En cuanto a su comportamiento cinético, se evaluaron sistemas con diferentes concentraciones iniciales y se realizó el ajuste a los modelos de Pseudo-primer orden, Pseudo-segundo orden, Elovich y de Difusión intraparticula, siendo el modelo de Pseudo-segundo orden el que obtuvo la mayor correlación y describe que el paso limitante en el proceso de adsorción son las interacciones químicas presentes entre los iones de Pb2+ y los sitios activos del adsorbente. Posteriormente se evaluó el proceso de adsorción en flujo continuo mediante el análisis de columnas empacadas donde se evaluó el efecto del caudal y concentración inicial sobre la capacidad del lecho, donde las curvas de rompimiento obtenidas se ajustaron a los modelos de Thomas, Clark, Adams-Bohart y Dosis-respuesta modificado, siendo éste último el que obtuvo una mayor correlación y denota que la transferencia de soluto hacia el adsorbente en la columna es la fuerza que conduce el proceso de adsorción. Además, la mayor capacidad de lecho se obtuvo (15.65 mg/g) al trabajar en un flujo de 1mL/min y una concentración de 300 mg/L. Para analizar el proceso de degradación del complejo obtenido en el proceso de adsorción, se monitorearon tres sistemas donde se evaluó la degradación de la pluma sin tratamiento, pluma oxidada (ambos como controles) y el complejo “pluma+Pb” mediante un consorcio queratinolítico aislado de residuos avícolas adicionado de P. putida mediante las siguientes determinaciones: proteína soluble, actividad queratinolítica, actividad proteolítica, actividad de lipasa, productos ninhidrina positivos, concentración de grupos –SH, pH, liberación de plomo al medio y Microscopia Electrónica de Barrido. De acuerdo a los resultados obtenidos, se observó que el proceso de degradación de los materiales queratinosos se llevó a cabo al detectar la presencia de actividades enzimáticas responsables de desestabilizar y desnaturalizar la pluma así como subproductos resultantes (proteína soluble y aminoácidos). Además, mediante las micrografías obtenidas se observó la colonización y el daño a la estructura de la pluma por acción de la biomasa durante el proceso de degradación. Finalmente se describió la diversidad del consorcio queratinolítico durante el proceso de degradación del complejo “pluma+Pb”, ya que durante la cinética de degradación se observó que los iones metálicos en el complejo fueron bioacumulados por la biomasa. Al observar la diversidad a nivel de familia y género se presentó mayor abundancia de géneros como Alcaligenes, Tissierella y Bacteroides, descritos en diversos trabajos tanto por su capacidad queratinolítica como de tolerancia a metales pesados. Debido a lo anterior, se comprobó el carácter biodegradable del complejo “pluma+Pb” obtenido del proceso de adsorción de Pb2+ utilizando pluma oxidada, lo cual describe una propuesta de biorremediación de Pb2+ completa.