Aprovechamiento integral de la especie invasora pez diablo en el desarrollo de tecnologías para la remoción de contaminantes en agua y un análisis de ciclo de vida de su implementación

Abstract

RESUMEN. La pérdida de biodiversidad es catalogada como uno de los cinco problemas ambientales globales que deben ser atendidos a nivel mundial. Una de las causas de este problema obedece a la introducción de especies exóticas invasoras que provocan diferentes desequilibrios ecológicos en ecosistemas terrestres y acuáticos. Una de las mayores amenazas para la biodiversidad de los ecosistemas acuáticos continentales, y para las pesquerías de agua dulce en México, son las especies invasoras de la familia Loricariidae. Especies de esta familia corresponden al género Pterygoplichthys spp., conocidas comúnmente como “pez diablo”. El pez diablo fue introducido en México hace más de dos décadas provocando diferentes impactos negativos ambientales, como la alteración de la dinámica y funcionamiento de los elementos bióticos y abióticos que integran un ecosistema; y socioeconómicos, como la pérdida de la economía y actividad pesquera de la venta de tilapia. En consecuencia, el manejo sostenible de estas especies es crucial para la conservación de la biodiversidad y el bienestar del ser humano, siendo uno de los retos el aprovechar de manera integral y sostenible la biomasa del pez diablo, de manera que se pueda tener un mayor control en su invasión biológica, utilizándolo como materia prima para la obtención de materiales que puedan ser aplicados como tecnología alternativa en los tratamientos convencionales existentes para la remoción de contaminantes en agua. Entonces, el objetivo central de este proyecto fue evaluar el desempeño de tecnologías ambientales alternativas para la remoción de contaminantes en agua desarrolladas a partir del aprovechamiento integral y sostenible de la biomasa de la especie invasora pez diablo, haciendo un análisis de ciclo de vida de su implementación. El logro de este objetivo fue alcanzado a través del desarrollo de cuatro etapas que incluyeron: 1) La producción de bioenergía a partir de la biodegradación de ibuprofeno en Celdas de Combustibles Microbianas (CCM), utilizando un bioánodo fabricado a partir del carbonizado de hueso del pez diablo; 2) La producción de bioenergía a partir de la biodegradación de carbamazepina en CCM, utilizando dos tipos de bioánodos fabricados a partir del carbonizado de hueso del pez diablo; 3) La remoción de contaminantes en aguas residuales de una industria cerámica y una granja acuícola usando un coagulante natural producido a partir de la carne del pez diablo; y, 4) La evaluación de los impactos ambientales generados en la implementación de las tecnologías ambientales propuestas a partir de un análisis de ciclo de vida. En la primera etapa, el hueso del pez diablo fue sometido a calcinación sin utilizar un gas inerte. Se fabricó un bioelectrodo a partir del carbonizado de hueso obtenido para ser utilizado de forma autónoma como bioánodo en una CCM. Fieltro de carbón fue el ánodo convencional empleado en una segunda CCM, la cual permitió comparar el desempeño del bioánodo. Las CCM fueron operadas en una sola cámara de forma cúbica con volumen de 100.54 mL bajo condiciones anaerobias, pH neutro y temperatura ambiente. 1.2 g de suelo fueron usados como inóculo, y 50 mg/L de ibuprofeno (grado reactivo) como sustrato. El desempeño de las CCM fue evaluado a través de una caracterización electroquímica y fisicoquímica para estimar la producción de bioenergía obtenida a partir de la biodegradación del contaminante en agua. En este trabajo, se comprueba que el bioánodo fabricado tuvo un mejor desempeño que el ánodo convencional, por lo que representa un material alternativo y de bajo costo que puede ser utilizado para la fabricación de bioelectrodos de CCM. En la segunda etapa, el hueso del pez diablo fue sometido a calcinación bajo dos vías de síntesis, la primera en una atmósfera de nitrógeno, y la segunda en aire. El primero presentó una mayor área específica, por lo que, se fabricaron dos bioelectrodos a partir de los carbonizados de hueso y se utilizaron de forma autónoma como bioánodos en una CCM, especulando que el de nitrógeno tendría un mejor desempeño. Asimismo, fieltro de carbón fue el ánodo convencional empleado en una tercera CCM. Las CCM fueron operadas en una sola cámara de forma cilíndrica con volumen de 151 mL bajo condiciones anaerobias, pH neutro y temperatura ambiente. 1.5 g de suelo fueron usados como inóculo, y 50 mg/L de carbamazepina (grado reactivo) como sustrato. Las CCM fueron caracterizadas electroquímica y fisicoquímicamente. Este trabajo comprobó que el bioánodo fabricado con el carbonizado de hueso calcinado con nitrógeno no muestra un mejor desempeño significativo respecto al calcinado con aire, por lo que la diferencia entre ambos bioánodos puede despreciarse. Asimismo, se obtuvieron mejores resultados utilizando bioánodos que fieltro de carbón. Además, se vio más favorecida la producción de bioenergía a partir de la biodegradación de carbamazepina que la de ibuprofeno. En la tercera etapa, se evaluó la efectividad de un coagulante natural producido a partir de harina de pez diablo y dos coagulantes químicos (sulfato férrico y sulfato de aluminio) para determinar la eficiencia de remoción de turbidez, demanda química de oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos totales (SST) de las aguas residuales de una industria cerámica y una granja acuícola utilizando un diseño experimental combinado de Mezcla-Proceso-Cualitativo. Este diseño optimizó los procesos de coagulación y evaluó los efectos e interacciones entre los componentes de la mezcla y las dosis de coagulante mediante un análisis ANOVA y gráficas de superficie de respuesta 3D. Los resultados mostraron que el tratamiento de coagulación para las aguas residuales de la granja acuícola podría ser técnica y económicamente más factible que las aguas residuales de la industria cerámica, ya que se lograron obtener eficiencias de remoción aproximadas al 100 % usando una baja dosis de coagulante (200 mg/L). Estos resultados muestran que es posible utilizar la harina de pez diablo como un coagulante natural en el tratamiento del agua, principalmente en sistemas duales cuando se mezcla con coagulantes químicos. En la cuarta etapa, se muestran los resultados del análisis de ciclo de vida (ACV) realizado para la evaluación de los impactos ambientales de las tecnologías ambientales desarrolladas con la biomasa de pez diablo y su implementación. Los casos de estudio presentados son: 1) La producción de un bioánodo fabricado a partir del carbonizado de hueso de pez diablo sintetizado vía nitrógeno y vía aire. 2) La producción de bioenergía a partir de la biodegradación de ibuprofeno y carbamazepina utilizando los bioánodos fabricados en CCM. 3) La producción de un coagulante natural a partir de la carne de pez diablo. 4) El tratamiento de aguas residuales de una industria cerámica y una granja acuícola empleando el coagulante natural. La evaluación de impactos se hizo a partir de la metodología propuesta por la ISO 14,040, utilizando el software SimaPro 9.2 (versión de prueba) y el Método ReCiPe 2016 de punto medio con perspectiva individualista. Los resultados mostraron las categorías de impacto en las que hubo una mayor aportación de cargas ambientales positivas y negativas, generando una serie de recomendaciones en la que los impactos negativos podrían reducirse. Por lo tanto, el ACV resultó ser una herramienta útil para tomar decisiones en el desarrollo e implementación de tecnologías ambientales, por lo que a partir de estos resultados se pueden efectuar acciones de mejora que permitan convertir estos productos y tecnologías en procesos sustentables.

ABSTRACT. The loss of biodiversity is one of the five global environmental problems that must be addressed worldwide. One of the causes of this problem is the introduction of invasive alien species that cause different ecological imbalances in aquatic and terrestrial ecosystems. One of the greatest threats to the biodiversity of inland aquatic ecosystems and freshwater fisheries in Mexico is the invasive species of the Loricariidae family. Species of this family correspond to the genus Pterygoplichthys spp., commonly known as "devilfish." The devilfish was introduced in Mexico more than two decades ago, causing different negative environmental impacts, such as the alteration of the dynamics and functioning of the biotic and abiotic elements that make up an ecosystem; and socioeconomic, such as the loss of the economy and fishing activity from the sale of tilapia. Consequently, the sustainable management of these species is crucial for the conservation of biodiversity and the well-being of human beings. One of the challenges is to take full and sustainable advantage of the biomass of the devilfish so that by causing its death, it can have greater control in its biological invasion, using it as a raw material to obtain materials that can be applied as an alternative technology to existing conventional treatments for removing contaminants in water. So, the central objective of this project was to evaluate the performance of alternative environmental technologies to remove pollutants in water developed from the integral and sustainable use of the biomass of devilfish invasive species, making a life cycle analysis of its implementation. This objective was achieved through the development of four stages that included: 1) Producing bioenergy from ibuprofen biodegradation in Microbial Fuel Cells (MFC), using a bioanode manufactured from devilfish bone char; 2) Producing bioenergy from carbamazepine biodegradation in MFC, using two types of bioanodes fabricated from devilfish bone char; 3) Removing contaminants in ceramic industry and fish farm wastewaters using a natural coagulant produced from devilfish meat; and, 4) Evaluating the environmental impacts generated in implementing the proposed environmental technologies based on a life cycle analysis. In the first stage, the devilfish bone was subjected to calcination without using an inert gas. A bioelectrode was fabricated from devilfish bone char and used autonomously as a bioanode in MFC. Carbon felt was the conventional anode used in a second MFC, which allowed comparing the bioanode performance. Both MFC were operated in a single cubic chamber with a volume of 100.54 mL under anaerobic conditions, neutral pH, and room temperature. 1.2 g of potting soil were used as inoculum and 50 mg/L ibuprofen (reagent grade) as substrate. MFC performance was evaluated by electrochemical and physicochemical characterization. The bioenergy production from contaminant biodegradation was estimated. This work verified that the fabricated bioanode had a better performance than the conventional anode, representing an alternative and low-cost material to fabricate MFC bioelectrodes. In the second stage, the devilfish bone was calcined under two synthesis pathways: nitrogen atmosphere and air atmosphere. The first one presented a higher specific area, so two bioelectrodes were fabricated from the bone chars and used autonomously as bioanodes in a CCM, speculating that the nitrogen one would perform better. Likewise, carbon felt was the conventional anode used in a third MFC. The three MFC were operated in a single cylindrical chamber with a volume of 151 mL under anaerobic conditions, neutral pH, and room temperature. 1.5 g of potting soil were used as inoculum and 50 mg/L carbamazepine (reagent grade) as substrate. The MFC was electrochemically and physiochemically characterized. This work verified that the bioanode fabricated with bone char calcined in nitrogen does not show a significantly better performance than bone char calcined in air, so the difference between both bioanodes can be neglected. Likewise, better results were obtained using bioanodes than carbon felt in MFC. Furthermore, bioenergy production from carbamazepine biodegradation was more favored than ibuprofen biodegradation. In the third stage, the effectiveness of a natural coagulant produced from devilfish meal and two chemical coagulants (ferric sulfate and aluminum sulfate) was evaluated to determine the removal efficiency of turbidity, chemical oxygen demand (COD), and Total Suspended Solids (TSS) in ceramic industry and fish farm wastewaters using a mixed Mixture-Process-Qualitative experimental design. This design optimized the coagulation processes and evaluated the effects and interactions between the mixture’s components and coagulant doses through an ANOVA analysis and 3D response surface plots. The results showed that coagulation treatment for fish farm wastewater could be technically and economically more feasible than ceramic industry wastewater since removal efficiencies of approximately 100 % were achieved using a low coagulant dose (200 mg/L). These results show that it is possible to use devilfish meal as a natural coagulant in water treatment, mainly in dual systems when mixed with chemical coagulants. In the fourth stage, the life cycle analysis (LCA) was performed to evaluate the environmental impacts of the technologies developed with the devilfish biomass and their implementation. The case studies presented were: 1) The fabrication of a bioanode from devilfish bone char calcined via nitrogen and air. 2) Bioenergy production from ibuprofen and carbamazepine biodegradation using the bioanodes in MFC. 3) The production of a natural coagulant from devil fish meat. 4) The treatment of wastewater from a ceramic industry and fish farm using the natural coagulant. The impact assessment was carried out based on the methodology proposed by ISO 14,040, using the SimaPro 9.2 software (test version) and the ReCiPe 2016 midpoint method with an individualistic perspective. The results showed the impact categories in which there was a more significant contribution of positive and negative environmental loads, generating recommendations to reduce the negative impacts. Therefore, the LCA turned out to be a valuable tool for making decisions in developing and implementing environmental technologies. Based on these results, improvement actions can be performed to convert these products and technologies into sustainable processes.