COPA DE CIENCIAS 2014 “REDUCCIÓN DE CARGA MICROBIANA A BASE DE UN BIOFILTRO DE ARENA CON EMPAQUE ORGANICO DE JACARANDA” Categoría: Ambiental Autores

Gus tavo González Méndez Edad: 17 Domicilio: Ignacio Zaragoza #15 Zona centro Villagrán ,Guanajuato. Email: eluveitie_omnos@hotmail. com Teléfono: Casa --- Celular 044 (411) 125 10 92 Grado: 4to Semestre de bachiller

Féli x Leonardo Moreno Yáñez Edad: 19 Domicilio: Manuel Doblado #218 Zona Centro Cortázar, Guanajuato. Email: [email protected] Teléfono: Casa (411) 155 14 65 Celular 044 (411) 108 53 41 Grado: 4to Semestre de bachiller

Asesor: Rosalba Silva Granados Área de Especialidad: Ing. Bioquímica en Biotecnología Teléfono:(461)-108-9986 Correo electrónico:[email protected]

Diana Guadalupe Domínguez Palizada Edad: 17 Domicilio: D.F #107 A Colonia: Chapingo Cortazar, Guanajuato. Email: [email protected] Teléfono: Casa (411) 155 40 18 Celular 044 (411) 105 14 34 Grado: 4to Semestre de bachiller

Científico Calificado: Miguel Ángel Quintana Aguado Área de Especialidad: Bioingeniería en Fermentaciones Correo electrónico:[email protected]

“REDUCCIÓN DE CARGA MICROBIANA A BASE DE BIOFILTRO DE ARENA CON EMPAQUE ORGANICO DE JACARANDA”

RESUMEN El agua es un elemento indispensable para el funcionamiento y desarrollo de nuestras sociedades. No sólo nosotros dependemos del agua para subsistir, también los bosques, selvas y otras comunidades naturales, el agua es indispensable tanto para la supervivencia de las plantas y los animales. Actualmente existe una problemática acerca de la disponibilidad de agua, la cual se agrava si consideramos que mucha de la que podríamos utilizar no tiene las características que requerimos o bien está contaminada. La calidad del agua radica principalmente en los materiales y sustancias que lleva disueltos o en suspensión y los organismos que ahí se encuentran. Para determinar dicha calidad se cuantifican parámetros físicos, químicos y biológicos. La presencia de cantidades excesivas de materia orgánica, nutrientes, metales pesados y substancias químicas en el agua constituyen uno de los más inquietantes problemas a los que están confrontados la mayoría de los países del mundo. Por esta razón en los últimos años se han desarrollado ciertos procesos de biofiltración de lecho orgánico con el fin de resolver esta problemática. Este proceso está basado en la capacidad que tienen ciertos medios orgánicos de actuar como resinas capaces de fijar diferentes substancias contaminantes mediante mecanismos de adsorción/absorción y de favorecer la implantación de microorganismos capaces de biodegradar los contaminantes retenidos. De acuerdo a este dispositivo y en conjunto con el metabolito secundario de la Jacaranda (Jacaranda mimosifolia), que en base a los estudios realizados por Lema A. (2013) se afirma que posee propiedades antiséptica, antiamebiana, antitumoral y espasmolítica, llegamos a la pregunta ¿Se podrá obtener una reducción de carga microbiana en aguas residuales de dren Merino a partir del uso de un biofiltro y la extracción del metabolito secundario de la jacaranda? Este dispositivo pretende ser una de las mejores alternativas para el tratamiento de aguas residuales, además de generar en gran impacto socio-económico. Palabras clave: Biofiltración, aguas residuales, metabolito secundario, microorganismos.

ABSTRACT Water is an essential element for operation and development of our societies. Not only human beings depend on the water for subsist, also forests, jungles and others natural communities, the water is essential for both, plants and animals survival. Currently, there is a problem about the water availability, which it makes worst when we consider that most of this that we could use don´t have the characteristics we require or is contaminated. Water quality resides mainly in materials and substances dissolved or suspended and microorganism that are contained. To determine the water quality, it needs to quantify physical, chemical and biological parameters. The problem ofexcess in organic matter, nutrients, heavy metals and chemicals, in water, constitutes one of the main concerns in most of the countries around the world. For this reason, in the last years it have been developed certain processes of biofiltration by organic bed with the porpoise to reduce microbiological charge in water. This process is based in the capacity that have certain organic matter to act as natural resin capable of fixing different polluted substances through adsorption/absorption mechanisms and benefit the implantation of microorganisms capable of biodegrade the retained contaminants. According this device and in conjunction with the secondary metabolite of the Jacaranda, that are based to the studies realized by Lema A. (2003) is affirmed that it has antiseptic, antiamebiana and spasmolytic, properties, according to this we generate the next question ¿Could we obtained a reduction of microbial charge in wastewater of drain Merino using a biofilter besides the extraction of a secondary metabolite of the Jacaranda?. This device pretendsto be one of the best alternative for the treatment wastewater, also to generate an important socioeconomic impact. Keywords: Biofiltration, wastewater,secondary metabolite,microorganisms.

JUSTIFICACIÓN El uso del agua potable es indispensable para cada uno de los seres vivos en el mundo. Actualmente existe una gran problemática con el agua residual y el tratarla lleva grandes procesos y costos muy altos. En distintas investigaciones se ha demostrado que el tratamiento de aguas residuales en regiones aisladas enfrenta serias dificultades técnicas y económicas asociadas a la contaminación. Una solución lógica es la de tratar los efluentes con tecnologías de tipo pasivo que necesitan muy poca intervención técnica. El conocimiento adquirido con las investigaciones sobre aguas residuales ayudara a manejar de una mejor manera la purificación del agua residual con ayuda de un biofiltro, el cual tendrá un metabolito secundario de una planta con propiedades de inhibición microbiana. El uso de dicho metabolito secundario ayudara a reducir la carga microbiana de las aguas residuales a tratar. Para su uso será necesario conocer a fondo las propiedades del metabolito secundario y su método de extracción. La jacaranda es una buena opción para la obtención de dicho metabolito secundario, ya que esta es utilizada por la población como planta medicinal para curar las afecciones sifilíticas, combatir afecciones cutáneas, neuralgias y dolores de los huesos, también para curar hemorroides, varices, afecciones del hígado, eczemas, forúnculos y todo aquello que tenga que ver con las impurezas de la sangre. Ademásde acuerdo a Lema A. (2013) la Jacaranda posee propiedades antisépticas, antiamaebiana, antitumoral y espasmolítica. Para poder hacer un buen uso del metabolito secundario y que este se extraiga de una forma adecuada seguiremos varios procesos para la recolección, muestreo, transporte y conservación del material vegetal para su procesamiento. Con todo esto nosotros pretendemos conseguir una bioalternativa de tratamiento de aguas residuales más accesible y segura para la reducción de la carga microbiana en las aguas residuales de zonas rurales

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El fenómeno de la contaminación del agua no es nuevo pues ha acompañado al hombre en toda su historia. Sin embargo, el deterioro más severo y extendido de los ríos y lagos del mundo se ha dado a partir del siglo XVIII con el inicio de la revolución industrial y la implantación de una variedad de procesos de transformación que empleaban grandes volúmenes de agua y, en consecuencia, también generaban enormes cantidades de agua de desecho que contaminaba los ríos y lagos donde se vertía. En ese entonces la prioridad era incrementar la producción y muy poca atención se le prestaba a los daños que ocasionaban al ambiente. Desde entonces se veía a los ríos y lagos como enormes depósitos donde se podían echar sin problema sus desechos ya que se los llevaba lejos (para el caso de los ríos) o bien, se diluían y descomponían de manera natural. El problema de la contaminación del agua es un problema mundial: Los ríos Amarillo en China, el Ganges en la India y el Amur Daria en Asia Central son quizá los ejemplos que en muchos libros se describen como los casos típicos y graves de contaminación, pero en México también tenemos casos de los que no podemos sentirnos nada orgullosos. Además de los ríos que alguna vez corrieron por el valle de México y que ahora están convertidos en canales de desagüe, ciertas zonas de los ríos Lerma y Santiago en el centro del país, el Pánuco, el Balsas y el Río Tijuana son buenos ejemplos de los muchos ríos y lagos mexicanos que tienen serios problemas con la calidad de sus aguas.

Figura 1. “Distribución mundial del agua”

Debido a que los ríos y lagos frecuentemente se encuentran en las “partes bajas” de las cuencas, es fácil imaginarse que la calidad del agua que tienen depende, en gran parte, de los usos que se les da a los terrenos que se encuentran alrededor y de los desechos que directamente echan las fábricas y los sistemas de drenaje de las ciudades y pueblos cercanos. Consecuencia de esto un porcentaje

muy bajo de aguas tanto municipales como industriales son tratadas en un porcentaje de 36% y 15% respectivamente. (fig.2).

Figura 2.“Tratamiento de aguas residuales municipales e industriales”

Algunas de las causas probables del problema se presentan a continuación: Hace cerca de 10 años el Instituto Nacional de Ecología y la entonces Secretaría del Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (SEMARNAP, 2001)presentaron un trabajo donde se recopiló la información disponible de la calidad de ambientes costeros en el país. No obstante que el mismo estudio menciona que no había información suficiente, las conclusiones no fueron optimistas. Se encontró evidencias de contaminación por compuestos orgánicos e hidrocarburos (petróleo) y metales pesados en varias zonas marinas del país y prácticamente en todos los casos examinados se detectó contaminación por coliformes fecales y sedimentos. Unas de las soluciones posibles a este gran problema de la contaminación del agua son: * Disminuir la cantidad de agua residual y la concentración de contaminantes que contienen. * Reducir los contaminantes que llevan las aguas antes de ser vertidas a los ríos, lagos y mares a través de un tratamiento que los retenga o elimine.

* Cuidar que los ríos, lagos y mares se mantengan en buenas condiciones para que puedan de manera natural procesar una buen parte de los desechos que son vertidos en ellos. Otras alternativas importantes y eficaces para reducir la contaminación del agua podrían ser: Tratar los efluentes con tecnologías de tipo pasivo que necesitan muy poca intervención técnica. El proceso de biofiltración de lecho orgánico se ha desarrollado en los últimos años con el fin de resolver esta problemática y satisfacer las necesidades de saneamiento de estos importantes sectores socioeconómicos. Otra forma eficaz y poco común es la de extraer el metabolito secundario de una planta con propiedades inhibidoras de carga microbiana y añadirlo a un biofiltro. En este caso el metabolito secundario será de la jacaranda el cual se le atribuye propiedades antisépticas, antiamaebiana yotrasmás, donde el metabolito más rico en principios activos se encuentra en la corteza de dicha planta. Sus principales metabolitos son: el ácido jacarándico, jacaranona, ácido jacoumárico, ácido ursólico y otras sustancias como los flavonoides (Fig. 3)

Fig. 3. “Acido ursólico” Con base a la informacion y la importancia que tiene el combatir este problema nos hacemos la siguiente pregunta: “¿Se podrá obtener una reducción de carga microbiana en aguas residuales de dren merino a partir del uso de un biofiltro y la extracción del metabolito secundario de la jacaranda?” OBJETIVO GENERAL: Obtener una reducción de carga microbiana en aguas residuales con el uso de un biofiltro de arena y la extracción y uso de los metabolitos secundarios de la jacaranda.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1.- Demostrar la eficiencia de un biofiltro de arena en el tratamiento de aguas residuales. 2.- Determinar si el uso del metabolito secundario de la jacaranda es eficiente en la desinfección del agua residual. 3.- Diseñar un dispositivo en donde se combine la eficiencia del biofiltro de arena y las propiedades inhibidoras del metabolito secundario de la jacaranda.

MARCO TEORICO: Los primeros reportes del uso de estos sistemas datan de 1923 y se utilizaron para remover el azufre (H2S) proveniente de una planta de tratamiento de aguas residuales. Los primeros biofiltros fueron sistemas abiertos en los que se empleaba suelo poroso como soporte. Se hacían huecos en el suelo y se colocaba un sistema de tubos perforados en la base que dejaban pasar aire a través del suelo. A partir de 1950 se instalan biofiltros de tierra para el tratamiento de olores en California, E.U.A. y en Nuremberg, Alemania (Leson y Winer 1991). En la década de 1970, los nuevos diseños de biofiltros permitieron mayores cargas de olores y compuestos volátiles. Los sistemas seguían siendo abiertos pero con una modificación en la distribución del aire para evitar el taponamiento y se utilizaron nuevos materiales de empaque, tales como mezclas de compostas y trozos de madera (Ottengraff et al. 1986). El proceso BIOSOR (biofiltración mediante empaque orgánico), por ejemplo permite tratar simultáneamente efluentes líquidos y gaseosos utilizando empaques orgánicos (Buelna, 2000, 2004, 2005; Buelna et al. 1998). Esta tecnología se basa en la capacidad que tienen ciertas biomasas de actuar como una resina biológica natural, capaz de fijar diferentes substancias contaminantes y de favorecer la implantación de microorganismos capaces de biodegradarlas en CO2, N2 y H2O.Los resultados obtenidos muestran que la biofiltración sobre lecho orgánico constituye una tecnología robusta, segura, simple y eficaz, adaptada a la problemática ambiental, y por ende hacen de él una bio-alternativa de tratamiento de aguas residuales adaptada a las condiciones socio-económicas de varios países. En la biofiltración, los microorganismos son los responsables de la degradación biológica de los contaminantes contenidos en corrientes de agua residual. Las bacterias responsables para la degradación de la materia orgánica, utilizan la superficie del lecho filtrante para la formación de una película bacteriana y de esta

manera existe una población bastante estable que no puede ser arrastrada hacia la salida. (Gaus, M. et. al., 2004). La biofiltración en lecho orgánico permite eliminar más de 95% de la DBO 5 (Demanda Bioquímica de Oxigeno) y SS (Sólidos Sedimentados), más del 90% del N-NTK, cuatro unidades logarítmicas de coliformes y desodorizar el agua tratada según Buelna, G. et al (mayo 2011). En cuanto aluso de la Jacaranda (Jacaranda mimosifolia) para la reducción de la carga microbiana en las aguas residuales,Lema A. (2013) menciona que la jacaranda es utilizada como planta medicinal por la población de Colombia para curar ciertas enfermedades. A continuación se mencionan algunos de sus usos: La decocción de la corteza o de las raíces se utiliza en lavados para cicatrizar úlceras, artritis, várices, varicela, llagas rebeldes. Por vía oral se usa para curar el paludismo, la sífilis, blenorragia, diabetes, dolor en los huesos, reumatismo y artritis, en forma de gargarismos, para sanar las afecciones de la garganta. La decocción o el jarabe de las hojas o de la corteza, tomada por vía oral o aplicada en baños calientes sobre la parte afectada, se recomienda para aliviar la sífilis así como otras enfermedades venéreas, cutáneas o reumáticas, la soriasis. El polvo de las hojas secas, espolvoreando sobre las úlceras, se emplea como desinfectante de heridas abiertas. Además se le atribuye propiedades antisépticas, antiamebiana, antitumoral y espasmolítica.

Fig. 4. “Árbol de Jacaranda Mimosifolia”

Los principales metabólitos reportados a nivel del género de la Jacaranda es el ácido jacarándico, jacaranona, ácido jacoumárico, ácido ursólico y otras sustancias como los flavonoides. Figura (5). La parte más rica en principios activos es la corteza.

Fig.5. “Principales metabolitos de la jacaranda (jacaranona, metil jacaranona, acido jacoumarico)”

De acuerdo a toda esta información cabe mencionar que un biofiltro con la implementación de corteza de la Jacaranda podría ser una solución para la desinfección de aguas residuales ya que es de fácil construcción, manejo, mantenimiento y porque podrá reducir los impactos negativos producidos por las aguas residuales y no se generara daño alguno por la obtención de la Jacaranda, ya que esta es una planta de fácil acceso y la cantidad a usar no será la suficiente como para generar un impacto negativo en el medio ambiente. HIPOTESIS: Hipótesis de investigación (Hi): Se obtendrá una reducción de carga microbiana en aguas residuales a base del diseño de un biofiltro de arena y la extracción de los metabolitos secundarios de la jacaranda. Hipótesis nula (Ho): No se obtendrá una reducción de carga microbiana en aguas residuales a base del diseño de un biofiltro de arena y la extracción de los metabolitos secundarios de la jacaranda.

METODOLOGIA A) TIPO Y DISEÑO GENERAL DEL ESTUDIO El tipo de estudio a efectuar será de investigación aplicada o tecnológica, ya que pretendemos obtener nuevos conocimientos técnicos acerca de un problema de orden ambiental y su posible solución.

Para lo cual utilizaremos un diseño de biofiltro de arena CAWST adicionando un metabolito secundario de la Jacaranda previendo su diseño, construcción, instalación, operación y mantenimiento.

Figura 6.Biofiltro de arena CWAST

Para lo cual manejaremos el siguiente diseño factorial de 23 con cuatro replicas. Orden Est

Orden Corrida

Pt Central

6 5 2 15 11 8 16 4 3 14 10 1 7 13 12 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Bloques Numero de Espesor del Diámetro de Empaques Empaque la Corteza (cm) (mm) 1 3 10 3-8 1 2 10 20-40 1 3 10 3-8 1 2 15 3-8 1 2 15 3-8 1 3 15 20-40 1 3 15 20-40 1 3 15 20-40 1 2 15 3-8 1 3 10 3-8 1 3 10 3-8 1 2 10 20-40 1 2 15 3-8 1 2 10 20-40 1 3 15 20-40 1 2 10 20-40

B) DEFINICION OPERACIONAL DE LAS VARIABLES: Al agua residual tratadapor nuestro biofiltro de arena se le aplicaran las siguientes variables independientes: espesor del lecho orgánico, numero de capas, forma del lecho orgánico (entera, trozos o triturada). Y como variable dependiente la reducción de la carga microbiana en el agua residual, a la cual determinaremos distintos parámetros como: cuantificación de Coliformes fecales, Coliformes totales y Mesófilos aerobios; además de análisis físico-químicos, tales como: alcalinidad total, dureza, pH, cloruros, fosfatos, sólidos disueltos, conductibilidad específica, olor y color. C) UNIVERSO DE ESTUDIO, SELECCIÓN Y TAMAÑO DE MUESTRA, UNIDAD DE ANÁLIS Y OBSERVACIÓN: Nuestro universo de estudio serán las aguasresiduales provenientes de la planta de tratamiento del “Dren Merino” del municipio de Cortázar Guanajuato. La cantidad de agua que trataremos será de aproximadamente 20 litros, de la cual solamente 500-1000 ml serán usados para su análisis. A la muestra se le realizaran análisis microbiológicos y físicos-químicos antes y después de la filtración para de tal manera poder determinar una mejora en la calidad del agua y sobre todo para comprobar si obtuvo una reducción de la carga microbiana. D) PROCEDIMIENTOS PARA LA RECOLECCION DE INFORMACION, INSTRUMENTOS A UTILIZAR Y MÉTODOS PARA EL CONTROL DE LA CALIDAD DE LOS DATOS. Método para la cuantificación de Coliformes totales y fecales Para la cuantificación de microorganismos Coliformes totales en tubo por el método de número más probable (NMP) utilizaremos la Norma Oficial Mexicana (NOM-112-SSA1-1994). Método para la cuantificación de bacterias mesófilas aerobias en placa Para la cuantificación de bacterias mesófilas aerobias en placa utilizaremos la Norma Oficial Mexicana (NOM-092-SSA1-1994). NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-003-ECOL-1997 Establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reúsen en servicios al público. NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-127-SSA1-1994, salud ambiental, agua para uso y consumo humano. Límites permisibles de calidad y tratamiento al que debe someterse el agua para potabilización.

Biofiltro de arena BIBLIOGRAFIAS http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/2560/1/56T00327.pdf http://www.itacanet.org/esp/agua/Seccion%206%20Tratamiento%20de%20agua/Biofiltro%20de%20aren a%20CAWST.pdfhttp://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/caliagua/mexicona/R-0060.pdf *Buelna, G., M. Garzón - Zúñiga y G. Moeller - Chávez (2011). “Los biofiltros de empaque orgánico una alternativa simple y robusta y eficiente para el tratamiento de aguas residuales en zonas rurales”, Ide@s, CONCYTEG. 6(71), pp.540-551

*Buelna, G., y G. Belanger (1991). METHOD OF PRE-TREATING PEAT FOR USE IN BIOFILTERS FOR WASTEWATER TREATMENT AND USE THEREOF. Canada. *Espejel, M y C. Reina-Blanco (2011). “Las plantas se defienden con metabolitos secundarios terpenos y alcaloides”. México D.f.

OBSERVACIONES: Nuestros primeros resultados del filtro testigo con las pruebas microbiológicas resultaron con un alto porcentaje de carga microbiana pero no nos habíamos percatado de que las cajas con la muestra estaban en las resistencias de la incubadora lo cual alteraron su temperatura y por consecuencia alteraron los resultados además de que no se había dejado reposar el filtro con agua normal lo cual modifico nuestra biocapa. Debido a que en la construcción de cada filtro nos llevamos alrededor de 1 semana se siguió utilizando y analizando el filtro testigo y nuestros segundos resultados resultaron se modificaron debido a que nosotros no somos los únicos que entramos a el laboratorio donde trabajamos entran muchos grupos más. Para unas semana después estuvo otro filtro más entonces se llenaron dos (filtro testigo y filtro con empaque orgánico) y como había poco espacio dentro del laboratorio y por accidentes ocurridos anteriormente que hacían que tardáramos mas en nuestra construcción de filtros, uno de nuestros asesores nos propuso llevar los filtros a un pequeño almacén que está en la parte trasera de nuestro laboratorio y así lo hicimos. De tal manera que ambos filtros ya estaban llenos y estaban en los días en que se tenían que reposar; a diario se observaban y notábamos sus cambios pero en el día 5 nos percatamos que el agua de nuestro filtro con empaque orgánico estaba produciendo burbujas en la superficie de este además de que tenía un olor muy ácido y el sobrenadante estaba de un color muy obscuro por lo cual se llegó la conclusión de que se fermento, debido a que existe muy buenas condiciones para producir una fermentación y también influyo que se tapó con bolsas negras.

”Filtro testigo y filtro con empaque orgánico fermentado”

Por otra parte ese mismo día el filtro testigo presento muestras de gusanos y larvas en la parte superior de este ya que el almacén donde se estaban guardando esta al aire libre y ahí existe mucho mosquito debido a que hay mucha flora alrededor de este.

”Filtro testigo, contaminación”

”Lavado de filtro fermentado” Se llegó a la conclusión de que no era este el mejor lugar para mantener nuestros filtros, tomando en cuenta que también cuando comenzáramos a filtrar en lo que se llevaba la muestra al laboratorio habrá más contaminación entonces se lavó y preparamos el material necesario para nuevamente llenar ambos filtros. Actualmente ya contamos con el tercer filtro. El filtro testigo se llenó el día 6 de junio de 2014 ya lleva casi dos semanas de reposo para la formación de la bicapa y el lunes 23/junio/2014 se procederán a los primeros análisis microbiológicos y fisicoquímicos al agua antes y después de la biofiltracion. Los otros dos filtros se estuvo analizando la situación y se llegó a la conclusión junto con nuestra asesora que debido a que la corteza es la más rica en principios activos, fue mucha la cantidad agregada al filtro por esa razón ambos filtros actualmente están con un solo empaque orgánico de 5cm un filtro es con solo corteza mientras que el otro es con residuos de poda del mismo árbol (jacaranda mimosifolia) incluyendo ramas y hojas. El filtro con residuo de poda se llenó el día 18/junio/2014 y el que contiene solo corteza 19/junio/2014. Si no existe otro percance mas se estarán realizando las primeras filtraciones y análisis el día 10/julio/2014 aproximadamente.