BIODEGRADACIÓN ANAEROBIA DE COLORANTES TIPO AZO VÍA SULFATO-REDUCTORAS Guerrero Dimas María Elena, Roberto Briones Méndez, Ilangovan Kuppusamy* Coordinación de Bioprocesos Ambientales, Instituto de Ingeniería, UNAM Apdo. Postal 70-472, Coyoacán 04510, México D.F.

RESUMEN

Los colorantes tipo azo se les ha dado diferentes aplicaciones a nivel industrial, entre ellas figura el teñido de telas, de este proceso en especial se descargan aguas residuales con una elevada concentración de colorantes, los cuales son difíciles de tratar por procesos biológicos. En este trabajo se presentan resultados preliminares de la biodegradación anaerobia del colorante tipo azo marino terasil disperso en prueba batch. En la experimentación se efectuaron dos pruebas, la primera se llevó a cabo sólo con colorante a concentraciones de 100, 200, 400 y 800 mg/l y la segunda adicionando una fuente de carbono en forma de glucosa (100 mg/l) y sulfatos como aceptor de electrones en concentraciones de 50 a 250 mg/l. Se utilizó como inóculo, lodo granular proveniente de un reactor anaerobio tipo UASB que trata efluentes de una maltería. Los resultados obtenidos de la primera prueba muestran que existe una decoloración total del efluente y una limitada producción de metano con respecto al testigo. Sin embargo, se tiene una disminución de materia orgánica del 73%, a la concentración de 100 mg/l, posiblemente debida a la adsorción del colorante en el lodo de inóculo. En la segunda prueba, la producción de metano se ve más favorecida con la concentración de sulfatos de 150 mg/l. Aunque, la remoción de color fue total durante los primeros días, sólo se obtuvo una remoción de materia orgánica del 50 %, para la concentración de 100 mg/l de sulfatos. Con base en estos resultados podemos decir que el rompimiento del enlace azo, se da bajo condiciones anaerobias, y que posiblemente la adición de sulfatos favorece la actividad de las bacterias sulfato-reductoras para facilitar la degradación de las aminas resultantes de esa disociación.

Palabras clave: colorantes, compuestos azo, digestión anaerobia, marino terasil, sulfatorreducción

INTRODUCCIÓN

Los colorantes disueltos en las aguas residuales, representan un serio problema de contaminación; cuyo efecto no sólo se refleja en el cuerpo receptor final, al interferir en los procesos de vida acuática impidiendo el libre paso de la luz, sino que, afecta también de manera perjudicial la operación de plantas de tratamiento de aguas residuales de tipo municipal (Moreno, 1995). De los aproximadamente 100,000 colorantes que existen actualmente (Seshadri y Bishop, 1994), 3000 son azo, los cuales son utilizados ampliamente en las industrias textil, alimenticia, farmacéutica y cosmetológica (Ilangovan, 1995). La característica distintiva de estos compuestos es su doble enlace nitrógeno-nitrógeno (-N=N-), la molécula de estos colorantes puede tener uno o más enlaces de este tipo. El color de estos tintes catalogados como compuestos xenobióticos, se debe a los enlaces azo y a sus cromóforos. La mayoría de los colorantes azo no pueden ser decolorizados en condiciones aerobias, sin embargo, en ambientes anaerobios muchas bacterias pueden degradar estos compuestos hasta sus aminas correspondientes. Normalmente estos colorantes no poseen efectos citotóxicos, carcinogénicos o mutagénicos, pero si sus aminas (FitzGerald y Bishop, 1995). Existen evidencias que sugieren que las aminas aromáticas, resultado de la degradación parcial de los colorantes tipo azo son recalcitrantes bajo condiciones anaerobias (Field et al., 1995). Las primeras investigaciones acerca de la acción microbiana anaerobia para conocer los productos metabólicos resultantes de la reducción de los colorantes azo usados en los alimentos, se realizaron en el

intestino de los mamíferos. Posteriormente, estas fueron dirigidas hacia su aplicación en el área ambiental. Dubin y Wright, (1975), investigaron la reducción de varios colorantes azo de los alimentos por Proteus vulgaris. La decolorización anaerobia de los compuestos azo ha sido reportada usando microorganismos como Bacillus subtilis (Horitsu et al., 1977), Bacillus cereus (Wuhrmann et al., 1980) Pseudomonas cepacia (Ogawa et al., 1988; Ogawa y Yatome, 1990), Pseudomonas luteola (Hu, 1994), Pseudomonas stutzeri (Yatome et al., 1990) y Aeromonas hydrophila (Idaka y Ogawa, 1978; Yatome et al., 1987); así mismo, con la utilización de consorcios microbianos anaerobios. (Carliell et al., 1994; Ganesh et al., 1994; Haug et al., 1991; FitzGerald y Bishop, 1995; Seshadri y Bishop, 1994) La degradación de los colorantes se lleva a cabo en dos pasos: En el primero se da la reducción del enlace azo mediante cuatro electrones y como resultado de esto los protones reaccionan con el grupo nitro, formando dos aminas aromáticas. La mineralización de los intermediarios corresponde al segundo paso (FitzGerald y Bishop, 1995).

(R1 - N=N-R2) + 4e - + 4H+

R1-NH2 + R2-NH2

En la degradación de los compuestos azo el principal factor limitante, es la penetración del colorante a través de la membrana celular. Se ha demostrado que su permeabilidad esta en función del equilibrio adsorcióndesorción del colorante y el alimento. Así mismo, Seshadri y Bishop, (1994), proporcionan datos adicionales a cerca de la permeabilidad de la célula como factor limitante primario en la reducción azo microbiana de estos compuestos, ellos observaron un incremento sustancial en los valores de reducción permeabilizando las células bacterianas antes de la reducción (Carliell et al., 1995). La posibilidad de aplicación de un tratamiento biológico anaerobio, para la decolorización de los efluentes textiles ha motivado la realización del presente trabajo, en el que se presentan resultados preliminares del potencial de biodegradabilidad anaerobia del colorante comercial tipo azo marino terasil disperso en prueba batch a nivel laboratorio.

MATERIALES Y MÉTODOS

Material Las pruebas se realizaron en botellas serológicas de 160 ml, las cuales fueron cerradas con septos de hule y sellos de aluminio Medio mineral El medio mineral se preparó de acuerdo con Balch et al., (1979), en condiciones anaerobias. Este proporciona a los microorganismos todos los nutrientes necesarios para su óptimo desarrollo. Pruebas de adsorción Esta prueba se realizó siguiendo la técnica desarrollada por Hitz et al., 1978. Colorante El colorante tipo azo marino terasil disperso (N-[5-Bis [2-(acetiloxi) etil] amino ]-2-(2-bromo-4, 6-dinitrofenil) azo]-4-metoxifenil] acetamida) fue proporcionado por la empresa Ciba-Geigy. Las concentraciones probadas fueron de 100, 200, 400 y 800 mg/l. Y la carga orgánica másica alimentada fue de 0.1mgDQO/mgSSV.

Inóculo Se utilizó como material de inóculo, lodo granular proveniente de un reactor anaerobio tipo UASB que trata efluentes de una maltería. Método Las pruebas de biodegradabilidad se realizaron de acuerdo con el manual de Técnicas Microbiológicas y Fisicoquímicas en Digestión Anaerobia, (1993). Las botellas inoculadas con medio mineral, lodo de inóculo y el colorante fueron agitadas e incubadas a 35 0C. Estas se trabajaron por triplicado para sacrificar una al tiempo cero y verificar pH, DQO y SSV iniciales. La determinación de los parámetros se efectuaron como lo establece el "Standard Methods" (APHA, 1994). La producción de metano se cuantificó inyectando 0.5 ml de biogás generado dentro de la botella, con una jeringa Pressure Lok en un Cromatógrafo de gases con detector de conductividad térmica (Fisher gas partitioner modelo 1200) de doble columna (Poropak Q y malla molecular 5A) que emplea helio como gas acarreador a un flujo de 25 ml/min. La prueba se concluyó cuando no se detecto producción de biogás en las botellas y se determinó los siguientes parámetros pH, DQO y SSV finales. En la primer corrida se probaron las siguientes concentraciones de colorantes 100, 200, 400 y 800 mg/l. Posteriormente se realizó un segundo ensayo, adicionando 100 mg/l de glucosa (como fuente de carbono) y sulfato (como aceptor de electrones) en forma de sulfato de sodio. En esta última se utilizó una concentración del colorante de 100 mg/l.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados de la primera prueba de biodegradabilidad en la que se probaron diferentes concentraciones del colorante, nos sugiere una posible inhibición de este sobre la población microbiana. Ya que como podemos observar en la Figura 1, la producción de metano es despreciable con respecto al control, aunque a 100 mg/l esta inhibición no es tan marcada. Ogawa et al., (1988;1989) han reportado que la inhibición microbiana puede ser causada por intercalación de los colorantes entre las pares de bases de DNA, interfiriendo en la actividad enzimática y reproducción celular (Carliell et al., 1994), por lo que la estructura de la molécula debe ser lo suficientemente pequeña para penetrar a través de la membrana celular de los microorganismos, lo cual no sería difícil para el colorante, puesto que, los colorantes identificados como dispersos presentan moléculas más pequeñas que los de otras clasificaciones. Aunque no podemos pasar por alto el posible efecto de los productos del rompimiento de la molécula, ya que estos son más pequeños y podrían penetrar en la célula e inhibir a los microorganismos ya sea por intercalación o por algún otro mecanismo intracelular. A pesar de esta aparente inhibición del colorante sobre los microorganismos, el color en las botellas de prueba desapareció paulatinamente durante los primeros días, lo que podríamos atribuir a la adsorción de este en la biomasa y/o a la posibilidad de que el enlace azo se haya disociado. Esto último según Carliell et al., (1995), puede darse por las condiciones reductoras propiciadas por los microorganismos y no por su interacción con estos.

2.0E-06 100 mg/l 200 mg/l 400 mg/l 800 mg/l CONTROL

MOLES DE METANO

1.5E-06

1.0E-06

5.0E-07

0.0E+00 1

3

5

7

-5.0E-07

9

11

13

15

17

19

21

TIEMPO (días)

-1.0E-06

Fig. 1. Producción de metano durante la degradación del colorante tipo azo marino terasil disperso (prueba1) En la Figura 2 podemos apreciar que se presenta una disminución en el contenido de materia orgánica, para las cinco diferentes concentraciones de colorante, la remoción más alta fue de 73% para la concentración de 100 mg/l, posiblemente debido a la adsorción del compuesto en el inóculo. Por otro lado, para verificar la existencia de adsorción del colorante en el lodo, se procedió a realizar un análisis, en el cual se determinó que del 31 al 37% del compuesto fue adsorbido en los lodos (Figura 3). Lo que demuestra que si se lleva a cabo la decoloración mediante las bacterias anaerobias.

PORCENTAJE ( % )

80

60

40 20

0 Control

100

200

400

800

CONCENTRACIÓN (mg/l)

Fig. 2 . Comportamiento de la eficiencia de remoción del colorante tipo azo marino terasil disperso de materia orgánica

ADSORCIÓN (%)

40

35

30 0

50

100

150

200

Colorante (mg/l)

Fig. 3. Adsorción del colorante marino terasil disperso en el lodo inoculado De acuerdo con los resultados obtenidos de esta primera prueba se realizó una segunda, en la que se adicionó glucosa, como fuente de carbono y sulfato de sodio como aceptor de electrones ( 50, 100, 150, 200 y 250 mg/l), en ésta la concentración de colorante utilizada fue de 100 mg/l. Esto último para favorecer la actividad

de las bacterias sulfato-reductoras, y con ello poder degradar más fácilmente los productos secundarios generados de la reducción del enlace azo. Por otra parte, se tomo la decisión de agregar glucosa porque se ha reportado que mediante su adición, la actividad de los microorganismos que se manifiesta con la producción de biogás no se ve afectada por la presencia de colorantes azo, por el contrario esta se favorece. La producción de metano durante esta segunda prueba se presenta en la Figura 4, en ella podemos observar que el comportamiento es muy similar para todas las concentraciones de sulfatos, aunque se obtuvo una mejor eficiencia en la remoción de materia orgánica del orden de 50 y 47 % a concentraciones de sulfatos de 100 y 150 mg/l respectivamente, como se muestra en la Tabla 1.

MOLES DE METANO

6.00E-06

CONTROL 50mg/l Na2SO4 100mg/l Na2SO4 150mg/l Na2SO4 200mg/l Na2SO4 250mg/l Na2SO4

5.00E-06 4.00E-06 3.00E-06 2.00E-06 1.00E-06 0.00E+00 0

1

3

5

7

9

11

13

16

18

20

22

24

27

31

34

TIEMPO (días)

Fig. 4. Producción de metano durante la degradación del colorante tipo azo marino terasil disperso (prueba 2 )

Tabla 1. Tasa de biodegradabilidad del colorante tipo azo marino terasil disperso obtenida durante la segunda prueba Na2SO4 mg/l

Tasa máxima de biodegradabilidad mgCH4DQO/mgSSV*d

Factor de conversión de sustrato a CH4

Remoción DQO %

control 50 100 150 200 250

2.55E-03 1.01E-02 8.88E-03 8.92E-03 1.02E-02 1.05E-02

5.78E-03 2.68E-02 1.77E02 1.88E-02 2.14E-02 1.86E-02

83 31 50 47 40 41

En cuanto a la remoción de color está se manifesto de forma total, durante los primeros días de la prueba, esta disminución como se puede apreciar en la Figura 5. Por lo que podemos decir, que la eliminación del color, no necesariamente implica una disminución de la materia orgánica, lo que implicaría a su vez que el compuesto azo, sólo fue degradado parcialmente, quedando las aminas aromáticas correspondientes. Lo cual explicaría los valores tan pequeños obtenidos del factor de conversión de sustrato a metano y la tasa máxima de biodegradabilidad para las cinco concentraciones de sulfatos (Tabla 1).

ABSORBANCIA 0.5

Colorante 0.4

0.3

0.2

colorante tratado 0.1

400

460

520

557

580

640

700

LONGITUD DE ONDA (nm)

Fig. 5. Características espectrales del UV-VIS con relación a la remoción de color durante las pruebas de biodegradabilidad anaerobia del colorante marino terasil disperso. CONCLUSIONES

Con base en los resultados obtenidos de estas pruebas preliminares sobre la biodegradación del colorante marino terasil disperso, se puede concluir que: En condiciones anaerobias se lleva a cabo la degradación parcial del colorante tipo azo marino terasil disperso Se considera que a concentraciones menores de 100 mg/l, el colorante no causa efectos inhibitorios en el proceso de digestión anaerobia. La adición de sulfatos favorece la actividad de las bacterias sulfato-reductoras para que promueva la bioeliminación de las aminas resultantes de la degradación parcial del compuesto azo. De la prueba de adsorción se comprobó que sólo el 37% del colorante alimentado fue adsorbido por lodo anaerobio.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA IN-500195), por su apoyo en el financiamiento para llevar a cabo esta investigación. Asimismo, se agradece al Dr. Bruno Buttler de la Empresa Ciba-Geigy, Basilea, Suiza y al Director General Dr. Peter Reinartz, Ing. Jorge Ramírez Avilés Gerente de Servicio Técnico Interno Ciba-Geigy S. A. de C.V. México, por la donación de los colorantes e información técnica.

BIBLIOGRAFIA

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