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INTRODUCCIÓN
Desde tiempos prehispánicos, “la minería ha sido un factor de enorme importancia en el suceder de la historia económica de México, en la apropiación del territorio y en la fundación de los principales centros urbanos del país durante la colonia” (Coll-Hurtado et al., 2002). A partir de 1961, cuando la Ley de Mexicanización de la minería fue expedida, las riendas del sector minero fueron tomadas “ya no por un dominio externo sino por el Estado y capital mexicanos y rápidamente se fue develando el trasfondo político que este cambio traería, el cual iba enfocado hacia la fortificación y potenciación del capital minero ‘mexicanizado’ convirtiéndolo así en una de las actividades más exitosas del país” (Wise y Mendoza, 2001). Fue a partir de 1990, que hubo una reestructuración de la legislación minera “aumentando la participación del sector privado, disminuyendo el papel del Estado como inversionista y como rector de esta actividad económica ampliando así la participación de la inversión extranjera directa” (Guevara-González, 2016). Aunque el crecimiento de la actividad minera no necesariamente significa algo completamente positivo, pues trae consigo consecuencias en las condiciones de vida de las poblaciones en las cuales se ha asentado dicha actividad y sus consecuencias son en su mayoría de carácter ambiental.
Uno de los principales problemas que la actividad minera ha generado es el “despojo hídrico, en el cual se sobre-explotan los acuíferos y se contamina el agua así como se genera una mayor producción de residuos sólidos y aguas ácidas” (Guzmán, 2016). Para enfrentar esta problemática se han presentado varias opciones dentro de las cuales destaca el tratamiento de aguas residuales con microorganismos sulfato-reductores (MSR), ya que se sabe que “en condiciones anaerobias oxidan compuestos orgánicos simples y liberan H2S y HCO3 - en presencia de SO4 - y H+, los cuales son comunes en el agua ácida” (Dvorak et al., 1992).
El H2S reacciona con los contaminantes metálicos precipitándolos como sulfuros metálicos. “Este proceso es de bajo costo y de gran importancia ya que remueve los metales del agua, aumenta el pH y, debido a la alcalinidad que se genera por las bacterias, se reduce la acidez” (Durán-Barrantes et al., 2000).
El medio ácido de interés en esta investigación son las aguas ácidas finales provenientes de la operación unitaria de flotación de la industria minera, las cuales son originadas mediante la “oxidación microbiológica de sulfuros metálicos gracias a las bacterias ferro-oxidantes del genero Thiobacillus” (Durán-Barrantes et al., 2000). El proceso de flotación es parte de un procedimiento de enriquecimiento de algunos minerales (sulfuros de Cu, Pb, Zn, etc.) y en el cual el mineral se ve separado debido tanto a interacciones fisicoquímicas como a procesos de reducción de tamaño. De esta forma “se puede concentrar el metal de interés mientras que el resto de material sin valor (relave) puede ser descartado”. Este procedimiento es conocido como concentración y su finalidad es la de obtener un material concentrado, para que se pueda reducir el costo de su transporte y tratamiento. “Las etapas que conforman el mismo son la recepción de materiales, ‘chancado’, molienda, flotación y secado de concentrados” (EMDP, 2000).
Hipótesis
Las especies de microorganismos sulfato reductores (MSR) convierten los sulfatos en sulfuros, precipitando las sales metálicas de Pb, Zn, Cu y Fe provenientes de un efluente de la operación unitaria de flotación. Por tanto, es de suma importancia estudiar a las especies de microorganismos sulfato-reductores (MSR) que no presenten una alta sensibilidad a los metales pesados y a un valor de pH bajo, que son característicos de un efluente proveniente de la operación unitaria de flotación de la industria minera.
OBJETIVOS
Objetivo general
Realizar una revisión bibliográfica de las especies de microorganismos sulfato-reductores (MSR) presentes en reactores anaerobios de lecho de lodos de flujo ascendente (RALLFA) alimentados con efluentes ácidos, que provienen de la operación unitaria de flotación de una mina cooperante, conteniendo bajas concentraciones de Pb, Zn, Cu y Fe aprovechando la capacidad de las especies MSR y convirtiendo los sulfatos en sulfuros, precipitando a estas sales como sulfuros metálicos y logrando así la recirculación del agua ya tratada a la operación unitaria de flotación.
Objetivos particulares
Revisar en la literatura cuáles son las principales especies de microorganismos sulfato-reductores (MSR), responsables de lograr la precipitación de metales como el Pb, Zn y Cu y del Fe en un sistema anaerobio.
Comprender los mecanismos de precipitación de los metales disueltos como sulfuros metálicos en el agua proveniente de la operación unitaria de flotación interpretando la eficiencia de remoción de cada metal en un sistema anaerobio.
Distinguir cuáles son los parámetros de operación de mayor influencia en un sistema anaerobio logrando la mayor precipitación de metales como el Pb, Zn y Cu y del Fe.
METODOLOGÍA
Se revisó todo tipo de textos encontrados en la literatura científica, relacionados con el tema de MSR aunque no trataran en su totalidad sobre la precipitación de metales o el tratamiento de aguas residuales. Debido a esta variedad se obtuvo una mejor compresión del tema en cuestión ya que se abordó desde diferentes puntos de vista y se denotaron aspectos importantes dentro de cada situación. La mayor parte de la investigación fue realizada en documentos digitales incluyendo tesis, artículos científicos, revistas, investigaciones y estudios en laboratorios en las plataformas BIDI (UNAM), Redalyc, Repositorio UDES (Universidad de Santander), DSpace, Science Direct, SEDICI, Google Académico, SciELO, Elsevier, Repositorio IPISYT, etc. (ver Glosario).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El Pb y Zn son obtenidos mayormente a partir de un mineral llamado galena que es el mineral de sulfuro más importante y generalmente se trata de forma pirometalúrgica. Sin embargo, la fundición de plomo enfrenta dificultades con respecto de las regulaciones ambientales. “Por lo tanto, la recuperación hidrometalúrgica de plomo de la galena puede ser un proceso prometedor con la formación de azufre elemental ambientalmente inerte en lugar de dióxido de azufre” (Cedillo-Salazar et al., 2017). En la Tabla 1 se muestran las publicaciones revisadas de la bibliografía relacionadas con los procesos utilizados para obtener concentrados de los minerales Pb, Zn y Cu, todos ellos acompañados de Fe.
Tabla 1 Diferentes procesos utilizados para obtener concentrados de los minerales Pb, Zn y Cu, todos ellos acompañados de Fe.
| Objetivo | Proceso | Eficiencia | Referencia |
|---|---|---|---|
| Determinar los parámetros que intervienen en el proceso de flotación del Zn | Flotación | Recuperación de zinc del 90.58% | Castro-Chamorro, 2005 |
| Evaluar la extracción de plomo y cadmio de vajilla cerámica vidriada | La lixiviación se aplicó en cuatro repeticiones, en cada una de las extracciones se utilizó ácido acético al 4%(V/V) durante 24 horas a 22ºC | Entre el 50 y el 93% de plomo en los lixiviados | Flores et al., 2016 |
| Recuperar óptimamente por flotación los metales de plomo y zinc | Flotación | “Recuperaciones máximas de Zn y Pb de 94 y 83%, respectivamente” | Gamarra-Maldonado, 2019 |
| Plantear la hipótesis de que el Pb-210 está interactuando con los sulfuros de cobre y esta interacción está contribuyendo a la ineficacia aumentando el rechazo de la flotación | Flotación | “La recuperación por flotación (del Pb) fue de 89.8%“ | Hamilton et al., 2020 |
| Usar nanopartículas y micropartículas de lignina como recolectores sostenibles y amigables con el ambiente | Flotación | “Recuperaciones totales de hasta 91, 85 y 98% para Cu, Pb y Zn, respectivamente” | Hrůzová et al., 2020 |
| Determinar los parámetros operativos que influyen en la recuperación por flotación de la galena a partir de un mineral de bajo grado de Pb - Zn | Flotación | Incremento de la recuperación del mineral de plomo del 60 al 80% | León-Arroyo y Dianderas-Mandujano, 2019 |
| Recuperar los metales objetivo de un concentrado de sulfuro a granel (2.9% Cu, 7.4% Zn, 2.5% Pb, 67 ppm Ag y 37.2% Fe) | Hidrometalúrgico integral (a) Lixiviación férrica, (b) Lixiviación con salmuera caliente | “Las extracciones fueron superiores al 95% para Zn, Cu y Pb, así como, la recuperación total de catalizador” | Lorenzo-Tallafigo et al., 2021 |
| Recuperar el cobre contenido en escoria de cobre mediante flotación | Flotación | “Recuperaciones de 59.2% en escorias del horno de reverbero (HR) y 86.8% para la escoria de convertidor teniente (CT)” | Valderrama et al., 2018 |
| Modificar el pH económica y eficazmente mediante la cal en el proceso de flotación selectiva de los principales minerales sulfurados | Flotación | “El consumo de la cal fue de 5 kg/t de mineral, especialmente para minerales con alto contenido de pirita y/o cuando la flotación se realiza en agua de mar” | Zanin et al., 2019 |
| Obtener concentrados de 7.79% Cu, 22.00% de Pb, 4.81% de Zn, 8.24% de S y 12.15% de CaO; el sulfuro de cobre representó el 76.97% del cobre, el sulfuro de plomo el 25.55% del plomo y el sulfuro de zinc el 67.66% del zinc | Flotación | “En estas condiciones, los grados de lixiviación de Cu y Zn fueron del 87.43% y 64.38%, respectivamente” | Zhang et al., 2019 |
En la Tabla 2 se presenta la taxonomía de los géneros de los MSR más importantes involucrados en los procesos de la sulfatorreducción y más adelante se describen más ampliamente algunos de ellos (Kuever et al., 2015).
Tabla 2 Taxonomía de la mayoría de las poblaciones microbianas detectadas durante el tratamiento anaerobio (Modificado de Di-Maria, 2017)
Desulfococcus: El intervalo de temperatura óptimo para su desarrollo está entre 28 y 35°C, mientras que el intervalo de pH óptimo es de 6.7 a 7.6. El desarrollo ocurre en medios simples y definidos que contienen un compuesto reductor (generalmente sulfuro) y vitaminas. Las colonias en medios de agar anóxicos son blanquecinas a amarillentas (a veces con apariencia grisácea) y tienden a ser viscosas. No se han descrito especies termófilas y se presentan en lodo anóxico de agua dulce, agua salobre y hábitats marinos; También se presentan en los lodos de los sistemas anaerobios de aguas residuales (Kuever et al., 2015).
Desulfotomaculum: Su desarrollo ocurre en medios definidos simples que contienen sulfuro como reductor. Algunas especies requieren vitaminas o extracto de levadura. Estas especies pueden fijar N2. El intervalo de temperatura óptimo para su desarrollo es de 30 a 37°C para especies mesófilas y de 50 a 65°C para especies termófilas. Por otro lado, su pH óptimo para el crecimiento es de 6.5 a 7.5. Estas especies son comunes en sedimentos anóxicos de agua dulce, salobre o marinos (Kuever et al., 2015).
Desulfobacter: Su proliferación ocurre en medios definidos simples que contienen sulfuro como reductor. La mayoría de las especies requieren vitaminas. Muchos miembros de este género pueden fijar N2. La adición de ≥7 g de NaCl y ≥1 g de MgCl2.6H2O por litro de medio, puede ser estimulante y/o necesario para su desarrollo. El intervalo de temperatura óptimo es de 28 a 34°C. No se han descrito especies termófilas. El pH óptimo es de 6.5 a 7.4. La oxidación de acetil-CoA y la fijación de CO2 con H2 como donante de electrones en D. hydrogenophilus se logra mediante un ciclo de ácido tricarboxílico, TCA, modificado. Las especies de Desulfobacter son más comunes en sedimentos marinos o salobres anóxicos, pero algunos tipos pueden encontrarse en sedimentos anóxicos de agua dulce o en lodos activados (Kuever et al., 2015).
Desulfobulbus: El sulfato y también el sulfito o el tiosulfato sirven como aceptores terminales de electrones y se reducen a H2S. El azufre no se reduce. En ausencia de un aceptor de electrones externo, el desarrollo puede ocurrir por degradación de lactato, piruvato y etanol (+ CO2), malato o fumarato. El intervalo de pH óptimo es de 6.6 a 7.5. En cuanto a la temperatura óptima es de 25 a 40°C. No se conocen especies termofílicas. Se requieren medios que contengan un reductor y p-aminobenzoato para su proliferación. Las colonias en medio de agar anaerobio son blanquecinas a grisáceas y lisas. Se presentan en zonas anóxicas de agua dulce, agua salobre y hábitats marinos. También se han aislado del contenido del rumen, estiércol de animales y lodos de plantas depuradoras de agua (Kuever et al., 2015).
Desulfobacterium: Las desulfobacterias se encuentran muy extendidas en sedimentos marinos y salobres. El sulfato y otros compuestos de azufre oxidados sirven como aceptores terminales de electrones y se reducen a H2S. El azufre y el nitrato no se utilizan como aceptores terminales de electrones. Algunas especies pueden proliferar lentamente en ausencia de un aceptor de electrones externo por degradación de lactato, piruvato, malato y fumarato. Su temperatura óptima es de 26 a 29°C. Se requieren medios anóxicos (con sulfuro como reductor) y vitaminas para el crecimiento. Las especies de Desulfobacterium requieren concentraciones marinas o salobres de NaCl y MgCl2. Las células contienen citocromos de tipo b y c. Se observa comúnmente la actividad del monóxido de carbono deshidrogenasa, lo que indica el funcionamiento de la vía anaerobia C1 (vía del monóxido de carbono deshidrogenasa o vía Wood) para la oxidación completa de la acetil-CoA o para la fijación de CO2 durante el desarrollo autótrofo. Las especies de Desulfobacterium están muy extendidas en sedimentos marinos o salobres, pero ocurren con menos frecuencia en hábitats de agua dulce. La eficiencia de la reducción de sulfato es del 89, 91 y 91% utilizando valores de pH de 2, 4 y 6, respectivamente. Esto indica que la mayor reducción de sulfato está en el medio con pH 4 y pH 6. Además, Desulfobacterium proliferando en medio a valor de pH de 4 tiene una mejor eficiencia de reducción de sulfato (93%) en comparación con otros aislados de MSR (Kuever et al., 2015).
Principales especies de microorganismos sulfato reductores (MSR), responsables de realizar la precipitación del Pb
En general, las especies más predominantes en la precipitación de Pb son el Desulfovibrio y Desulfosarcina, aunque ambas tienen formas distintas (Espiral y Tétradas, respectivamente), “ambas son anaerobias, utilizan SO4 2- como aceptor de electrones y presentan sensibilidad al ser expuestas a temperaturas de 100°C durante 5 minutos, siendo esto último necesario para diferenciar al Desulfovibrio de Desulfomonas” (Palomino-Cadenas, 2007). Además de esto se ha reportado que “el grupo microbiano más competitivo en las desembocaduras en el mar y de ríos amplios es el Desulfovibrio, cuando ésta forma parte del consorcio Desulfobacter - Desulfobulbus” (Laanbroek et al., 1984). “Este grupo posee una temperatura óptima de desarrollo de entre 15 y 35°C” (Monroy-Cruz, 2014). En la Tabla 3 se muestra la revisión bibliográfica de las diferentes especies de MSR responsables de la precipitación del plomo.
Tabla 3 MSR responsables de la precipitación del plomo.
| Objetivo | MSR | Eficiencia | Referencia |
|---|---|---|---|
| Evaluar la influencia de la acidez en la remoción de plomo (Pb2+) mediante MSR | Desulfovibrio y Desulfosarcina | “A nivel de laboratorio se logró la remoción de 99.23% de plomo” | Basilio-Tavera, 2015 |
| Precipitar metales pesados con sulfuro de hidrógeno biogénico | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Archaeoglobus,Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | “Remoción de Cu del 92%, 90% de Pb y 95 % de Zn” | Chávez-Lizárraga et al., 2006 |
| Usar sistemas de humedales para la biorremediación de drenajes ácidos de mina mediante MSR | Desulfovibrio y Desulfosarcina | “La remoción anual para el Fe es de 85%, Pb de 69% y Zn de 92%” | Palomino-Cadenas, 2007 |
| Precipitar Pb2+mediante MSR en un reactor en régimen continuo | Desulfovibrio desulfuricans | “Se logró la remoción del 98.4% de Pb” | Velasco et al., 2005 |
| Evaluar la formación biológica de sulfuro y precipitación de metales pesados utilizando MSR | Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfotomaculum, Desulfobulbus, Thermodesulfobacterium | “La eficiencia de remoción de plomo soluble fue de 94%” | Velasco y Revah, 2007 |
Principales especies de microorganismos sulfato reductores (MSR), encargados de realizar la precipitación del Zn
En este caso, “la temperatura óptima de proliferación para la mayoría de bacterias que precipitan al zinc oscila entre los 25 y 40°C” (Castro et al., 2000). En la mayoría de los trabajos estudiados el microorganismo más común fue el Desulfotomaculum el cual tiene la característica de “formar esporas permitiéndole así volverse resistente a condiciones adversas pudiendo subsistir en una gran cantidad de medios” (Londry et al., 1997; Castro et al., 2000). Generalmente este subgrupo “se encuentra en cualquier tipo de ambiente natural, sedimentos, aguas e incluso en el tracto digestivo de algunos animales recién nacidos” (Deplancke et al., 2000). En la Tabla 4 se muestran los MSR encargados de realizar la precipitación de Zn.
Tabla 4 MSR responsables de la precipitación del zinc.
| Meta | MSR | Eficiencia | Referencia |
|---|---|---|---|
| Remoción de metales pesados mediante MSR | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Archaeoglobus, Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | Las eficiencias de remoción alcanzaron el 100%. Las concentraciones iniciales fueron de 200 mg/L para Cu y 150 mg/L para Ni y Zn | Bayoumy et al.,1999 |
| Tratamiento de metales mediante MSR | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Archaeoglobus, Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | Remociones arriba del 95% para Al, Cd, Fe, Mn, Ni y Zn | Dvorak et al.,1992 |
| Remoción de sulfatos y metales pesados mediante MSR | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Arachaeoglobus, Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | “Remoción del 82% de sulfatos y del 97% de Cu, Zn y N” | Jong y Parry, 2003 |
| Remoción biológica de sulfatos y precipitación del zinc | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfobarculus | Remoción de sulfatos del 89%, para Zn de 62.9% y 92.18% para el Pb | Maree y Strydom, 1987 |
| Uso de un sistema integrado por algas y bacterias sulfato reductoras | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfobarculus | Remoción de Pb del 99% y de Zn del 90% | Rose et al.,1998 |
| Desarrollo de un proceso de sulfato-reducción para remover metales pesados de un drenaje ácido de mina | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Archaeoglobus, Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | Remoción del 99% de Fe, Zn, Cu, Cd, As y Pb en un efluente sintético | Steed et al., 2000 |
| Biotratamientos del drenaje ácido de mina y recuperación de metales | Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Arachaeoglobus, Desulfomicrobium, Desulfomonile, Desulfobulbus, Desulfobotulus, Desulfobacula, Thermodesulfobacterium | Remociones de Cu del 99.8% y 98% de Zn por medio de precipitación | Tabak et al., 2003 |
Principales especies de microorganismos sulfato reductores (MSR) encargados de realizar la precipitación del Cu
Para el caso de la precipitación del cobre el género más común es el Desulfobacterium. Es un grupo versátil con una forma ovalada casi esférica, “tiene capacidades especiales en cuanto a degradación de compuestos orgánicos como por ejemplo la descomposición de hidrocarburos” (Sánchez, 2005; Van der Maarel, 1996). Las especies en este género son comúnmente marinas y requieren de elevadas concentraciones de cloruro de sodio. Además de esto, “el Desulfobacterium y el Desulfobacter comparte la característica de ser potencialmente importantes para la metilación del mercurio y no toleran las condiciones aerobias” (Sánchez, 2005; King et al., 2000). En la Tabla 5 se muestran los MSR encargados de realizar la precipitación de Cu.
Tabla 5 MSR responsables de la precipitación del cobre
| Meta | MSR | Eficiencia | Referencia |
|---|---|---|---|
| Sistema de intercambio difusivo para el tratamiento de drenajes ácidos con elevadas concentraciones de cobre | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | “Remoción del 49.4±8.8% de los metales totales del DAM, un 55±9% del Cu, 26±10% del Zn y 41±9% del Al” | Chaparro-Cárcamo, 2016 |
| Biogénesis de sulfuro de hidrógeno empleando ácidos grasos volátiles producidos por la hidrólisis de vegetales y frutas en descomposición | Desulfobacter, Desulfobacterium Desulfonema, Desulfosarcina Desulfococcus, Desulfarculus Desulfacinum, Desulforhabdus Thermodesulforhabdus | Remoción del Zn del 96.75%, Cu del 98.45% y Pb del 100% | Crespo-Melgar, 2009 |
| Estudio de factibilidad del diseño de un sistema biológico-fisicoquímico (BFQ) para el tratamiento de drenajes ácidos de mina a escala laboratorio | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Remociones de Cu (II) y Zn (II) mayores al 97% y un incremento de pH del drenaje ácido de mina sintético a 8.5 | Flor-Cevallos, 2012 |
| Evaluación del funcionamiento de un Sistema Biológico-fisicoquímico (BFQ) para el tratamiento | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Aumento del pH hasta tener valores de 8.5 en el efluente del sistema y una remoción de Cu (II) mayor al 98% durante 148 días de operación | Gallardo-Lastra, 2011 |
| Efecto del cobre para la remoción de sulfato en un reactor de lecho fijo | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Remoción de Cu del 99.59±0.43% y una producción de sulfuro de 39.29 mg S2-/L*d. | Loreto-Muñoz et al., 2019 |
| Bioprecipitación de cobre por sulfato-reducción en un reactor anaerobio de lodos granulares expandidos | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Remoción de más de 199 mg Cu2+/L dando un porcentaje de remoción superior al 98% | Valenzuela, 2011 |
Principales especies de microorganismos sulfato reductores (MSR), encargados de realizar la precipitación del Fe
Las bacterias sulfato reductoras involucradas en el proceso de precipitación del hierro que fueron revisadas en la literatura crecen en condiciones bastante similares entre sí, siendo la tecnología más utilizada para su uso la del reactor tipo UASB (RALLFA en español). Las condiciones en las que éste trabaja son muy parecidas dentro de la literatura consultada. Generalmente se inyecta al reactor un medio mineral basal cuya composición varía un poco, por ejemplo: Gallegos-García (2009) utiliza la siguiente composición (g/L): NH4Cl (0.3), CaCl2.2H2O (0.015), KH2PO4 (0.2), MgSO4.7H2O (0.12), KCl (0.25) y extracto de levadura (0.02). A esto se le añade un lodo granular también llamado lodo anaerobio que en una gran parte de los textos se mantiene en refrigeración a temperaturas de alrededor de 4 o 5°C. Además de este medio varios autores han intentado mejorar la producción de H2S del proceso al cambiar el material orgánico utilizado por las BSR, tal como lo hizo Forigua-Quicasán et al. (2017), el cual utilizó ‘compost’ de champiñón teniendo éxito al aumentar la producción de sulfuro y de actividad microbiana siendo que la concentración del sulfato disminuyó en más del 50% en una celda con alto porcentaje de compost (60:40), mientras que en la celda con menor porcentaje de compost (25:75) la concentración de sulfuro incrementó en más del 70%. En la Tabla 6 se muestra la revisión bibliográfica sobre los MSR encargados de realizar la precipitación de Fe.
Tabla 6 MSR responsables de la precipitación del hierro
| Meta | MSR | Eficiencia | Referencia |
|---|---|---|---|
| Evaluación de bacterias sulfato reductoras presentes en reactores pasivos durante la remediación de drenajes ácidos de minas | Desulfobacterium autotrophicum, y tres especies de BSR (Desulfovibrio vulgaris, Desulfomicrobium sp. y Desulfoccocus sp.), | Remociones de Fe2+ en los reactores 2 y 4 de 99.7±0.7 y 99.4±1.6%, respectivamente, mientras que para TRH de 1 día, la remoción de Fe+2 fue 86.1±15.9% | Escobar-Restrepo, 2015 |
| Prevención de drenajes ácidos de mina utilizando compost de champiñón como enmienda orgánica | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Remociones de Fe2+ > 95%; Mn2+ > 96%; Zn2+ > 52% y de sulfato > 50% | Forigua-Quicasán et al., 2017 |
| Procesos biológicos de sulfatorreducción en biopelículas para la precipitación de metales | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | “Remociones de Fe, Zn y Cd mayores a 99.0%” | Gallegos-García et al., 2009 |
| Evaluación de los métodos químicos y biogénico para el tratamiento de drenaje ácido de mina a escala de laboratorio | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfococcus, Desulfarculus, Desulfacinum, Desulforhabdus, Thermodesulforhabdus | Remociones de Cu del 99.99%, de Fe del 99.99%, de Pb de 96.67%, de Zn del 99.94%, de los sulfatos se consiguió remover el 97.55% y de Ca se removió el 99.96% | Nina-Chambe, 2008 |
| Procesos de bioprecipitación de metales pesados y bio-reducción de hierro (III) para el tratamiento de aguas ácidas de minas a escala de laboratorio | Finalmente, se detectaron géneros sulfato reductores mediante la técnica molecular de hibridación fluorescente in situ (FISH), donde existió predominancia de Desulfovibrio spp., Desulfobotulus sapovorans y Desulfovibrio fairfieldensis. Seguidos de: Desulfobacter spp., Desulfobulbus spp., Desulfosarcina sp., Desulfonema spp., Desulfococcus sp., Desulfobacterium spp., Desulfobotulus sp., Desulfostipes sp., Desulfomusa sp. Y Desulfofrigus y Desulfofaba spp. | Remociones del 70% de sulfatos entre ~60-80% de Fe y Zn y, 95-100 % de remoción de cadmio (Cd) y cobre (Cu) | Quiroga-Flores, 2015 |
| Optimización de las condiciones de cultivo de consorcios bacterianos sulfato reductores en la bioprecipitación de Fe (II) del afluente Antequera, departamento de Oruro, Bolivia | Desulfobacter, Desulfobacterium, Desulfonema, Desulfosarcina Desulfococcus, Desulfarculus Desulfacinum, Desulforhabdus Thermodesulforhabdus | “Remoción de Fe del 95%” | Guardia-Zurita, 2010 |
Influencia de los parámetros de operación en la precipitación de metales Pb, Cu, Zn y Fe
Existen distintos parámetros que pueden llegar a influir dentro de la precipitación de metales, empezando por los compuestos donadores de electrones utilizados por las bacterias sulfato reductoras. Algunos ejemplos de estos son: “H2, lactato, piruvato, fumarato, malato, colina, acetato, propionato, butirato, ácidos grasos de cadena larga, benzoato, indol, hexadecano, etanol y otros alcoholes” (Andrade-Tovar, 2010). Esto es importante debido a que dependiendo del sustrato que se utilice, se obtendrán diferentes productos de bioconversión. Por ejemplo, se ha encontrado que “en las aguas termales minerales en el depósito de Sukhunsk, el organismo Desulfotomaculum kuznetsovii formaba como productos de bio-reacción CO2 y H2S al ser nutrido con formiato, acetato, propionato, alcoholes varios, sulfato, sulfito, tiosulfato” (Lowe et al., 1993). A su vez, la elección del donador de electrones es importante para la eficiencia de la sulfato-reducción. Este parámetro ya ha sido estudiado por varios autores. Tal es el caso de Karnachuk et al. (2005), quienes realizaron experimentos al norte de Siberia en los sedimentos de un área minera en los cuales utilizaron al acetato como donador de electrones en concentraciones de 7.6 mM (0.5 g DQO/L). Los autores demostraron que las constantes de reducción del sulfato oscilaron entre 0.05 y 30 nmol SO4 2-/cm3d, aumentando la eficiencia. Otro parámetro de gran importancia es el tiempo de residencia o bien el flujo que se tiene en la aplicación de los tratamientos basados en bacterias sulfato-reductoras para equipos que trabajen a flujos continuos. Por ejemplo, en las barreras reactivas permeables se ha encontrado que “si los tiempos de residencia hidráulicos son demasiado cortos no permitirán que los microorganismos produzcan una cantidad suficiente de sulfuro para la precipitación de los metales, ni suficiente alcalinidad para neutralizar la acidez” (Gibert et al., 2002). En diversos estudios se ha demostrado la importancia de este parámetro, tal como lo hicieron Dvorak et al. (1992). Los autores demostraron que al duplicar el flujo, se produce una reducción de la concentración de sulfuro generado por la actividad microbiana del 99%. Una buena opción para maximizar las actividades específicas de generación de sulfuro sería simplemente disminuir el flujo o incrementar el grosor del material de soporte de la barrera reactiva permeable. Sin embargo, esto no es posible en las barreras reactivas permeables ya que “el caudal o flujo es fijado por la corriente del yacimiento de agua, mientras que aumentar las dimensiones significaría costos elevados por la cantidad de material requerido” (Gibert et al., 2002). Una opción más viable en tratamientos con tiempos de residencia cortos es la estimulación y aceleración de la actividad bacteriana siendo sugerido por Hammack y Edenborn (1992), donde demostraron que la adición de lactato incrementó la actividad sulfato-reductora, obteniendo así remociones de sulfato del 70% y remociones de níquel del 95%, comparadas con remociones muy bajas sin el uso de lactato. Hablando de otro tipo de proceso como lo es el reactor UASB, diversos autores han realizado investigaciones en cuanto a los parámetros responsables de la eficiencia de dicho procesos, tales como la velocidad de carga orgánica, el tiempo de residencia hidráulico, la temperatura de operación, tipo de inóculo, concentración de DQO y de sólidos suspendidos totales en el influente pues han demostrado ser de vital importancia (Foresti, 1995; Rico et al., 2017; Sánchez et al., 2005; Santana y Oliveira, 2005). Aunque aún no se ha logrado llegar a un acuerdo de condiciones en las cuales se puede llegar a optimizar el proceso pues las condiciones y materiales varían entre cada experimento (Pacco et al., 2018). Para poner un ejemplo de esto, Sánchez et al. (2005), trabajaron con un reactor UASB de 5 litros, a temperaturas de entre 30 a 35°C, tiempo de residencia hidráulico de 3 días y una velocidad de carga orgánica promedio de 2.7 kg DQO/d*m3 y fueron capaces de obtener eficiencias de remoción promedio de DQO total y sólidos suspendidos totales de 56.7% y 52.1%, respectivamente. Al incrementar la velocidad de carga orgánica promedio a 8.1 kg DQO/d*m3 y reducir el tiempo de residencia hidráulico a 1 día se vieron disminuidas a tan solo 18.6 y 27.1%. Caso contrario fue el de Santana y Oliveira (2005), que obtuvieron eficiencias de remoción para dichos parámetros de 80.3 y 72.8%, utilizando un reactor UASB de 908 litros, trabajando con un tiempo de residencia hidráulico de 2.6 días y una velocidad de carga orgánica de 3.4 kg DQO/ d*m3 y no vieron afectaciones negativas al reducir el tiempo de residencia hidráulico a 1.3 días y aumentar la velocidad de carga orgánica a 7.43 kg DQO/d*m3, obteniendo al final eficiencias de remoción de DQO total y sólidos suspendidos totales de 87.7 y 81.4%, respectivamente.
CONCLUSIONES
La investigación bibliográfica realizada permitió observar una gran variedad de especies responsables de precipitar Pb, Cu, Zn, Fe. En la mayoría de lo reportado, no se precipita solamente a esos cuatro metales, sino que también traen consigo otra gran variedad de elementos, los cuales están presentes dado el origen del agua de cada investigación. Si bien no todos los artículos revisados tuvieron una relación directa con el efluente proveniente de la operación unitaria de flotación, sí aportaron conocimiento acerca del proceso de sulfato reducción. Además, se recabó información que permite comprender las características de cada especie de MSR. Se alcanzó a visualizar que estos microorganismos son bastante versátiles pues se desarrollan en varios tipos de ambientes y ecosistemas. Incluso, se observó que especies como Desulfobacter o Desulfovibrio son bastante comunes dadas las condiciones relativamente sencillas que necesitan para desarrollarse. De la misma manera se puede decir que ya se ha demostrado ampliamente que los MSR son altamente eficientes al momento de reducir la acidez del agua, proveniente de la operación unitaria de flotación de una mina, efluentes de cocina, corrientes marinas, etc. También son eficientes para precipitar diferentes elementos pues no requieren de algún agente externo salvo en contadas ocasiones donde la actividad microbiana se veía reducida y era necesario utilizar algún tipo de catalizador. Para ese tipo de casos, ya se tienen igualmente investigaciones donde se debe adicionar nutrientes para incrementar esa actividad. También, gracias a la diversidad de artículos revisados, ya se tiene una idea mucho más clara del proceso y las variables a controlar para poder obtener buenos resultados en cuanto a remoción de metales y, de la misma forma, el gran impacto que esto genera en el ambiente. Es sumamente importante que se sigan desarrollando proyectos de este tipo que tomen un proceso tan común en la naturaleza como la degradación anaerobia y se pueda llevar a un punto en el cual la tecnología y el ambiente puedan convivir y el ser humano logre obtener un bien de consumo sin causar daños a la naturaleza.
