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INTRODUCCIÓN
La alteración de los niveles naturales del agua es un problema mundial que ha generado alerta de muchos sectores del Estado, y siendo de mucha relevancia la contaminación del recurso hídrico, toda vez que es primordial para la vida de todos los seres vivos del planeta (1,2), hoy en día diversas investigaciones científicas están enfocadas en buscar alternativas para mitigar el deterioro del ambiente por parte de los procesos productivos como la minería y otras industrias (3); frente a esta situación, las colonias de Nostoc commune, sin previo tratamiento mayor, solo hidratadas, se constituyen en algas biorremediadoras debido a que retienen y absorben cadmio (Cd), cromo (Cr) y plomo (Pb) del medio donde se encuentran (4).
Las Nostocales Cylindrospermum muscicola, Nostoc commune y Calothrix clavata son capaces de tolerar y crecer en suelos contaminados con Pb (5); es así que, el Nostoc commune muy aparte de usarlas en la gastronomía, se las utiliza como secuestrantes de metales en soluciones acuosas ya que tienen la capacidad biosorbente, siendo natural, reemplazable y económico ya que abunda en los humedales altoandinos, y su uso en la aplicación para la remediación del agua puede ser una forma de transformarla en un recurso natural benéfico (6). La técnica de biosorción es un método innovador que usa la biomasa en estado fresco o seca con el único fin de remover y/o adsorber los metales pesados tóxicos presentes en soluciones acuosas, siendo una tecnología que permite reducir la contaminación del agua a bajo costo y eficiente mediante quimiosorción (2,7).
METODOLOGÍA
El presente review trata del análisis de artículos científicos y referencias relacionadas a la biosorción del plomo usando Nostoc commune, asimismo, se abarcó las fases heurística y hermenéutica, en donde se supone la captura y recuperación de metales pesados de aguas contaminadas usando tecnología alternativa a bajo costo. El procedimiento de recopilación de información fue a través de los diversos navegadores y buscadores de la red informática, tales como: Google académico, Dialnet, Redalyc, SciELO, PubMed y Sciencedirect, en revistas científicas como Revista de Ciencia e Ingeniería, Revista cubana Química, entre otras; así como también en repositorios como las de la Universidad de Guayaquil, Universidad Continental, entre otros, donde se continuó con el análisis documental concerniente al Nostoc commune, biosorción y metales pesados, y considerando como fichaje crítico la lectura de todos los resúmenes de artículos científicos y tesis, interpretación de mapas conceptuales y gráficas, extracción y análisis de datos especializados.
DESARROLLO Y DISCUSIÓN
Contaminación del agua
Los cambios en las características físicas, químicas o biológicas significan un peligro considerable para la salud, por alta toxicidad y no son biodegradables, que ocasionan enfermedades como desorden cerebral, artritis, daño renal, vasculares, depresión y de la piel; donde se encuentran iones metálicos, producto de actividades industriales y antropogénicas que emplean elementos metálicos que se evacúan a los humedales y manantiales (3,8).
Metales pesados
Según la tabla periódica, son elementos que tienen una densidad mayor a 7 gr/cm3, y en este grupo se incluyen al arsénico (As), cadmio (Cd), cobre (Cu), cromo (Cr), mercurio (Hg), plomo (Pb), níquel (Ni), plata (Ag), selenio (Se), y zinc (Zn); siendo el plomo el más tóxico ya que su uso excesivo viene ocasionando serios problemas a la salud ambiental (8).
Plomo (Pb)
Se encuentra naturalmente en los suelos, cuyas características son: blando, gris, y componente traza de minerales comunes formadores de roca y fácilmente resistentes a la intemperie, y componente principal de varios minerales de carbonato, sulfuro, silicato, óxido y sulfato (9,10), y se encuentra ubicado en el grupo (XIV) de la tabla periódica y posee un peso atómico de 207,2; y se encuentra entre los 23 metales pesados y el más toxico para la salud humana y contaminación del ambiente (6,11).
Por otra parte, el Pb puede afectar los órganos más sensibles como el cardiovascular, riñón, sistema reproductivo, sistema hematológico y sistema nervioso; y los más vulnerables al envenenamiento por Pb son los niños, seguidamente por los adultos; y su depósito a largo plazo en el cuerpo humano puede causar enfermedades graves que incluyen pérdida de memoria y dolor de cabeza, y a corto plazo, trastornos gastrointestinales, infecciones fúngicas, fatiga crónica, percepción distorsionada, sensación de irrealidad, confusión mental, dolor en músculos, articulaciones y alergias (7,11). Los límites permisibles (LP) según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés), es de 0,015 mg/L; y, asimismo, la OMS ha determinado 0,01 mg/L (3,12).
Nostoc: crecimiento y metabolismo
El Nostoc es una colonia de cianobacterias que puede estar en estado latente hasta que las primeras lluvias la hidratan, formando esferas de 10 a 25 mm de diámetro, semejante a uvas. Se desarrolla entre los 3000 y 5000 m s.n.m., de color verde-azulado, verde-amarillo o marrón oscuro; estas crecen sobre la superficie de la tierra y se puede localizar en los humedales y riachuelos a nivel mundial, distribuidos desde las zonas cálidas hasta las frígidas, conocida en Sudamérica con los nombres de cushuro, murmunta, llullucha o llayta en las zonas altoandinas, presentan un tamaño promedio de 1 - 8 a 1 - 1-5 cm (13-15).
Química de la biosorción
Es un proceso físico-químico, consistente en la eliminación de iones metálicos por retención en una biomasa inactiva no viva, y teniendo la constitución bioquímica básica de las algas tiene relación con su rendimiento de adsorción debido la solubilidad, porosidad de la partícula, tamaño, grupos funcionales y la aplicación en contacto a ambos en determinadas condiciones de tiempo, pH, temperatura, agitación y concentración; y se sigue una secuencia que es descrito modelos matemáticos y parámetros (6,7,12).
La separación de los iones metálicos se fundamenta en la adsorción física por biomasa inactiva según la teoría de Vander Waals de la atracción y la adsorción química donde predomina el enlace covalente entre la carga negativa de la superficie de la célula y los iones catiónicos. La constitución bioquímica de las algas tienen relación básica en la biosorcion por la presencia de los grupos funcionales como sulfato, hidroxilo, fosfatos, aminas y carboxilos, y cumplen una función muy importante en la unión de metal y el grupo carboxilo con pKa-5,0, siendo importante para la unión con el grupo secundario de ácido sulfónico de fucoidan; la química superficial y la interacción de los metales pesados con grupos funcionales que se determinan con técnicas espectroscópicas (6,7,16).
Mecanismos de biosorción
Consiste en la transferencia de materia externa desde el centro de la disolución hasta la superficie de la biomasa inactiva, y en esta fase la fuerza impulsora es la diferencia de concentración en el interfaz solido-líquido que rodea a cada partícula, dependiendo de las condiciones hidrodinámicas externas, y la difusión se produce por transferencias sucesivas de las moléculas entre centros activos, y la fuerza impulsora que es la gradiente de concertaciones de las especies en su forma adsorbida (17). En el proceso de adsorción física no especifica y las fuerzas de atracción entre el adsorbato y la superficie del solido son parcialmente débiles, y donde su energía de activación es menor que en la adsorción química y el aumento en la T° afecta negativamente la adsorción, así como también la falta de una mezcla adecuada del sistema por ausencia de agitación puede generar zonas muertas en el interior del reactor (2,13)
Por otra parte, para estudiar el mecanismo de biosorción, es muy importante conocer la estructura de la pared celular de la biosorbente y la solución química, los tipos de biomasa de origen agrícola o algal, que muchos de ellos contienen lignina, celulosa, hemicelulosa, proteínas, lípidos, extractos, agua y muchos más compuestos que tienen una variedad de grupos funcionales, y, asimismo, las algas marinas, plantas, algas y hongos difieren significativamente uno del otro (7,11).
Se ha extraído Pb de aguas contaminadas con distintas concentraciones de Pb: 311,12 mg Pb2+/Litro 214,89 mg Pb2+/Litro, 127,33 mg Pb2+/Litro; y la variación de pH desde 2,4 y 5,5 y dosis del biosorbente (0,1 gr, 0,05 g y 0,025 gr); temperatura de 25°C, movimiento constante de 300 rpm, por 3 horas; y teniendo resultados alentadores 247,35 mg/gr, a un pH de 5,5 (6).
Potencial de Hidrógeno (pH)
Es un parámetro sobresaliente en la sorción de los metales pesados, y normalmente se acepta que la sorción de cationes metálicos se incrementa al aumentar el pH del medio acuoso, y existe una excepción que solamente aquellos iones metálicos que pueden aparecer como complejos cargados negativamente o formar aniones en solución, pueden mostrar un aumento en la suspensión al incrementar el pH del agua contaminada (13). En todas las alternativas estudiadas la retención de metales tóxicos fue significativa al incrementar el pH, y, por lo tanto, se produce una competitividad entre los cationes y protones por los puntos de retención (15,18). Estudios de biosorción de Cd y Pb usando como adsorbente el Nostoc sp, demostraron que la capacidad biosortiva especifica máxima de Pb fue de 185,89 mg/g, y a pH 3 la capacidad biosortiva especifica de Cd fue de 13,93 mg/g, lo que equivale a remover el 44,51% de Cd en solución acuosa, existiendo una relación directa y proporcional entre pH y la capacidad biosortiva de Pb, siendo máxima a un pH 5 (37,43 mg/g), lo que equivale a remover el 97,32% de Pb en solución (19).
Temperatura
El aumento de la temperatura del medio acuoso genera incremento en la retención de los metales tóxicos y la biomasa empleados, de esta forma se concluye que el balance energético de las reacciones involucradas en la sorción es positivo evidenciando la naturaleza endotérmica, que depende de la diversificación de entalpía (ΔH), en donde para la mayor parte de los metales pesados, el indicador de entalpia de adsorción se encuentra definido en el rango de 7 y 11 kJ/mol, y entre 2,5 y 6 kJ/mol para metales ligeros, también se ha evidenciado que a una temperatura de 27 °C se ha logrado remoción de 98,95% de metales tóxicos, en tal sentido los factores como cantidad de biomasa, pH y la temperatura es directamente proporcional al porcentaje de remoción (6,13).
Tamaño y dosis del biosorbente
Es el tercer factor importante en el proceso de biosorción de los metales pesados, donde una dosis alta conduce a un aumento en un 98,8% de remoción de metales pesados; por otra parte, la dosificación se atribuye a los sitios de interacción con los metales tóxicos y la biomasa, y existiendo una concentración óptima del adsorbente que conduce a un rendimiento óptimo entre los iones metálicos y los sitios de unión biomasa del nostoc commune, y por otro lado, una partícula demasiado pequeña puede incrementar las perdidas por presión, teniendo en cuenta que el efecto de la pared que es el efecto que ejercen las paredes internas de la columna sobre el flujo de la solución acuosa (9,18).
Discusión
Se obtuvo una alta capacidad de biosorción entre 247,35 y 384,62 mg pb/ g Nostoc; y se adecuaron mejor al modelo de Langmuir (R2 = 98,8 y 99,25%), corroborando los reportes de Sandoval et al. (20); por otra parte, los métodos convencionales de separación de metales pesados, tales como: adsorción, coagulación, electrodiálisis, intercambio iónico, osmosis inversa y precipitación, son tecnologías que requieren equipos sofisticados y mano de obra altamente calificado, ocasionando altos costos en el proceso; asimismo, son poco eficientes y pueden generar otros productos que requieren de depósito o tratamiento adicional; en tal sentido el elevado costo de tratamiento de metales pesados, han incentivado al desarrollo de nuevas tecnologías que promueven una alta eficiencia de remoción a un menor costo como la biosorción a través de material biológico como el Nostoc commune, en concordancia con lo manifestado por Ramírez et al. (4) .
La sorción de cationes metálicos se incrementa al aumentar el pH del medio acuoso, en concordancia con Duany (21) quien asevera que “el pH es uno de los factores a tener en cuenta cuando se utiliza residuos vegetales como bioadsorbentes, es decir, a pH bajos, los protones (H+) se encuentran en una concentración elevada”, habiendo competencia entre iones metálicos por ocupar los sitios de unión en el biosorbente, lo que conlleva a una reducción de la inmovilización de los metales presentes en disolución. La supresión de iones metálicos por biomasa muerta se centra en la sorción de metales debido a la fuerte afinidad entre iones metálicos y la biomasa coincidiendo con Gupta y Diwan (22) quienes manifiestan que, la estructura bioquímica básica de las algas tiene relación con su rendimiento de adsorción, ya que los grupos funcionales que se encuentran en ellas y en las cianobacterias son los carboxilo, hidroxilo, sulfato, fosfato y amina, que influyen en la unión del metal.
CONCLUSIÓN
La biosorción como tecnología de remoción de metales pesados cubre la necesidad operativa de crear estrategias efectivas, eficientes, económicas y amigables con el ambiente, a fin de minimizar la concentración de Pb en el ambiente, usando biosorbentes microbianos no vivos que, dicho sea de paso, ofrece ciertas ventajas importantes, como ausencia de toxicidad y la no necesidad de suministro de nutrientes.
El Nostoc commune es un potencial biosorbente altamente eficiente, económico y ecoamigable, para separar el Pb de aguas contaminadas, toda vez que presentan en su estructura grupos carboxilos e hidroxilos, azúcares reductores, saponinas y aminoácidos, existiendo una relación directa y proporcional entre pH y la capacidad biosortiva de Pb.
