DELIGNIFICACIÓN SELECTIVA DEL PASTO KING GRASS USANDO BASIDIOMICETOS LIGNINOLÍTICOS
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REVISTA SALUD PUBLICA Y NUTRICIÓN Edición Especial No. 11-2006
II Congreso de Ciencias Farmacéuticas de la Conferencia Hispanoamericana de Facultades de Farmacia
(COHIFFA) y el VIII Congreso Regional de Químicos Fármaco Biólogos
DELIGNIFICACIÓN SELECTIVA DEL PASTO KING GRASS USANDO BASIDIOMICETOS
LIGNINOLÍTICOS
Segura, Freimar; Mejía, Amanda y Patiño, Andrés Camilo.
Universidad de Antioquia, Facultad de Química Farmacéutica, Grupo Ciencia de los
Materiales, Medellín, Colombia. Tel. 574-2105450, e-mail: amejia@quimbaya.udea.edu.co,
Fax 574-2105459
Objetivos
Determinar los parámetros adecuados para lograr una delignificación selectiva del pasto King
grass, utilizado como sustrato para la fermentación en estado sólido con hongos
basidiomicetos a los que previamente se les determinó su potencial ligninolítico. Caracterizar
la delignificación selectiva por IR-TF.
Antecedentes
El pasto King grass (Pennisetum purpureum x Pennisetum typhoides) es un forraje muy
cultivado y conocido entre los ganaderos en Colombia por su alto rendimiento en volumen
por hectárea cultivada. Pero debido a su bajo valor nutricional se ha clasificado como de
regular a deficiente empeorando a medida que el pasto es más viejo, lo que causa problemas
de desnutrición al ganado (1). Su bajo valor nutricional se debe principalmente a la poca
disponibilidad de los carbohidratos (2), no a su concentración. Este forraje posee un alto
contenido de lignina que va aumentando con la edad del pasto (3) y se encuentra en forma
de “paquetes” que envuelve a los carbohidratos como la hemicelulosa y la celulosa (4,5). El
sistema digestivo de los rumiantes no puede degradar la lignina dando como resultado que
los carbohidratos presentes en el pasto no sean fácilmente asimilados (6). La disponibilidad
de los carbohidratos puede ser mejorada si se logra disminuir el contenido de lignina, lo que
se puede llevar a cabo utilizando enzimas ligninolíticas (7). Los hongos de la podredumbre
blanca de la madera son un grupo de microorganismos de diferentes especies (8), que han
desarrollado dos formas de atacar la madera: degradación simultanea de lignina,
hemicelulosa y celulosa ó degradación selectiva de lignina y hemicelulosa (9). Su excelente
potencial de degradación de lignina, es atribuido a su actividad única para producir potente
enzimas extracelulares oxidativas. La lacasa, la ligninoperoxidasa (LiP) y la manganeso
peroxidasa (MnP) son las enzimas que intervienen en la degradación de la lignina a CO2 (7).
Ambos tipos de degradación se pueden dar simultáneamente y causan pérdida de peso; pero
puede ocurrir una delignificación selectiva en grandes áreas de madera bajo ciertas
condiciones específicas que se han encontrado en bosques del sureste de Chile (10, 11, 12,
13).
La delignificación selectiva puede ser potencialmente aplicada en procesos biotecnológicos
como el biopulping, producción de etanol y material combustible a partir de celulosa y
mejoramiento de los alimentos para animales.Metodología Se trabaja con Pasto King grass (Pennisetum purpureum x Pennisetum typhoides) con 120 días de corte para garantizar un pasto de deficiente valor nutricional por su alto contenido de lignina. El pasto se seca, se muele y se esteriliza por calor húmedo. Previamente se hizo una recolección y selección de cepas de hongos en un bosque mixto colombiano, cerca de 40 cepas de hongos de la podredumbre de la madera con posible potencial ligninolítico, se identificaron y caracterizaron morfológicamente (taxonómicamente); de estos fueron seleccionados para posteriores trabajos los hongos de la podredumbre blanca de la madera. A cada hongo seleccionado se le evaluó su capacidad de expresión de enzimas ligninolíticas por la técnica de degradación de colorantes (14, 15, 16). Posteriormente se les determina la capacidad ligninolítica específica. Para la selección de las cepas a evaluar en el proceso de delignificación selectiva también se tuvieron en cuenta parámetros como velocidad de colonización, los requerimientos nutricionales, la no existencia de reportes de toxicidad y cualquier otro parámetro que le de un mayor valor agregado. Montaje FES uno: Se realiza un diseño factorial completamente aleatorizado variando el tipo de hongo y el pH del medio. Se utilizan las cepas de Ganoderma ssp., Lentinus ssp. y Auricularia ssp. y dos valores de pH. Se controla la humedad relativa, la temperatura y todas las condiciones experimentales. En el medio extracelular se analiza la actividad enzimática de la LiP, de la MnP y de lacasa (17, 18, 19). Su presencia o ausencia indica actividad ligninolítica. A las muestras y controles se les obtiene su espectro por IR-TF, y se analizan las principales bandas que se relacionan con su contenido ligninoceluósico. Muchos de los cambios en el espectro IR-TF se pueden interpretar en términos de la composición, en particular, el incremento en los valores de la proporción a 2920/1515cm-1 indica una remoción de estructuras aromáticas y un selectivo enriquecimiento en estructuras alifáticas, como carbohidratos (8). Montaje FES dos: Basándose en los resultados del montaje de FES número uno se realizó un diseño factorial completamente aleatorizado variando el tipo de hongo y la adición o no de Mn como cofactor. Se controlo el peso inicial y final de cada unidad experimental. Resultados y conclusiones A partir de los cinco días de incubación se empezó a observar un buen crecimiento en las unidades experimentales tratadas con Ganoderma ssp., y en las unidades tratadas con Lentinus ssp.; pero con Ganoderma ssp. el micelio era mucho más denso, mostró mayor capacidad de colonización del sustrato y liberó mayor cantidad de MnP y de lacasa que el Lentinus ssp. (ver figura 1). No se encontró actividad enzimática de la LiP. Las unidades experimentales con Auricularia ssp. presentaron muy poco crecimiento y capacidad de colonización aun después de cuatro semanas, por lo que se descartó su uso sobre pasto king grass bajo las condiciones de laboratorio preestablecidas.
80
70 sin Mn
60
U (µmol/g*min)
con Mn
50
40
30
20
10
0
Ganoderma Lentinus ssp. Ganoderma Lentinus ssp.
ssp. ssp.
MnP MnP Lacasa Lacasa
Figura 1: Actividades enzimáticas de MnP y lacasa a las 7 semanas.
La perdida de peso es mayor en el pasto tratado con Ganoderma ssp. que en el tratado con
Lentinus ssp. Se obtiene una máximo de pérdida de peso del 20%, que se debe
principalmente a mineralización y formación de CO2 y agua a partir de unidades
constituyentes de lignina y/o a partir de asimilación o degradación de carbohidratos.
Se observan y cuantifican por IR-TF las áreas de las principales bandas que se relacionan
con el contenido ligninoceluósico. Al comparar gráficamente los diferentes espectros IR-TF,
se encuentra que existen variaciones en la banda característica para vibraciones del
esqueleto aromático en lignina a 1515 cm-1; esta banda se vio más disminuida en las
muestras tratadas con Ganoderma ssp, comparadas con las muestras control o con las
tratadas con Lentinus ssp. Ver figura 2.
Figura 2: Espectros normalizados IR-TF de muestras de pasto king grass a las doce
A
1515
4400,0 4000 3000 2000 1500 1000 450,0
cm-1
semanas de tratamiento. Azul (superior): con Ganoderma ssp., Negro (intermedio): Pasto
sin hongo (control), Rojo (inferior): con Lentinus ssp.
Se observa que a las 12 semanas el proceso de fermentación con Ganoderma ssp. en
medios con Mn presentan una mayor proporción de los grupos alquil C-H vs las estructuras
con esqueleto aromático (lignina); es decir que sistema fue más selectivo para degradar las
estructuras aromáticas dejando las estructuras celulósicas y hemicelulósicas, obteniendo una
delignificación selectiva; la proporción de lignina con respecto a estructuras alifáticas y/o
carbohidratos se redujo en un 70%. Con Lentinus ssp. no ocurrió delignificación selectiva.De las tres cepas de hongos seleccionadas como candidatas para una delignificación
selectiva del pasto king grass, se obtuvo resultados satisfactorios solamente con Ganoderma
ssp. que cumplió con los parámetros propuestos inicialmente, tiene un crecimiento y una
capacidad de colonización rápida, tiene bajo requerimiento nutricional, es una cepa
autóctona, no es tóxica, es delignificadora selectiva bajo las condiciones experimentales y
cuenta con un valor agregado al atribuírsele propiedades medicinales y curativas contra
múltiples enfermedades.
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II Congreso de Ciencias Farmacéuticas de la Conferencia Hispanoamericana de Facultades de Farmacia
(COHIFFA) y el VIII Congreso Regional de Químicos Fármaco Biólogos
Medición de parámetros atmosféricos utilizando una Estación
Meteorológica
Trujillo de Santiago G., Nwosu Beltrán A., Solís Calderón K., Cruz Ocampo A., Ramírez Lara E.,
Gracia Vásquez Y., Facultad de Ciencias Químicas UANL, Avenida Universidad S. N., Cd.
Universitaria CP 66451. Tel: 83 29 40 10 ext. 6225 e-mail: noba1830@hotmail.com,
eramirez@fcq.uanl.mx, yogracia@yahoo.com
Objetivo
Analizar los parámetros meteorológicos dirección y velocidad del viento en los meses de
diciembre 2005, enero y febrero 2006, utilizando una estación meteorológica localizada en
Ciudad Universitaria.
Introducción
La problemática de contaminación ambiental, data desde el inicio de la civilización, a partir de
las actividades antropogénicas y de la naturaleza misma. Conforme la población aumenta
cuantitativamente, la contaminación se hace crítica llegando a niveles que pueden alterar la
salud de los hombres y también de los ecosistemas.
La contaminación atmosférica, por origen del hombre, se inicia con el descubrimiento y uso
del fuego para su beneficio y por causas naturales, por erupciones volcánicas o incendios
espontáneos en el ambiente próximo.
Durante la edad media la contaminación en el hogar fue frecuente en la Antigüedad.Hay
antecedentes que exponen este problema refiriéndose a las frecuentes dolencias de sinusitis
y alergias. Se han encontrado evidencias de antracosis (ennegrecimiento de pulmones) en
cuerpos momificados.
La contaminación urbana comienza con el establecimiento y aumento del tamaño de las
ciudades; ésta se producía especialmente por la acumulación de la basura en sus
alrededores y de las calderas y herrerías que funcionaban constantemente.
A partir del siglo XIX, especialmente a raíz de la Revolución Industrial, los problemas de
contaminación se hacen más severos y se inicia la preocupación por el saneamiento
ambiental.
Condiciones meteorológicas
La atmósfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones tienen una gran repercusión
en el hombre y otros seres vivos y, en general, en todo el planeta. Es un medio
extraordinariamente complejo y la situación se hace todavía más complicada y difícil de
estudiar cuando se le añaden emisiones de origen humano en gran cantidad, como está
sucediendo en estas últimas décadas. 3La importancia de las condiciones meteorológicas en el grado de contaminación atmosférica
se reconoce observando las variaciones de la calidad del aire en una zona determinada de
unos días a otros, aún cuando las emisiones permanecen prácticamente constantes.
Las principales variables meteorológicas a considerar por su influencia sobre la calidad del
aire, y que manifiestan aspectos trascendentales para este estudio son:
a. el transporte convectivo horizontal, que depende de las velocidades y
direcciones del viento; y
b. el transporte convectivo vertical, que depende de la estabilidad atmosférica y
del fenómeno de la inversión térmica de las capas de la atmósfera.
El aspecto de interés en este artículo es el transporte convectivo horizontal. En este, el
viento, al transportar los contaminantes, produce su dispersión horizontal y determina la zona
que va a estar expuesta a los mismos. Por lo general, una mayor velocidad del viento
reducirá las concentraciones de contaminantes al nivel del suelo, ya que se producirá una
mayor dilución y mezcla. No obstante, pueden producirse circulaciones cerradas de viento,
como en el caso de las brisas del mar y las de valle y montaña, en las que los contaminantes
lanzados a la atmósfera se incorporan a la circulación del viento con lo que se produce una
acumulación progresiva de contaminantes, que da lugar a un aumento de la concentración
de los mismos en las zonas barridas por este tipo de vientos . 4
El sol, la tierra y la atmósfera terrestre forman un gran sistema dinámico. El gradiente
horizontal de presión se relaciona directamente con la diferencia de temperaturas del aire,
esto conduce el movimiento horizontal en la atmósfera. Así las diferencias de temperatura
entre la atmósfera de los polos y el ecuador, y entre la atmósfera de los continentes y los
océanos, causan una amplia escala de movimientos del aire.5 Si ninguna fuerza estuviera
involucrada, el viento siempre fluiría en la dirección de la fuerza del gradiente de
temperatura. De cualquier manera, la situación es complicada un tanto por el efecto de otras
dos fuerzas. La primera aumenta la velocidad del viento y altera su dirección por la rotación
planetaria. La segunda fuerza, la fricción, disminuye la presión del viento.6
La información sobre el viento de una determinada zona geográfica se reúne en la
denominada “rosa de los vientos”. La rosa de los vientos es una representación gráfica de la
frecuencia de los vientos según su dirección y velocidad. Las direcciones se suelen dar en 8
o 16 sectores de 45º o 22,5º respectivamente, denominados según las direcciones cardinales
N, NE, E, SE, S, etc. o bien N, NNE, NE, ENE, E, etc. Estas direcciones indican de dónde
procede el viento; por ejemplo un viento del norte (N) sopla de norte a sur. 7, 8
Esta herramienta es de valiosa utilidad para investigaciones científicas en donde la velocidad
y dirección del viento son importantes. Por mencionar sólo algunas de estas investigaciones,
la revista Environmental Science & Technology reporta las tendencias temporales de la
concentración de Hidrocarbonos aromáticos policíclicos en gas y partículas en tres sitios de
Great Lake, Tagle Harbor, Buffalo y Sleeping Bear. Para ello se consideró la influencia de la
dirección y velocidad del viento para detectar la fuente de contaminación y dispersión de los
PAH.9 Por otro lado, la revista Agricultural and Food Chemistry expone un estudio acerca de
los fumigantes aplicados en tierra de cultivo y cómo pueden volatilizarse a la atmósfera
afectando a la salud del ser humano. 10
Materiales y Métodos
Se realizó un estudio retrospectivo utilizando los datos proporcionados por la estación
meteorológica, ubicada en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de
Nuevo León cuyas coordenadas geográficas son: latitud norte 25° 43’ 32’’, longitud oriente
100° 18’ 57’’.Las características de dicha estación son: marca Davis, modelo VANTAGE PROII (Imagen 1). Este equipo registra y almacena los datos de dirección y velocidad del viento
cada 30 minutos empleando el programa “Weather link” (Data logger and software for
VANTAGE PRO II).
Se analizaron los datos correspondientes a los meses de diciembre de 2005, enero y febrero
de 2006.
Los valores obtenidos por la estación meteorológica se procesaron utilizando estadística
descriptiva.
Velocidad del viento
El tratamiento de los datos se realizó de la siguiente manera:
(a) Se establecieron los siguientes intervalos de las velocidades proporcionados en
km/h: 0-.09, .1-1.99, 2-3.99, 4-5.99, 6-7.99, 8-9.99. (b) Considerando los intervalos
anteriores, se registraron las frecuencias para cada mes de las velocidades obtenidas
diariamente por la estación meteorológica. (tabla 1, tabla 2, tabla 3), (c) Los datos
condensados se graficaron a manera de histograma (fig. 1, fig. 2, fig. 3), empleando el
programa Micro Soft Office Excel 2003.
Dirección del viento
En cuanto al análisis de la dirección del viento, el equipo proporciona las siguientes
direcciones N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW y
calma.
El tratamiento de los datos se llevó a cabo de la siguiente manera:
(a) Se registraron las frecuencias de cada una de las direcciones presentadas en un
día.
(b)Se condensaron los datos de cada mes, tabulando el día del mes con las
frecuencias de las direcciones del viento (Tabla No. 1).
(c) A partir del conjunto de datos se elaboraron los histogramas correspondientes.
Resultados y Discusión
Dirección del viento
Los histogramas obtenidos muestran claramente las direcciones del viento predominantes,
las cuales se condensan en la siguiente tabla:
Tabla No. 1 Dirección del viento en diferentes meses
Direcciones de viento predominantes
1° 2° 3°
Diciembre NE NNE SW
Enero NE SW NNE
Febrero NE NNE SW
De manera global, durante el periodo analizado, es notorio el predominio de la dirección
noreste del viento, seguida de la NNE y la SW
Velocidad del vientoA partir de los rangos de velocidades establecidas para este estudio y con ayuda de los
histogramas, se hace evidente la predominancia de los vientos con una velocidad de 0.1-
1.99km/h, seguida de aquellos con una velocidad de 0-0.09km/h. Por otro lado la frecuencia
de los vientos con una velocidad de 2-3.99km/h, es muy baja, mientras que la de los vientos
de 4-5.99km/h, es casi nula presentando sólo dos frecuencias en el mes de enero.
De manera global, es evidente la presencia de vientos con mayor velocidad en el mes de
enero, seguido de febrero, siendo diciembre el mes con mayor calma.
Gráfica No. 1 Frecuencia de la velocidad del viento, mes de febrero 2006.
FRECUENCIA DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN (Km/h) DEL
MES DE FEBRERO DE 2006
480
450
420
390
FRECUENCIA (Km/h)
360
330
300
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW CALMA
DIRECCIÓN
0-0.09 0.1 - 1.99 2 - 3.99 4 - 5.99 6 - 7.99 8 - 9.99 TOTAL
Gráfica No.2 Frecuencia de la velocidad del viento, mes de febrero 2006.
DIRECCIÓN DEL VIENTO DEL MES DE FEBRERO DE 2006
460
440
420
400
380
360
340
320
300
FRECUENCIA
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW WSW WNW NW NNW CALMA
FRECUENCIAS 53 253 460 143 25 3 6 1 13 58 151 67 34 15 23 15 23
DIRECCIÓN DEL VIENTOConclusiones
Los resultados obtenidos muestran que durante los meses analizados, los vientos
predominantes fueron los de dirección NE con una velocidad de 0.1-1.99km/h, lo cual
coincide con la presencia de los vientos del norte característicos de la estación invernal.
Esta herramienta es muy útil para predecir la dispersión de los contaminantes atmosféricos
provenientes de diferentes fuentes sobre una zona en estudio, además de contribuir para
evitar efectos adversos en la salud de la población y en el medio ambiente.
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Salgado 31, 08034 Barcelona. Tel 934 016 883 Fax. 934 015 885. Edicons Virtuals:
www.edicionsupc.es e mail: edupc@sg.upc.es.
8. Funtastic Empordà. Centro náutico: Playa Riells s/n. Oficina-Almacén: Closa del Llop,
4 Dirección postal: Apdo. Correos, 140 17130 L'Escala / Girona. Teléfono: 972 774 184 - 639
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II Congreso de Ciencias Farmacéuticas de la Conferencia Hispanoamericana de Facultades de Farmacia
(COHIFFA) y el VIII Congreso Regional de Químicos Fármaco Biólogos
“DEGRADACIÓN DE FENOL EN EFLUENTES SINTÉTICOS”
Alfaro López E. *, Suárez-Herrera M. A.a,
Cerino-Córdova F.b, Sánchez-González M. a
a
Laboratorio de Biotecnología; bJefatura de Ingeniería Química
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Av. Pedro de Alba
s/n, Cd. Universitaria, C.P. 66400, San Nicolás de los Garza, Nuevo León. Telefono: (81)
83294010 ext. 6367
*
e-mail: liz_allo@yahoo.com.mx
INTRODUCCION
Las industrias, consumen grandes cantidades de agua como parte de sus procesos
generando así una gran variedad de aguas residuales, que pueden contener diversos
contaminantes. Entre las especies químicas con más alta toxicidad presente en las corrientes
de agua se encuentra el fenol, un sólido blanco-incoloro, que de manera comercial se
presenta en forma líquida. Tiene un tiempo de vida media entre 2 y 72 días, es
extremadamente tóxico a la vida acuática, presenta un fuerte y desagradable olor dulce y
alquitranado, irrita los ojos, las membranas de las mucosas y la piel; puede causar
convulsiones, afecta el hígado y los riñones.
La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido un límite
de 5 ppm para el fenol presente en el aire del área de trabajo y es necesario proteger a los
trabajadores durante jornadas de 8 h diarias y 40 h semanales. El Instituto Nacional de Salud
y Seguridad Ocupacional (NIOSH) recomienda que la concentración de fenol en el aire del
área de trabajo no sobrepase 5 ppm durante una jornada de 10 h diarias, y que no exceda 16
ppm durante un período de 15 minutos. Igualmente, la Agencia de Protección Ambiental
(EPA) recomienda no beber de por vida agua que contenga más de 4 mg/L y ha determinado
que el nivel de fenol en aguas ambientales (lagos, arroyos) se debe limitar a 3.5 mg/L con el
objeto de proteger la salud de los seres vivos de los efectos potencialmente tóxicos de la
exposición al fenol. En México de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-041-SSA1-
1993, el límite máximo permisible de fenol en agua o compuestos fenólicos es de 0.001 mg/L
(ATSDR, 1998).
La EPA ha incluido algunos compuestos fenólicos (Pentaclorofenol, Fenol, 2,4,6-
triclorofenol, 2,4,5-triclorofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,4-dimeltifenol, Tetraclorofenol, 2,4-
diclorofenol , 2-clorofenol) dentro de una lista de compuestos denominados contaminantes
prioritarios, sospechosos de producir efectos nocivos a la salud y que además pueden
encontrarse en cantidades importantes en el agua ( Bravo, et al., 2001).Considerando lo anterior, ha surgido la necesidad de tratar las aguas residuales,
cumpliendo con una legislación cada vez más estricta, en lo que concierne a la descarga de
desechos industriales. Los procesos para tratar las aguas residuales son muy diversos, entre
ellos podemos mencionar, la sedimentación, la clarificación, el tratamiento químico y el
tratamiento biológico (Kemmer y McCallion, 1999; Buitrón et al., 2004; Torres, 2003; García –
Ochoa, 2001).
Con respecto al tratamiento biológico, se ha observado que algunos microorganismos
muestran una versatilidad sobresaliente en cuanto a la tolerancia a condiciones extremas y a
la rapidez con que se adaptan y modifican sus actividades metabólicas en ambientes
altamente contaminados con compuestos recalcitrantes que son tóxicos para formas de vida
superiores (Ascon-Cabrera, 1995).
Entre los microorganismos que se han utilizado para la degradación y por lo tanto en
la remoción de fenol y otros compuestos fenólicos, podemos mencionar a las bacterias, los
hongos y las algas (Semple y Cain, 1996; Mitsunori y Masayuki, 2000), por lo cual, una
alternativa viable para la degradación de este tipo de compuestos es el uso de bacterias. Una
de las bacterias más utilizadas son las del género Pseudomonas (Hai Shen y Yi-tin Wang,
1995; Kazuya et al., 1998; Kopytko, et al., 2002; Kumar et al., 2005). En la tabla 2 se
muestran algunos microorganismos que se han utilizado en diferentes investigaciones, así
como las condiciones de crecimiento o degradación de los mismos en presencia de
compuestos fenólicos. El éxito de los métodos biológicos en la degradación de compuestos
como el fenol, se demuestra en el cada vez más común uso de biorreactores que presentan
una eficiencia de degradación que va de un 33 a un 97% (Ruiz-Ordaz, et al., 2002; Babu Z.
et al., 1991). Lo anterior ha ocasionado que se realicen múltiples investigaciones para buscar
organismos con capacidad de crecer en presencia de fenol y degradarlo. Entre las que
podemos mencionar el estudio realizado por Suárez - Herrera (2004), quien aisló bacterias
autóctonas de ambientes contaminados con fenoles de la zona metropolitana de la Ciudad
de Monterrey. Entre las bacterias aisladas e identificadas podemos citar Bacillus,
Streptococos, Mycrococus, Acinetobacter, Klebsiella y Enterobacter las cuales presentaron la
capacidad de degradar eficientemente compuestos fenólicos clorados en intervalos de 100 a
2,000 mg.L-1 bajo condiciones aeróbicas y con un medio que no presenta otro nutriente que
el fenol.
En la presente investigación se plantea utilizar el género Enterobacter ya que
actualmente es uno de los menos estudiados en lo que respecta a la degradación del fenol.
Estos microorganismos habitan en cuerpos de agua, son de tipo bacteriano, es aerobio,
Gram (-), y con una morfología de bacilo. Considerando la información antes planteada el
objetivo de esta investigación es evaluar la capacidad de Enterobacter agglomerans para
degradar fenol en un efluente sintético.
Tabla 2.- Microorganismos utilizados en pruebas de crecimiento en presencia de compuestos
fenólicos.
Microorganismo Compuesto Condiciones Resultados Autor
Bacillus, Fenol y 2-4 Medio selectivo, temperatura Aislamiento y Suárez-Herrera,
Streptococos, diclorofenol de 30°C, agitación 120rpm y crecimiento de 2004
Mycrococus, una concentración de fenol de microorganismos en
-1
Acinetobacter, 100 a 2000 mg/L altas concentraciones
Klebsiella y de compuestosEnterobacter fenólicos
Pseudomonas Fenol y Biomasa inmovilizada en Crecimiento y Kopytko, et al.,
putida 2,4- dichloro carbón, en un medio aeróbico, degradación del 99% 2002
fenoxiacético nutrientes: maltosa (0.052 g/l), combinando carbón y
fosfato (8.97 g/l), a un pH = la bacteria
7.9 y 31.5ºC, concentración
de 54.5 ppm de los
compuestos fenólicos
Spirillum Fenol Cultivo aeróbico con adición Aislamiento y Yoshifumi el al.,
de vitaminas y nutrientes a pH crecimiento en 2000
7.2-7.4 y 30°C [1.2mM]. presencia de fenol
Ochromonas Fenol Crecimiento en medio Crecimiento y Semple et al., 1996
danica Jaworski con NaHCO3 y degradación del fenol
vitaminas a 25°C, [0.02 – en condiciones
1mM]. anóxicas hasta el
64%
METODOLOGIA
Obtención de la cepa
La bacteria Enterobacter agglomerans, fue aislada de un cuerpo de agua contaminado
con fenol de la zona Metropolitana de Monterrey, e identificada por un grupo de investigación
del laboratorio de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL
encabezado por la Dra. Martha A. Suárez Herrera.
Preparación del inoculo
Se llevó a cabo a partir de un cultivo preservado en medio de sales basales
(Fathepure, et al. 1991, modificado por Suárez - Herrera, 2004) y fenol. A partir de este tubo,
se tomaron 3 asadas y se transfirieron a un matraz Erlenmeyer (EM) de 250 ml con tapón de
gasa y algodón y un volumen de 50 ml que contenía medio de sales basales y fenol estéril a
pH 7. Este matraz se colocó en un una incubadora con agitación de 120 rpm durante 48h a
una temperatura de 36 °C .
Obtención y preparación de efluente sintético
Las muestras del efluente realizase obtuvieron de una empresa encargada del
procesamiento de resinas fenólicas de la Ciudad de Monterrey. El muestreo se realizó de
acuerdo a lo señalado en las Normas Mexicanas NMX-AA-3-1980 y NMX-AA-14-1980. Para
el análisis de este efluente se utilizaron técnicas analíticas como la cromatografía liquida de
alta resolución (HPLC) y la espectroscopia de absorción atómica, encontrándose que
contenía 4% de fenol, metales pesados como plomo, mercurio, aluminio, cobre, níquel, etc., y
otras especies químicas en menor proporción. A partir de los datos analíticos se elaboró un
efluente sintético conteniendo sales basales y fenol como única fuente de carbono.
Pruebas de crecimiento y degradación en efluentes sintéticosPara las pruebas de crecimiento, se inocularon los matraces de 250 ml conteniendo 50
ml de medio de sales basales y fenol. El inóculo adicionado fue de un 10 % (v/v) del medio
con bacterias metabolicamente activas. Así mismo, la solución de fenol previamente
esterilizada por filtración, se adicionó a los matraces hasta obtener una concentración de
500. Los matraces se incubaron durante 24h bajo las mismas condiciones que el inóculo. El
crecimiento se determinó midiendo la absorbancia a 600 nm. Adicionalmente, se tomaron
muestras para obtener el peso seco de la biomasa; estas muestras se colocaron en tubos de
ensayo previamente tarados hasta peso constante en una estufa de secado al vacío a una
temperatura de 65°C. Las pruebas de crecimiento se llevaron por triplicado para validar los
experimentos. Conjuntamente, se preparó un efluente sintético sin fenol, el cual se utilizó
como testigo. Este se manejó a las mismas condiciones de agitación, temperatura y pH que
los matraces de las pruebas de crecimiento y degradación, ya mencionadas.
La concentración de fenol se determino por Cromatografía líquida de alta resolución
(HPLC) utilizando una columna Hypersil ODS C18 (Supelco) de 250mm x 4.6 mm. Las
muestras se eluyeron con una solución de metanol:agua:ácido acético (60:40:1), y las
absorbancias de los componentes resueltos se registraron a 278 nm. La concentración se
obtuvo utilizando una curva estándar con concentraciones entre 50 y 500 ppm de fenol. La
validación de los experimentos se realizó haciendo determinaciones por triplicado y utilizando
estándares internos.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Crecimiento y Biodegradación de efluentes sintéticos con 500 ppm de fenol
En la Figura 1 se muestra el crecimiento de E. agglomerans en presencia y ausencia
de fenol. Como se puede apreciar, el crecimiento en el efluente sin fenol durante las primeras
8h es mínimo (periodo de adaptación). A partir de las 12h se presenta la fase exponencial;
sin embargo, como el testigo no contiene una fuente de carbono se muestra una fase
estacionaria a partir de las 20h que se prolonga hasta el final del tiempo de experimentación.
Así mismo, la bacteria en el efluente con fenol presenta crecimiento inicial, continuando con
una fase de adaptación comprendida entre las 4h y 12h y después de este tiempo el
microorganismo comienza a crecer exponencialmente hasta las 24h. Cabe destacar que la
primera muestra (tiempo cero) en todas las pruebas de crecimiento es solo del efluente
sintético, es decir, sin el inóculo de la bacteria.
0.9
0.8
Absorbancia (600nm)
0.7 Fenol
0.6 Sin Fenol
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo (h)
Figura 1.- Comparación del crecimiento de E. agglomerans en ausencia y presencia de fenol.Para validar estadísticamente el crecimiento de la bacteria se llevó a cabo la prueba t
de student, comparando los resultados del efluente sin fenol y el que contenía fenol. Los
resultados muestra que los datos de crecimiento sin fenol y con fenol son diferentes
significativamente (tα.0025) con una densidad óptica (OD) final de 0.480 y 0.791
respectivamente.
La Figura 2 muestra el crecimiento que presenta E. agglomerans en presencia de
fenol a 500 ppm medido por absorbancia a 600 nm y el porcentaje de fenol residual
determinado por HPLC contra el tiempo.
120 0.9
0.8
100
Absorbancia (600nm)
% de Fenol residual
0.7
Fenol Biomasa
80 0.6
0.5
60
0.4
40 0.3
0.2
20
0.1
0 0
0 4 8 12 16 20 24
Tiempo (h)
Figura 2.- Crecimiento y degradación de E. agglomerans a nivel laboratorio (agitación: 120
rpm, temperatura de 36°C y pH 7).
Como podemos observar la bacteria presenta crecimiento desde las primeras 4h
obteniéndose una absorbancia de 0.159 y una degradación del fenol en un 10%. Es
importante destacar que el crecimiento de la bacteria se mantiene estable entre el periodo
comprendido entre las 4h y las 12h, sin embargo se puede observar que la concentración de
fenol disminuye en aproximadamente un 60%. A partir de las 12h la bacteria comienza a
crecer exponencialmente permitiendo entonces el consumo del resto de fenol presente en el
efluente sintético, presentando a las 24 horas de experimentación un crecimiento final de
0.791 de absorbancia y una degradación del 92%. La desaparición del fenol se observó
mediante los cromatogramas obtenidos en el HPLC (figura 3). Observándose que a las 12 h
de experimentación hay un notable decremento de fenol en la muestra sintética, siendo
continuo hasta las 24 h.
Para que la degradación del fenol ocurriera, la bacteria se tuvo que adaptar
previamente al medio y a la presencia de fenol. Durante este proceso de aclimatación las
enzimas en la bacteria son inducidas para que estén disponibles para tomar parte en las
reacciones metabólicas necesarias para la degradación de este compuesto. Al observar los
cromatogramas resultantes del HPLC se observa que el fenol se transforma a otros
metabolitos (no identificados) y casi desaparece el pico de fenol al transcurrir 24 h de
experimentación.CONCLUSIONES
En esta investigación se ha demostrado que la bacteria E. agglomerans presenta una
gran capacidad para crecer y biodegradar fenol, obteniéndose el 92 % de degradación
después de 24h de experimentación en el efluente sintético con una concentración de 500
ppm.
Se observó una correlación entre el crecimiento y la degradación, coincidiendo en los
tiempos de aparición de la fase exponencial y la disminución de la concentración del fenol.
En los resultados obtenidos se observa que la bacteria, sufre una inhibición parcial del
crecimiento en la primera etapa de la curva decrecimiento presentando una fase de
adaptación de alrededor de 12h en ambas concentraciones.
Finalmente, estos resultados demuestran que E. agglomerans es una bacteria factible
a utilizar para un escalamiento a nivel batch, por lo que permitirá continuar con la
investigación para buscar resultados a una mayor escala.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio fue financiado por el programa de Apoyo a la Investigación Científica y
Tecnológica (PAICYT- CN72902) de la U.A.N.L Así mismo, se agradece la asistencia técnica
de David Melgoza de la Fuente, Q.F.B y Carlos Castillo Zacarías, Q.F.B.
LITERATURA
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II Congreso de Ciencias Farmacéuticas de la Conferencia Hispanoamericana de Facultades de Farmacia
(COHIFFA) y el VIII Congreso Regional de Químicos Fármaco Biólogos
“INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE SÍNTESIS VIA SOL-GEL EN LAS
PROPIEDADES FOTOCATALÍTICAS DE ZnO – Fe2O3”
Maya Treviño L. Hernández Ramírez A*, UANL, Facultad de Ciencias Químicas,
Av. Pedro de Alba s/n ,Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L., México.
car_maya@hotmail.com, ahernandez@fcq.uanl.mx*
INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales procedentes de industrias tales como las de recubrimientos
metálicos, refinación de metales de oro y plata, limpieza de gases precedentes de hornos,
etc., contienen distintas formas de cianuros. El tratamiento de oxidación fotocatalítica
presenta una ventaja sobre las técnicas tradicionales para el tratamiento de efluentes
cianurados ya que asegura la destrucción de los cianuros sin generarse compuestos
intermediarios extremadamente tóxicos. Este método conduce a la transformación
cuantitativa del cianuro en cianato (CN- a OCN-), una vez lograda esta conversión, el OCN-
se oxida completamente y los productos finales son principalmente CO2 y NO3-.1
Existen diversos catalizadores (semiconductores) que son capaces de llevar a cabo este
tipo de reacciones (CdS, TiO2, ZnO, Fe2O3, etc.), teniendo como ventaja su capacidad de
excitarse con luz de contenido energético moderado (λ >310 nm), haciendo posible el
aprovechamiento de la energía solar2. Al emplear estos catalizadores se debe tener en
cuenta el método de obtención, ya que este le conferirá propiedades diferentes. En este
proyecto se sintetizó un fotocatalizador mixto ZnO-Fe2O3 por el método sol-gel; este método
ofrece múltiples ventajas como el control de la pureza de los reactivos, del grado de
homogeneidad de la mezcla de precursores, y de la microestructura3. El dopaje se realizó
con Fe2O3 (1 y 2%) como una estrategia para mejorar la eficiencia del sólido en la reacción
fotocatalítica.
METODOLOGÍA
Síntesis. Se llevó a cabo colocando en un matraz Zn(CH3CO2)2, FeCl3 y la cantidad de
agua destilada de acuerdo al experimento a realizar, bajo agitación durante 30 minutos. Se
ajustó el pH con NH4OH de acuerdo a los valores de la tabla 1. Se formó un gel de color
amarillo y se mantuvo en agitación constante durante 3 días para propiciar la polimerización
del mismo. Se ajustó la temperatura a 70°C para la evaporación del disolvente, el polvo
obtenido se denomina gel fresco. Se aplicó un diseño de experimentos factorial con 3
variables: pH, la cantidad de agua para que la hidrólisis se lleve a cabo y el % de Fe
incorporado, dando un total de 8 experimentos. En base a los resultados de los
termogramas, se trataron térmicamente los sólidos obtenidos, a 350 °C por 3 horas.
Tabla 1 Combinaciones de los niveles en los 8 experimentos
Experimento pH Cantidad de agua (mL) % Fierro
1 7 300 1
2 7 200 1
3 9 300 1
4 9 200 1
5 7 300 2
6 7 200 2
8 9 200 2Caracterización. Cada uno de los fotocatalizadores se caracterizó mediante: DRX en
polvos, Espectroscopía UV-Vis con Reflectancia Difusa y FT-IR.
Fotocatálisis. A un recipiente conteniendo una disolución acuosa de KCN de 15 ppm, fue
añadida una cantidad de 150 mg del fotocatalizador. Bajo agitación, la disolución fue
irradiada en una caja cerrada con una lámpara Spectroline, modelo XX-15N a una longitud
de onda de 365 nm. La velocidad de reacción fue seguida tomando alícuotas cada 20
minutos y analizando la cantidad de cianuro sin degradar potenciométricamente con un
electrodo de ion selectivo (Orion modelo 9406).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis Térmico (DTA-TGA). Los termogramas obtenidos en cada uno de los
experimentos muestran características similares como el de la fig. 1. En esta gráfica se
observa la primera pérdida en peso en la curva de TGA entre los 50 y 240 ° C asociada a la
volatilización del agua físicamente adsorbida en el sólido, además de que se aprecia un pico
endotérmico a los 94 ° C en la curva DTA relacionado con dicha perdida. En esta misma
curva se aprecia la formación de otro pico endotérmico atribuido a la pérdida de materia
orgánica. Finalmente, se observa una tendencia a ligeras pérdidas de peso después de los
400 °C, atribuido al proceso de deshidroxilación del sólido, característica que presentan la
mayoría de los materiales preparados por el proceso sol-gel.
2
100
90
Diferencia de temperatura (°C)
80 0
DTA
Peso (%)
70
60
-2
50
TGA
40
30 -4
0 200 400 600 800 1000
T e m p e ra tu ra (° C )
Figura 1 Termogramas de ZnO-Fe2O3 sintetizado a un pH de 7 con 300 mL de agua destilada.
Espectroscopía Infrarroja. En los espectros de IR obtenidos de los geles frescos, se
observa la presencia de la banda característica de los OH- a 3100 cm-1, otra región que se
considera representativa y que se visualiza en todos los espectros, es la comprendida entre
los
1400-1600 cm-1 que corresponde a las inflexiones producidas por los enlaces C-H de los
residuos de acetatos (fig.2).
50
35
40 30
OH
25
30
20
%T
%T
20 15
10 M -O
10
5
0
0 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -1
-1
N ú m e ro d e o n d a (c m )
N ú m e ro d e o n d a (c m )
Figura 2 Espectro IR del gel a pH 7, 1 % Fe. Figura 3 Espectro IR del gel tratado térmicamente a 350 °CEn los espectros correspondientes a los fotocatalizadores tratados térmicamente a 350 ºC,
se observa que las bandas características de los compuestos orgánicos han desaparecido
mientras que la banda de los OH- permanece, desplazándose de 3100 cm-1 a regiones de
energía más elevada (3500 cm-1). Aproximadamente a los 500 y 800 cm-1 se pueden apreciar
2 bandas anchas en todos los espectros, que se atribuye a los enlaces metal - oxígeno 4 (fig.
3).
Espectroscopía UV-Vis ( Reflectancia Difusa). El espectro de UV-Vis del fotocatalizador
tratado térmicamente, se muestra en la figura 4; se observan dos pendientes, la primera
corresponde al ZnO y la segunda de menor energía al Fe2O3, de las cuales al extrapolar se
determina la longitud de onda a partir de la cual se calcula la Eg. Espectros similares fueron
obtenidos para todos los sólidos sintetizados.Los valores calculados son menores a los
reportados bibliográficamente, debido a las condiciones de síntesis que le confiere
características electrónicas diferentes que propician sólidos con valores de Eg menores.
1 .1
Experimento Eg ZnO (eV) Eg Fe2O3 (eV)
1 .0 Exp. 1 3.01 1.82
Exp. 2 2.959 2
0 .9
Exp. 3 2.8 1.68
0 .8 Exp. 4 2.8 1.8
%A
0 .7
Exp. 5 2.7 1.75
Exp. 6 2.9 1.95
0 .6 Exp. 8 2.67 1.63
0 .5
TEORICA 3.5 2.2
Figura 4. Espectro UV-Vis, síntesis a pH 7,
0 .4 Tabla 2. Comparación de Eg experimental y
200 300 3004 0mL,
0 2 5%
0 0 fierro.
600 700 800
teórica del ZnO y Fe2O3.
L o n g itu d d e o n d a ( n m )
Difracción de Rayos X. En la fig. 5 se presentan los difractogramas correspondientes a los
sólidos tratados térmicamente. Los picos observados corresponden a las reflexiones
reportadas para la estructura cristalina del ZnO; sin embargo las correspondientes al Fe2O3
no se observaron, debido a que DRX en polvos solo detecta concentraciones mayores al 5%.
c)
b)
Intensidad
a)
2θ
Figura 5 Difractogramas (1% fierro) a) exp. a pH 7, 300 mL agua, b) exp. a pH 7, 200 mL de agua y
c) exp. a pH 9, 300 mL, tratados a 350 ºC.
Fotocatálisis. El catalizador que presenta mejor actividad fotocatalítica es el sintetizado
bajo las condiciones del experimento 2 (pH 7 y 200 mL de agua), el cual presenta un área
superficial mayor. En la siguiente tabla se muestran los valores del porcentaje de
degradación para cada experimento, incluyendo además las condiciones de síntesis. de cada
uno.Tabla 3 Porcentaje de degradación con los fotocatalizadores ZnO-Fe2O3
Experimento pH síntesis Tratamiento térmico (ºC) % de degradación
1 (300 ml) 7 350 76.90
2 (200 ml) 7 350 100.00 *
3 (300 ml) 9 350 86.23
4 (200 ml) 9 350 90.08
5 (300 mL) 7 350 36.69
6 (200 mL) 7 350 47.99
8 (200 mL) 9 350 58.69
ZnO comercial - -- 65.0
* de acuerdo a los límites de detección del método analítico (0.3 ppm)
De estos resultados podemos confirmar que el catalizador obtenido a pH 7 y menor
cantidad de agua, presenta la mejor actividad fotocatalítica. La variación en las condiciones
de síntesis da como resultado la formación de la estructura cristalina del sólido con diferente
forma y tipo de sitios activos.
CONCLUSIONES
De acuerdo al resultado del diseño de experimentos, los niveles bajos de las tres variables
propuestas en la síntesis, influyen significativamente, siendo el mayor efecto la cantidad de
agua y comprobándose así que el experimento en donde se utilizó esta combinación, dio
como resultado mejor actividad del sólido en la degradación del KCN. Este comportamiento
se debe a que las condiciones de síntesis a menor pH propician la presencia de grupos
hidroxilos en el sólido, que actúan como sitios activos, lo cual mejora el proceso fotocatalítico
de manera considerable. La oxidación casi total del cianuro se llevó a cabo en un tiempo
menor a 6 horas, lo que demuestra una mejor actividad del fotocatalizador mixto ZnO-Fe2O3
en comparación con el ZnO comercial.
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