La biosorción es un proceso fisicoquímico que ocurre de forma natural en cierta biomasa y que le permite concentrar y unir pasivamente contaminantes a su estructura celular. [1] La biosorción se puede definir como la capacidad de los materiales biológicos de acumular metales pesados de las aguas residuales a través de vías de absorción fisicoquímicas o mediadas metabólicamente. [2] Aunque el uso de biomasa en la limpieza ambiental se ha practicado durante un tiempo, los científicos e ingenieros esperan que este fenómeno proporcione una alternativa económica para eliminar metales pesados tóxicos de las aguas residuales industriales y ayude en la remediación ambiental .
La contaminación interactúa de forma natural con los sistemas biológicos. Actualmente no está controlada y se filtra en cualquier entidad biológica dentro del rango de exposición. Los contaminantes más problemáticos incluyen metales pesados, pesticidas y otros compuestos orgánicos que pueden ser tóxicos para la vida silvestre y los humanos en pequeñas concentraciones. Existen métodos para su remediación, pero son costosos o ineficaces. [3] Sin embargo, un amplio cuerpo de investigación ha descubierto que una amplia variedad de desechos comúnmente desechados, incluyendo cáscaras de huevo, huesos, turba, [4] hongos, algas marinas, caparazones de cangrejo, [5] levadura, bagazo [6] y cáscaras de zanahoria [7] pueden eliminar de manera eficiente los iones de metales pesados tóxicos del agua contaminada . Los iones de metales como el mercurio pueden reaccionar en el medio ambiente para formar compuestos dañinos como el metilmercurio , un compuesto que se sabe que es tóxico para los humanos. Además, la biomasa adsorbente, o biosorbentes, también puede eliminar otros metales dañinos como: arsénico , plomo , cadmio , cobalto , cromo y uranio . [8] [9]
La idea de utilizar biomasa como herramienta de limpieza medioambiental existe desde principios del siglo XX, cuando Arden y Lockett descubrieron que ciertos tipos de cultivos de bacterias vivas eran capaces de recuperar nitrógeno y fósforo de las aguas residuales sin tratar cuando se mezclaban en un tanque de aireación. [10] [11] Este descubrimiento se conoció como el proceso de lodos activados, que se estructura en torno al concepto de bioacumulación y todavía se utiliza ampliamente en las plantas de tratamiento de aguas residuales en la actualidad. No fue hasta finales de la década de 1970 cuando los científicos notaron la característica secuestrante de la biomasa muerta, lo que dio lugar a un cambio en la investigación de la bioacumulación a la biosorción. [8]
Aunque bioacumulación y biosorción se utilizan como sinónimos, son muy diferentes en la forma en que secuestran contaminantes:
La biosorción es un proceso metabólicamente pasivo, lo que significa que no requiere energía, y la cantidad de contaminantes que un sorbente puede eliminar depende del equilibrio cinético y de la composición de la superficie celular del sorbente. [9] Los contaminantes se adsorben en la estructura celular.
La bioacumulación es un proceso metabólico activo impulsado por la energía de un organismo vivo y requiere respiración. [9] [12]
Tanto la bioacumulación como la biosorción ocurren naturalmente en todos los organismos vivos [13] sin embargo, en un experimento controlado realizado en cepas vivas y muertas de Bacillus sphaericus se encontró que la biosorción de iones de cromo era entre un 13 y un 20 % mayor en las células muertas que en las vivas. [9]
En términos de remediación ambiental, la biosorción es preferible a la bioacumulación porque ocurre a un ritmo más rápido y puede producir concentraciones más altas. [9] Dado que los metales están unidos a la superficie celular, la biosorción es un proceso reversible, mientras que la bioacumulación es solo parcialmente reversible. [9]
Dado que la biosorción está determinada por el equilibrio, está influenciada en gran medida por el pH , la concentración de biomasa y la interacción entre diferentes iones metálicos. [3]
Por ejemplo, en un estudio sobre la eliminación de pentaclorofenol (PCP) utilizando diferentes cepas de biomasa fúngica, a medida que el pH cambiaba de bajo a alto (ácido a básico), la cantidad de eliminación disminuía en la mayoría de las cepas; sin embargo, una cepa no se vio afectada por el cambio. [14] En otro estudio sobre la eliminación de iones de cobre, zinc y níquel utilizando un sorbente compuesto, a medida que el pH aumentaba de bajo a alto, el sorbente favorecía la eliminación de iones de cobre sobre los iones de zinc y níquel. [15] Debido a la variabilidad del sorbente, esto podría ser un inconveniente para la biosorción; sin embargo, será necesaria más investigación.
Aunque el término biosorción puede ser relativamente nuevo, se ha utilizado en muchas aplicaciones durante mucho tiempo. Un uso muy conocido de la biosorción se ve en los filtros de carbón activado . Pueden filtrar el aire y el agua al permitir que los contaminantes se adhieran a su estructura increíblemente porosa y de gran área superficial. La estructura del carbón activado se genera como resultado del tratamiento del carbón con oxígeno. [16] Otro tipo de carbón, el carbón secuestrado, se puede utilizar como medio de filtración. Se fabrica mediante secuestro de carbono , que utiliza la técnica opuesta a la de creación de carbón activado. Se fabrica calentando biomasa en ausencia de oxígeno. Los dos filtros permiten la biosorción de diferentes tipos de contaminantes debido a sus composiciones químicas: uno con oxígeno infundido y el otro sin él.
Muchos efluentes industriales contienen metales tóxicos que deben eliminarse. La eliminación puede lograrse con técnicas de biosorción. Es una alternativa al uso de resinas de intercambio iónico artificiales , que cuestan diez veces más que los biosorbentes. [17] El costo es mucho menor, porque los biosorbentes utilizados son a menudo desechos de granjas o son muy fáciles de regenerar, como es el caso de las algas marinas y otra biomasa no cosechada.
La biosorción industrial se realiza a menudo mediante columnas de sorción, como se ve en la Figura 1. El efluente que contiene iones de metales pesados se introduce en una columna desde la parte superior. Los biosorbentes adsorben los contaminantes y permiten que el efluente libre de iones salga de la columna por la parte inferior. El proceso se puede invertir para recolectar una solución altamente concentrada de contaminantes metálicos. Luego, los biosorbentes se pueden reutilizar o descartar y reemplazar.