Los contaminantes terminan en los sedimentos y… ¿Qué hacemos?
El río Reconquista es el segundo río más contaminado de la Argentina. Nace en la zona del Dique Ingeniero Carlos Francisco Roggero (DR, 34°40'51,4"S 58°51'36,7"O) y desemboca en el río Luján. A lo largo de su recorrido, recibe numerosos afluentes provenientes de zonas urbanas, industriales y agropecuarias, cuyos contaminantes se acumulan progresivamente en los sedimentos. Esta carga contaminante, sumada a la gran cantidad de materia orgánica presente en los sedimentos, favorece la selección de microorganismos capaces de tolerar y transformarla. Dichos microorganismos cumplen un rol clave en el destino de los contaminantes en el ambiente y son, a su vez, la base de distintas estrategias de biorremediación. Entre los contaminantes que se acumulan en los sedimentos se encuentran los metales pesados, que según el elemento y su concentración, pueden resultar tóxicos para el ambiente.
Nuestro grupo de investigación trabaja en el desarrollo de estrategias de biolixiviación, un proceso que utiliza bacterias para movilizar y remediar metales pesados presentes en sedimentos contaminados.
Optimización de procesos de biorremediación de metales pesados en sedimentos
Como parte de su tesis doctoral, el licenciado Mariano Medina, bajo la dirección de la Dra. Ana Tufo y el Dr. Gustavo Curutchet, trabaja en la optimización de procesos de biorremediación de metales pesados en sedimentos, utilizando bacterias nativas de la región. El estudio se centra en el sitio Troncos del Talar (TT, 34°27'22,1"S 58°35'55,3"O), ubicado en el tramo final del río Reconquista y caracterizado por elevadas concentraciones de metales pesados (Zn: 732 mg·kg⁻¹; Cu: 96 mg·kg⁻¹; Cr: 291 mg·kg⁻¹). Para más detalle ver el trabajo (paper) publicado en descargas.
En este sitio, la movilización de metales puede ser promovida por la oxidación aeróbica de compuestos reducidos de azufre y/o de Fe(II): los microorganismos nativos utilizan estos sustratos como fuente de energía, liberando metales e impulsando así la bioacidificación del sedimento. Bajo condiciones controladas, este mismo proceso puede aprovecharse como herramienta tanto para la remediación de sedimentos contaminados como para la recuperación de metales.
Figura 1. Imágenes satelitales que representan la ubicación periurbana del río Reconquista y los dos sitios de estudio: el sitio de control, Dique Ingeniero Carlos F. Roggero (Dique Roggero, DR) (34º 41' 3.6" S; 58º 51' 17.5" O), y Troncos del Talar (TT, 34º 26' 59.6" S; 58º 35' 45.3" O), Buenos Aires, Argentina. Mapa elaborado con el software de código abierto QGIS, versión 3.28.15. Debajo, muestra de agua de TT y de los sedimentos recolectados de ambos sitios.
Comunidades bacterianas nativas y su aplicación en biorremediación
El estudio del doctorando Mariano Medina tuvo como objetivo optimizar los procesos de biorremediación en sedimentos contaminados del sitio Troncos del Talar mediante el uso de bacterias nativas aisladas del sitio: bacterias oxidantes de azufre (BOS) y oxidantes de hierro (BOFe). Las cuales fueron también caracterizadas genéticamente.
Figura 2. Esquema representativo del enriquecimiento de las comunidades bacterianas hierro oxidantes (BOFe) y azufre oxidantes (BOS) provenientes del sedimento de la zona Troncos del Talar (TT), su caracterización genética y posterior aplicación en procesos de biolixiviación de metales pesados.
Se llevaron a cabo ensayos a escala de laboratorio para la remediación de los sedimentos de TT utilizando las bacterias mencionadas anteriormente (BOS y BOFe). Se evaluaron distintas combinaciones, cada comunidad por separado y ambas en conjunto, con el fin de identificar la condición que permitiera la mayor extracción de metales de los sedimentos de TT, resultando la combinación de ambas comunidades bacterianas la de mejor desempeño. En particular, se favoreció el desarrollo de biopelículas bacterianas sobre sustratos de azufre (Zn: 54%, Cu: 60% y Cr: 69%), y se observó una mayor extracción de metales en presencia de estas biopelículas que en su ausencia. Para más detalle ver los trabajos publicados en congresos en descargas.
Figura 3. Reactores en frascos agitados (Erlenmeyer). Escala de laboratorio.
El sistema óptimo fue escalado a planta piloto utilizando un reactor de agitación neumática, en el que el burbujeo de aire cumplió una doble función: la aireación del sistema y su homogeneización. Este reactor alcanzó mayores porcentajes de remoción de Zn y Cu en comparación con los frascos agitados (Zn: 90%, Cu: 68% y Cr: 44%). La geometría y los parámetros operacionales potenciaron la eficiencia del proceso, confirmando el valor de esta estrategia para futuras aplicaciones en biorremediación Para más detalle ver los trabajos publicados en congresos en descargas.
Figura 4. Reactor de agitación neumática. Escala piloto.
Las soluciones que contienen los metales extraídos (lixiviados) requieren un tratamiento adicional para recuperar los metales. Una estrategia consiste en aprovechar el metabolismo de las comunidades bacterianas oxidantes de hierro (BOFe), cuya oxidación de Fe²⁺ promueve la formación precipitados tales como la jarosita, que puede incorporar metales por coprecipitación o adsorción. De este modo, los metales quedan concentrados en una masa reducida de sólidos, desde donde podrían recuperarse para su valorización.
En este marco, y en el contexto de una beca PEFI, la estudiante avanzada de Ingeniería Ambiental Wanda Beltrán, bajo la tutela de la Dra. Ana Tufo y el Lic. Mariano Medina, llevó a cabo ensayos en reactores a pH variable, utilizando una bomba peristáltica y un titulador automático para el control del pH. El objetivo fue evaluar en qué condición de pH la formación de precipitados de Fe mediada por las comunidades BOFe generaba la mayor recuperación de metales a partir de las soluciones lixiviadas obtenidas en los ensayos de extracción de metales de los sedimentos. En particular, se logró una buena recuperación a pH fijo de 3: Zn 20 %, Cu 98 % y Cr 99 %. Para más detalle ver los trabajos publicados en congresos en descargas.
En línea con lo mencionado, el estudiante avanzado de Ingeniería Ambiental Ezequiel Wicnudel, en el marco de una Beca de Estímulo a las Vocaciones Científicas (CIN), y bajo la dirección de la Dra. Ana Tufo y la codirección del Dr. Gustavo Curutchet, llevó a cabo un estudio de caracterización de sedimentos contaminados con elevado contenido de metales pesados (Zn: 338 mg·kg⁻¹; Cu: 117 mg·kg⁻¹) provenientes del Canal José León Suárez, afluente del río Reconquista. Para más detalle ver los trabajos publicados en jornadas y congresos en descargas.
Asimismo, empleando las comunidades acidófilas aisladas de sedimentos del río Reconquista, realizó ensayos de biorremediación en sistemas batch con el objetivo de evaluar: (i) el efecto de la adición de partículas de azufre elemental, utilizadas como fuente de energía y soporte para el desarrollo de biofilms de las comunidades microbiológicas acidófilas, y (ii) el efecto de diferentes densidades de pulpa (relación masa de sedimento/volumen de solución) sobre la eficiencia del proceso de biorremediación. El Zn mostró una remoción de ~50 % con densidades de pulpa del 5–10 %, disminuyendo a la mitad con 15 %. La extracción del Cu fue de apenas 13 % con 5 % de pulpa y ~5 % con 10 % de pulpa. Estos resultados evidencian que la composición y complejidad de la matriz sedimentaria constituyen factores clave que condicionan la eficiencia del proceso de biorremediación.
La continuidad de esta línea de investigación se desarrolló en el marco de una Beca Manuel Belgrano del estudiante de Ingeniería Ambiental Nicolás Quispe Mendivil, bajo la dirección de la Dra. Ana Tufo y la codirección de la Dra. Cecilia Cantera. En esta etapa se evaluó el desempeño del proceso de biorremediación en un sistema continuo, ampliando los resultados obtenidos en los ensayos batch. Los avances alcanzados dieron lugar a la presentación de trabajos en jornadas y congresos científicos, los cuales se pueden ver en descargas.
Actualmente, la estudiante Wanda Beltran (PEFI) y el estudiante Nicolas Quispe Mendivil (adscripción de investigación, Director: Lic. Mariano Medina y co-dirección: Dra Ana Tufo), se encuentran evaluando la recuperación metálica en sistemas sintéticos variando el tipo de metal, su concentración y el pH, y caracterizar los precipitados mediante DRX, con el fin de optimizar el sistema y obtener mejores porcentajes de recuperación de una manera más sustentable.
Figura 5. A la izquierda se presenta el titulador o pH-estato que controla el pH fijo del reactor para la formación de precipitados de Fe debido al crecimiento bacteriano de las comunidades BOFe. A la derecha, se presenta el reactor con las comunidades BOFe, sin regulación del pH.
Análisis de las propiedades fisicoquímicas de los sedimentos antes y después de los procesos de remediación
En todos los casos estudiados, hemos realizado un exhaustivo análisis de las propiedades fisicoquímicas de los sedimentos en su estado original y luego de haber sido sometidos a procesos de biorremediación. Para ello, se caracterizaron las muestras mediante técnicas de difracción de rayos X (DRX), espectroscopía Mössbauer, análisis de distribución del tamaño de partículas, determinación del área superficial específica y la porosidad, entre otras metodologías. Estas determinaciones permitieron identificar las modificaciones mineralógicas, texturales y estructurales inducidas por los tratamientos, aportando información fundamental para comprender los mecanismos involucrados en los procesos de remediación y la interacción entre las comunidades microbianas y la matriz sedimentaria. Para más información de los trabajos publicados al respecto, ver en descargas.