Biosorción

La biosorción es un proceso fisicoquímico que ocurre naturalmente en cierta biomasa y que le permite concentrar y fijar pasivamente contaminantes en su estructura celular. ^{[ 1 ]} La biosorción puede definirse como la capacidad de los materiales biológicos para acumular metales pesados ​​de las aguas residuales a través de vías de absorción mediadas metabólicamente o fisicoquímicas. ^{[ 2 ]} Si bien 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 naturalmente 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 de remediación, pero son costosos o ineficaces. ^{[ 3 ]} Sin embargo, una extensa investigación ha encontrado que una amplia variedad de desechos comunes, incluyendo cáscaras de huevo, huesos, turba, ^{[ 4 ]} hongos, algas marinas, caparazones de cangrejo, ^{[ 5 ]} levadura, bagazo ^{[ 6 ]} y cáscaras de zanahoria ^{[ 7 ]} pueden eliminar eficazmente iones tóxicos de metales pesados ​​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 conocido por ser 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 en la limpieza ambiental 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 crudas al mezclarlas 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. No fue hasta finales de la década de 1970 cuando los científicos notaron la característica de secuestro en la biomasa muerta, lo que resultó en un cambio en la investigación de la bioacumulación a la biosorción. ^{[ 8 ]}

Aunque la bioacumulación y la biosorción se utilizan como sinónimos, son muy diferentes en la forma en que secuestran los contaminantes:

La biosorción es un proceso metabólicamente pasivo, lo que significa que no requiere energía, y la cantidad de contaminantes que un adsorbente puede eliminar depende del equilibrio cinético y de la composición de la superficie celular del adsorbente. ^{[ 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 de forma natural en todos los organismos vivos ^{[ 13 ];} sin embargo, en un experimento controlado realizado con 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 células vivas. ^{[ 9 ]}

En términos de remediación ambiental, la biosorción es preferible a la bioacumulación porque ocurre a mayor velocidad y puede producir concentraciones más altas. ^{[ 9 ]} Dado que los metales se unen 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 cambió de bajo a alto (ácido a básico), la cantidad de eliminación disminuyó 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 adsorbente compuesto, a medida que el pH aumentó de bajo a alto, el adsorbente favoreció la eliminación de iones de cobre sobre los iones de zinc y níquel. ^{[ 15 ]} Debido a la variabilidad en el adsorbente, esto podría ser una desventaja para la biosorción; sin embargo, se necesitará más investigación.

Aunque el término biosorción sea relativamente nuevo, se ha utilizado en numerosas aplicaciones durante mucho tiempo. Un uso muy conocido de la biosorción se observa en los filtros de carbón activado . Estos pueden filtrar aire y agua permitiendo que los contaminantes se adhieran a su estructura increíblemente porosa y de gran superficie. La estructura del carbón activado se genera como resultado del tratamiento del carbón vegetal con oxígeno. ^{[ 16 ]} Otro tipo de carbón, el carbón secuestrado, puede utilizarse como medio de filtración. Se obtiene mediante el secuestro de carbono , que utiliza la técnica opuesta a la de la creación del carbón activado. Se obtiene 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 mediante técnicas de biosorción. Esta 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 suelen ser residuos agrícolas o son muy fáciles de regenerar, como es el caso de las algas marinas y otra biomasa no cosechada.

La biosorción industrial se realiza frecuentemente mediante columnas de sorción, como se muestra en la Figura 1. El efluente que contiene iones de metales pesados ​​se introduce en la columna desde la parte superior. Los biosorbentes adsorben los contaminantes, permitiendo que el efluente libre de iones salga de la columna por la parte inferior. El proceso puede invertirse para obtener una solución altamente concentrada de contaminantes metálicos. Posteriormente, los biosorbentes pueden reutilizarse o desecharse y reemplazarse.