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Remocion de Arsenico (V) en Solucion Acuosa por Biomasa Modificada del Hongo Aspergillus niger.

Removal of Arsenic /V) in Aqueous Solution by Modified Fungal Biomass of Aspergillus niger

INTRODUCCION

La contaminacion del medio ambiente por productos derivados del petroleo, compuestos farmaceuticos, cloro, nitrofenoles y sus derivados, hidrocarburos aromaticos policiclicos, tintes organicos, plaguicidas y metales pesados es un problema muy serio, con grandes consecuencias en la salud de los organismos vivos, la falta de agua, alimentos e insumos aptos para el consumo humano (Dzionek et al., 2016). Los efectos toxicos del arsenico afectan a personas de todas las edades, principalmente aquellas que viven en la pobreza y con desnutricion: ninos, mujeres embarazadas y en lactancia, e individuos con enfermedades cronicas. Ademas, se ha relacionado su exposicion cronica por el agua de consumo humano a cancer de piel, vejiga, rinon y prostata (Basu et al., 2014). La Organizacion Mundial de la Salud recomienda una concentracion maxima de arsenico de 10 [micron]g [L.sup.-1] como un valor de referencia para el agua potable (NOM-021-SEMARNAT-2000), y se estima que en America Latina por lo menos catorce millones de personas beben en forma permanente agua con niveles de arsenico que ponen en riesgo su salud (Bardach et al., 2015), debido a que las concentraciones de arsenico, sobre todo en el agua subterranea, presentan niveles que llegan en algunos casos hasta 1 mg [L.sup.-1] (Conapris, 2006). Las formas predominantes en tierra y agua son arsenito (As (III)) y arsenato (As (V)) (Yamani et al., 2012). El arsenico trivalente incluye las especies As[(OH).sub.3], As[(OH).sub.4.sup.-], As[O.sub.2]O[H.sub.2.sup.-] y As[O.sub.3.sup.-], mientras que el arsenico pentavalente incluye As[0.sub.4.sup.3-] HAs[O.sub.4.sup.2-] y [H.sub.2]As[O.sup.4-]. Ademas, el As (III) es mucho mas toxico y movil que el As (V) (Sahmoune, 2016), y usualmente se encuentra en aguas subterraneas y en aguas hidro-termales, mientras que el As (V) es comun en aguas superficiales y aguas subterraneas oxidadas (aquellas que contienen compuestos que oxidan el As (III) a As (V, como materia organica de origen biologico).

En Mexico, la exposicion cronica al arsenico del agua subterranea, se describio inicialmente en 1958 como un problema endemico en la Comarca Lagunera (gran parte de los estados de Durango y Coahuila) (Jasso Pineda et. al., 2017). En 1962, se reportaron 40 casos severos y una muerte, en el area urbana de Torreon (estado de Coahuila). Posteriormente, se encontro que la presencia del metaloide en agua potable proveniente de fuentes de agua subterranea, era un problema en muchos otros estados de la Republica Mexicana, como Baja California, Durango, Coahuila, Zacatecas, Morelos, Aguascalientes, Chihuahua, Puebla, Nuevo Leon, Guanajuato, Jalisco, Oaxaca y San Luis Potosi; donde se encontraron concentraciones de arsenico que excedian los valores nacionales e internacionales regulatorios en el agua potable (10-50 [micron]g [L.sup.-1]) (Ramirez Meda et. al., 2017; WHO 2011), y una gran contaminacion en el acuifero colgado del Valle de San Luis Potosi (Lopez Alvarez et. al., 2013).

En el estado de San Luis Potosi, el agua subterranea es la principal fuente de abastecimiento en la zona centro y altiplano del estado, los acuiferos se encuentran a profundidades cada vez mayores, con el subsecuente aumento de contaminantes inorganicos y metales pesados. Desde el ano 2003, de forma periodica los servicios de salud del estado realizan la evaluacion de la calidad del agua en fuentes de abastecimiento para evidenciar la presencia de algunos parametros que rebasen la normatividad correspondiente (NOM-127-SSA1-1994). Se ha encontrado arsenico en algunas localidades de los municipios de Ahualulco, Villa de Ramos, Salinas, Guadalcazar, Mexquitic de Carmona y la capital del estado. En Villa de Ramos, se han reportado concentraciones de arsenico de hasta 0.179 mg [L.sup.-1]. Dentro del mismo, se encuentran tres localidades con concentraciones por arriba del valor de la Norma Oficial Mexicana. En Salinas, en la localidad La Reforma, se presentan concentraciones de 0.056 mg [L.sup.-1] y en Santo Domingo, la localidad de San Juan del Salado presenta un valor de 0.0355 mg [L.sup.-1], las cuales rebasan la concentracion de arsenico establecida por la Norma de 0.0025 mg [L.sup.-1], en la modificacion a la NOM-127-SSA1-1994 (Coronado et al., 2012). Por otro lado, en el distrito minero de San Luis de la Paz, en Villa de la Paz (8 km de la ciudad de Matehuala), se han reportado 158 mg [L.sup.-1] de arsenico disuelto, y otras concentraciones en el agua de riego de suelos agricolas y cultivos de maiz (Martinez-Villegas et al., 2013; Ruiz Huerta et. al., 2017), ademas, las aguas en contacto con los sedimentos, presentan concentraciones de arsenico de hasta 200,000 [micron]m [L.sup.-1], y los sedimentos analizados presentan concentraciones totales de arsenico de 143.00 a 2054.60 mg [Kg.sup.-1] (Torres y Martinez, 2010): tambien, se ha evaluado el riesgo sanitario de algunos sitios mineros contaminados con arsenico y plomo en Villa de la Paz (Jasso Pineda et. al., 2017), y se ha reportado una gran contaminacion en el acuifero colgado del Valle de San Luis Potosi por diferentes fuentes (Lopez Alvarez et. al., 2013).

Por otro lado, se ha tratado de eliminar el arsenico de nichos contaminados, con algunos metodos como: coagulacion-floculacion, precipitacion, adsorcion, intercambio ionico y filtracion en membrana, pero la mayoria son muy caros y no hay una remocion total, tienen baja selectividad y presentan dificultades para la eliminacion de lodos toxicos (Mathew et. al., 2016). Tambien, se ha estudiado la remediacion en agua para consumo humano con resinas de intercambio ionico y por hongos aislados de suelos con resultados positivos (Prieto-Garcia et. al., 2012; Srivastava et. al., 2011). Se ha observado un aumento en la remocion de As (V) por huesos carbonizados de animales cubiertos con manganeso (Liu et. al., 2016), la biomasa modificada de diferentes hongos (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015), asi como otras biomasas biologicas (Srivastava y Dwivedi, 2015). El objetivo de este trabajo fue analizar la capacidad de remocion de As (V) en solucion acuosa por la biomasa modificada de Aspergillus niger.

METODOLOGIA

Se trabajo con una cepa de A. niger que crece en 300 ppm de As (V), y que fue aislada a partir del aire contaminado de una zona aledana a la Facultad de Ciencias Quimicas de la UASLP (en una gasolinera, a un lado de una glorieta que tiene una gran circulacion vehicular), San Luis Potosi, S.L.P., Mexico. La cepa fungica se mantuvo de manera rutinaria en agar papa dextrosa. Para la obtencion de la biomasa, se sembraron 1 x [10.sup.6] esporas [mL.sup.-1] del hongo, en matraces Erlenmeyer de 1 L, conteniendo 500 mL de caldo Sabouraud dextrosa, incubando durante 5 dias a 28[grados]C y 100 rpm. Posteriormente, se obtuvo la biomasa por filtracion, se lavo con 200 mL de agua tridesionizada y se coloco en cajas de Petri incubando a 70[grados]C en un horno hasta sequedad, despues se pulverizo en un mortero, y se guardo en un frasco ambar esteril hasta su uso. Para la preparacion de la biomasa cubierta con oxido de hierro, se tomaron 20 g de la biomasa fungica, y se le anadieron 80 mL de Fe[(N[O.sub.3]).sub.3] x 9[H.sub.2]O 2 M y 1 mL de NaOH 10 M, se homogenizo la solucion en un recipiente de porcelana (crisol), por agitacion a 100 rpm por 15 minutos, y se incubo durante 3 h a 80[grados]C, y posteriormente a 120[grados]C durante 24 h. Se enfrio 1 hora a temperatura ambiente, y la biomasa tratada se homogenizo en un mortero (Pokhrel y Viraraghavan, 2006).

Se trabajo con 100 mL de una solucion de 1 mg[L.sup.-1] de As (V) obtenida por dilucion de una solucion patron de 100 mg[L.sup.-1] a partir de [Na.sub.2]HAs[O.sub.4] en agua tridesionizada. Se ajusto el pH de la solucion a analizar con HN[O.sub.3] 1 M y/o NaOH 1 M, antes de adicionarla a la biomasa modificada. Posteriormente, se hicieron diluciones a concentraciones de 1 a 5 mg[L.sup.-1] del metaloide. Para los estudios de remocion, a matraces Erlenmeyer de 250 mL que contenian 1.0 g de la biomasa modificada (previamente esterilizada a 120[grados]C/20 minutos), se les adicionaron 100 mL de una solucion de 1 mg [L.sup.-1] de As (V) incubando a 28[grados]C y 100 rpm, tomando alicuotas de 5 mL a 0, 4, 8, 12, 16, 20, 24 y 28 horas, las cuales se centrifugaron a 3000 rpm (5 min), y al sobrenadante respectivo se le determino la concentracion de iones arsenico en solucion por Espectrometria de Absorcion Atomica por generacion de Hidruros (Espectrometro de Absorcion Atomica Varian, modelo Spectra AA- 20), de acuerdo al procedimiento senalado por la Norma Oficial Mexicana (SSA, 1994). Todos los experimentos se realizaron un minimo de 3 veces y por triplicado. Tambien, se realizo un estudio de biorremediacion en 100 mL agua natural contaminada con 1 mg [L.sup.-1] de As (ajustado), colectada en Cerrito Blanco, Matehuala, San Luis Potosi, Mexico, se ajusto el pH a 6.0, y se agrego 1.0 g de biomasa fungica modificada, incubando a 28[grados]C con agitacion constante durante 24 h, tomando muestras a las 0 y 24 h, y se determino la concentracion de iones As (V) en solucion.

Se realizo un estudio con enfoque cuantitativo, analitico, explicativo y experimental. La informacion obtenida fue procesada y analizada mediante el programa SPSS v.20 (SPSS Inc., Chicago Illinois) y Microsoft Office Excel Professional Plus 2010, formato .xlsx. Se emplearon tablas y figuras para la presentacion descriptiva de los resultados. Asi mismo para encontrar asociacion entre las variables se realizo la prueba estadistica t de student, con una significancia estadistica <0.05.

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Figura 1, se observa el efecto de la biomasa nativa y modificada de A. niger, y del pH sobre la remocion de As (V) en solucion, encontrando que la remocion con la biomasa natural es de 10.1 [+ o -] 0.15% (IC 95% 9.7-10.5) y con un pH [desigual a] 6 de 5.3 [+ o -] 2.4%, (IC 95% 4.0-6.4) con una diferencia significativa (p=0.003).

Estos resultados son similares a los reportados para la biomasa natural de Paecilomyces sp (10.1%) (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015), los huesos carbonizados de animales cubiertos con manganeso (1.2%) (Liu et. al., 2016), para materiales derivados de Maracuya (Passiflora edulis) (5.95%) (Ilina et. al. 2009), y para la biomasa modificada de A. niger para la remocion de As (III) Santos et al., 2017). Se ha reportado que las propiedades estructurales del bioadsorbente, como el soporte celular y otros factores, afectan la capacidad de remocion del As (III) (Sahmoune, 2016). Con respecto a la biomasa tratada con oxido de hierro, la remocion fue muy eficiente (69%, pH 6.0, 24 h de incubacion) (Figura 1). El metaloide, es removido mas eficientemente a un pH de 6.0, debido a que a este pH es parcialmente ionizado a la forma [H.sub.2]As[O.sup.-3] y forma complejos con la biomasa tratada, mientras que a pH's mayores, se incrementan en la solucion los iones O[H.sup.-], y compiten con los iones de As (V) en la solucion, y por lo tanto la remocion es menos eficiente (Yamani et al., 2012), con una diferencia (p=0.001), a un pH de 6 (89 [+ o -] 1%, IC 95% 88-90) y con un pH*6 (41.2 [+ o -] 21.2%, IC 95% 32.4-51.5). Estos resultados son similares a otros reportes como: Paecilomyces sp., y A. niger tratados de manera similar, para la remocion de As (V) y As (III) (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015; Santos et al., 2017), el micelio modificado de Aspergillus fumigatus (Sathishkumar et. al., 2004), materiales derivados de Maracuya tratados con Fe (III) (Ilina et. al. 2009) y la biomasa de A. niger cubierta con oxido de hierro (Pokhrel y Viraraghavan, 2006).

En la Figura 2, se observa la remocion de As (V) por la biomasa fungica modificada a diferentes tiempos de incubacion y pH de 6.0, encontrando que a mayor tiempo de incubacion es mayor la remocion (69% a las 28 h), lo cual indica mayor disponibilidad de los sitios de union del bioadsorbente (Raje y Swain, 2002), con una diferencia (p=0.022) en la media, con 24 horas de incubacion (89 [+ o -] 1%, IC95% 88-90) y con menos de 24 horas de incubacion (48.4 [+ o -] 27.6%, IC95% 35.8-60.9).

Despues de este tiempo, no hay un aumento significativo en el porcentaje de remocion del metaloide. Estos resultados son similares a los reportados para la biomasa del hongo macromiceto Trametes versicolor modificada con polietilenimina (Song et. al., 2015), para los hongos Paecilomyces sp. y A. niger tratados de manera similar para la remocion de As (V) y As (III) (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015; Santos et al., 2017), la oxidacion de As (V) por hidroxidos estructurales de Fe (II) Shao et. al., 2016) y para el alga Botryococcus braunii (Podder y Majumder, 2016). Por otra parte, la capacidad de remocion es mejor a menor temperatura (p=0.001) (Figura 3), con una media de 89 [+ o -] 1% (IC 95% 88-90) y a mas de 30[grados]C de 79.2 [+ o -] 3.3% (IC 95%, 77.1-81.2), con una diferencia significativa (p=0.001).

Lo cual es similar a lo reportado para las biomasas modificadas con oxido ferrico de Paecilomyces sp. (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015), materiales derivados de Maracuya (P. edulis) tratados con Fe (III) (Ilina et. al. 2009) y la biomasa de A. niger cubierta con oxido de hierro (Pokhrel y Viraraghavan, 2006), Pero, son diferentes a los reportados para la biomasa del hongo macromiceto T. versicolor modificada con polietilenimina (Song et. al., 2015) y para la biomasa de la cascara de Citrus limetta (Kamsonlian et. al., 2013). La temperatura puede ser importante para los mecanismos dependientes de energia en la bioadsorcion de metales por microorganismos, aunque la bioadsorcion de As (V) por el hongo A. niger, parece ser independiente de la temperatura analizada.

Con respecto al efecto de diferentes concentraciones de As (V) en solucion (1-5 mg [L.sup.-1]), sobre la remocion del mismo, se encontro que, a mayor concentracion, disminuye su remocion pues con 1 mg [L.sup.-1] de As (V) se remueve el 69%, mientras que con 5 mg [L.sup.-1] se elimina un 48% a las 24 h (Figura 4), lo cual probablemente se debe a que el numero de iones adsorbido de la solucion a bajas concentraciones, es mayor que los adsorbidos a partir de soluciones con altas concentraciones del metaloide.

Resultados similares se han reportado para el micelio modificado de A. fumigatus (Sathishkumar et. al., 2004), la biomasa modificada con oxido ferrico de Paecilomyces sp., (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015), el alga B. braunii (Podder y Majumder, 2016), diferentes especies de Bacillus y Lysinibacillus (Eman et. al., 2015) y para las bacterias Bacillus macerans, Bacillus megaterimand y Corynebacterium vitarumen, aisladas de suelos contaminados (Ghodis et. al., 2011).

Por otro lado, a mayor concentracion de la biomasa modificada, hay mayor remocion del metaloide en solucion (96% de remocion con 5 g, a las 24 h) (Figura 5), lo cual se puede deber a que hay mas sitios de bioadsorcion del metal, pues la cantidad de bioadsorbente anadido determina el numero de sitios de union disponibles para la bioadsorcion del metal (Tuzen et al., 2009). Resultados similares se han reportado para la biomasa de la cascara de C. limetta (Kamsonlian et. al., 2013), el alga B. braunii (Podder y Majumder, 2016) y la biomasa modificada con oxido ferrico de Paecilomyces sp. (Cardenas-Gonzalez et. al., 2015). Ademas, analizando la remocion de 25 mg [L.sup.-1] de As (V), con 25 g de biomasa modificada, se encontro una remocion del 75% a los 7 dias de incubacion, con una diferencia (p=0.002) entre la media de (75 [+ o -] 3%, IC95% 72-78) (Figura 6).

Finalmente, la biomasa fungica modificada, se utilizo para la remocion de As (V) de muestras de agua contaminadas con 1 mg [L.sup.-1] L, procedentes de Zimapan, estado de Hidalgo, Mexico, sitio en el cual, el agua subterranea esta altamente contaminada de manera natural con As (0.6 mg [L.sup.-1]) (Prieto-Garcia et. al., 2012), lo cual indica que esta concentracion es mayor al limite maximo permitido para el agua de beber (0.5 mg [L.sup.-1]) de acuerdo a la NOM-127-SSA1-1994, y de 0.25 mg [L.sup.-1] de acuerdo a la NOM-127-SSA1-1994-2000 (1994). Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1, donde se observa que despues de 24 h de incubacion, la concentracion de As (V) se reduce a un valor de 0.44 mg [L.sup.-1] (56% de remocion), lo que indica la eficiencia del material bioadsorbente para la remocion del metaloide de las muestras de agua. Estos resultados son parecidos para la remocion de As (V) con la biomasa modificada con oxido ferrico de Paecilomyces sp. (Acosta-Rodriguez et al., 2013), el alga B. braunii (Podder y Majumder, 2016), resinas de intercambio ionico (Prieto-Garcia et al., 2012), arena cubierta con oxido de fierro (Thirunavukkarasu et. al., 2003) y materiales derivados de Maracuya tratados con Fe (III) (Ilina et al., 2009), y para la remocion de As (V) por nueve biomasas fungicas modificadas con oxido ferrico (Cardenas-Gonzalez et al., 2017).

CONCLUSIONES

La biomasa modificada de A. niger, remueve un 69% de As (V) en solucion (1 mg [L.sup.-1]), a las 24 h de incubacion, 28[grados]C, 100 rpm y 1 g de biomasa; y elimina eficientemente el metal in situ (56% en agua contaminada con el metaloide). Estos resultados sugieren la potencial aplicabilidad de esta biomasa para la remediacion de nichos acuaticos contaminados con As (V).

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642017000600006

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(1) Universidad Autonoma de San Luis Potosi, Facultad de Ciencias Quimicas, Centro de Investigacion y de Estudios de Posgrado, Laboratorio de Micologia Experimental. Av. Dr. Manuel Nava No. 6, Zona Universitaria, 78320 San Luis Potosi, S.L.P. Mexico.

(2) Universidad Autonoma de San Luis Potosi, Unidad Academica Multidisciplinaria Zona Media. Carretera Vio Verde san Ciro Km 4.5. Colonia Puente del Carmen, 79617 Vio Verde San Luis Potosi, Mexico. (e-mail: iacosta@uaslp.mx).

Recibido Abr. 13, 2017; Aceptado Jun. 19, 2017; Version final Ago. 9, 2017, Publicado Dic. 2017

Leyenda: Fig. 1: Remocion de As (V) (1mg 100 [mL.sup.-1]) por la biomasa nativa y modificada de A. niger (1g). 28[grados]C. 24 h. 100 rpm a diferentes pH's.

Leyenda: Fig. 2: Efecto del tiempo de incubacion sobre la remocion de 1mg 100 [mL.sup.-1] de As (V). 28[grados]C. 100 rpm. 1g biomasa modificada. pH 6.0.

Leyenda: Fig. 3: Efecto de la temperatura de incubacion sobre la remocion de 1 mg 100 [mL.sup.-1] de As (V) por 1g de biomasa modificada de A. niger. 24 h. pH 6.0. 100 rpm.

Leyenda: Fig. 4: Efecto de la [As (V)] en solucion sobre la remocion del mismo. pH 6.0. 1.0 g biomasa modificada. 28[grados]C. 24 h de incubacion.

Leyenda: Fig. 5: Efecto de la [biomasa fungica modificada] sobre la remocion de 1 mg 100 [mL.sup.-1] de As (V). 100 rpm. PH 6.0. 28[grados]C. 24 h de incubacion.

Leyenda: Fig. 6: Remocion de As (V) por 10 g de biomasa modificada de A. niger. 25 mg [L.sup.-1] de As (V). 100 rpm. 28[grados]C. pH 6.0.
Tabla 1: Remocion de As (V) de agua natural contaminada
con 1.0 mg [L.sup.-1]. 1 g de biomasa modificada, 100 rpm,
28[grados[C, pH 6.0 (ajustado), 24 h de incubacion

Tiempo de Incubacion(Horas)    % de Remocion

0                                    0
24                                  56
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Author:Santos-Dominguez, Erik E.; Vargas-Morales, Juan M.; Cardenas-Gonzalez, Juan F.; Acosta-Rodriguez, Is
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Dec 1, 2017
Words:4828
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