Evaluación del proceso de degradación de un colorante sintético tipo azo mediante un sistema de fermentación en estado sólido

Abstract

Resumen: La presencia de colorantes causa diversos efectos adversos en los ecosistemas acuáticos, no solo afectan la estética, sino que también inciden gravemente en la disminución de los procesos fotosintéticos y la solubilidad de gases. Además, se ha demostrado que pueden ejercer una acción carcinogénica y mutagénica en diferentes organismos. Para el tratamiento de efluentes coloreados han sido probadas distintas tecnologías fisicoquímicas y biológicas, sin embargo, los costos energéticos elevados y la formación de subproductos más tóxicos o de difícil disposición limitan su utilización. La presente investigación busca contribuir a la grave problemática de contaminación que causan los efluentes coloreados, estableciendo las condiciones óptimas del proceso de biodegradación en fase sólida del colorante sintético tipo azo Rojo Básico 46 (RB46), mediante la acción de hongos de podredumbre blanca utilizando como sustrato sólido residuos de la industria bananera. En particular, se utilizaron las especies Pleurotus ostrearus (Po), Pleurotus pulmonarius (Pp) y Trametes versicolor (Tv). Para alcanzar la máxima eficiencia en el proceso de biodegradación del colorante RB46, se evaluaron las variables más influyentes en el crecimiento de los microorganismos, encontrando, como condiciones propicias para tal fin, una temperatura de 20°C, una humedad del 90% y una proporción de carbono/nitrógeno de 12:1. Con relación a las curvas cinéticas de degradación, la determinación del colorante residual en el tiempo mostró que el hongo Tv alcanza un porcentaje máximo de degradación del 63,0%, a los 17 días de fermentación, mientras que Po y Pp tardan hasta el día 25 para alcanzar el 69,3% y 63,1%, respectivamente. Mediante pruebas estándares, se determinó la actividad enzimática de los microorganismos, donde la enzima linginolítica fúngica resultó ser la enzima predominante en las tres especies evaluadas, alcanzando con Po una actividad máxima de 18,1 UI/gss. La simulación del proceso de la biodegradación a través del Sistema Experto de predicción de rutas metabólicas de la Universidad de Minnesota, mostró que la biodegradación del colorante, a través de un proceso aerobio, conduce a moléculas de menor tamaño que son incorporadas al ciclo de Krebs. Por otro lado, se llevó a cabo un análisis preliminar del desempeño de la degradación en un fermentador de platos, a escala piloto, que permitió evidenciar la mineralización del contaminante por la producción de CO2. Finalmente, se analizaron los impactos ambientales de la industria textil, mediante una matriz de Conesa –Fernández, evidenciando los beneficios de la metodología de tratamiento propuesta para mejorar el desempeño ambiental del sector. Todos los resultados de esta investigación fueron soportados por herramientas estadísticas, tales como Diseño de Experimentos y análisis de varianza ANOVA, usando los software Statgraphics Plus, versión 5, y SAS.

Abstract: The presence of dyes causes diverse effects on aquatic ecosystems; not only they affect aesthetics but also influence the decrease of photosynthetic processes and gases solubility. Moreover, it has been demonstrated that they can exert mutagenic and carcinogenic actions on various organisms. Some physicochemical and biological technologies on the treatment of colored effluents have been tested, however, high energetic costs and the formation of more toxic or difficult disposal subproducts, limits their utilization. This investigation pretends contribute to solution of the serious problematic of colored effluents contamination, by establishing the optimum conditions of the biodegradation process in solid –phase of the synthetic dye, type azo Basic Red 46 (BR46), by the action of white-rot fungi, using wastes from the banana industries as solid substrate. In particular, species Pleurotus ostreaus (Po), Pleurotus pulmonarius (Pp) and Trametes versicolor (Tv) were used. In order to reach the maximum efficiency in the biodegradation process of BR46, the most influential variables on the microorganisms growth were evaluated, finding that the best conditions were temperature 20ºC, moisture 90%, and carbon-nitrogen proportion of 12. In relation to kinetic curves of biodegradation, determination of residual dye on time pointed out that Tv fungus reaches a degradation maximum percentage of 63.0% in 17 days of fermentation, on the other hand, Po and Pp take as far as the 25th day to reach 69.3% and 63.1%, respectively. By utilizing standard assays the enzymatic activity of the microorganisms was determined, being laccase the predominant enzyme from the three evaluated species, and reaching with Po a maximum activity of 18.1UI/gss. Simulation of the process of biodegradation through the University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database (UM-BBD), pointed out that the dye biodegradation through an aerobic process leads to minor size molecules, which are incorporated to the Krebs cycle. On the other hand, prior analysis of the degradation development in a plate-fermenter in pilot scale was made, allowing to show the mineralization of the contaminant by CO2 production. Finally, the environmental impact of the textile industry was analyzed by a ―Conesa-Fernandez‖ matrix and the benefits of the proposed treatment methodology were discussed. All the results of this investigation were supported by statistic tools, such as Experiments Design and analysis of variance ANOVA using the software Statgraphics Plus version 5 and SAS.