La utilización de bagazo de cerveza y biomasas bacterianas como bioadsorbentes para la disminución de metales tóxicos de suelos y efluentes contaminados es el eje central de un trabajo de investigación que desarrolla un equipo científico de la Universidad Nacional de Río Cuarto.

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El grupo estudia la aplicación de herramientas alternativas utilizadas para mermar los efectos de estos metales en los suelos. El objetivo es favorecer el desarrollo de los cultivos, por un lado, y quitarlos de afluentes acuosos para lograr aguas recicladas de buena calidad para riego, por el otro. Concretamente, procuran la disminución de la disponibilidad de metales tóxicos a través del uso de residuos de la producción artesanal de cerveza y biomasas bacterianas.

Muchas de las actividades productivas, sobre todo de las industrias, arrojan al ambiente metales tóxicos dañinos para la mayoría de las formas de vida. La contaminación en el suelo y el agua es un problema serio. Su acumulación afecta a las plantas y a los tejidos orgánicos. Ante esa emergencia vinculada con la sanidad ambiental, el equipo del Instituto de Biotecnología Ambiental y Salud (INBIAS) trabaja para la biorremediación. Esto es, la descontaminación por una vía absolutamente proteccionista con la utilización del desecho orgánico de la producción cervecera y de microoganismos presentes en la zona.

“Remoción de metales tóxicos desde suelos y efluentes contaminados utilizando como bioadsorbentes biomasas bacterianas inmovilizadas y/o desechos industriales” es el título de este proyecto, que dirige Paola Boeris, doctora en Ciencias Biológicas, y que acaba de ser elegido en la convocatoria plurianual 2021-2023 del Conicet, con la asignación de un subsidio de 1.320.000 pesos.

Los investigadores están centrados en liberar los suelos y las aguas de la contaminación causada por el aluminio, el cobre y el zinc. Ahora piensan trabajar con cultivos de lechuga y trigo, en ensayos con aguas y suelos tratados y no tratados. Diversas actividades antropogénicas tienen efectos sobre la naturaleza, han incrementado la biodisponibilidad de metales tóxicos en el ambiente. La sobreexplotación del suelo produce alteraciones de sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Su deterioro ha aumentado por ser receptor de gran cantidad de sustancias potencialmente nocivas. Cuando se movilizan, pueden ser transferidas a las aguas y ocasionar graves problemas de contaminación.

“Los metales tóxicos en forma de alumnio+3, cobre+2 y/o zinc+2 dejan de estar unidos a las superficies minerales y comienzan a estar en solución, en el agua. En solución pueden llegar a los seres vivos y causar daño”, explica la doctora Paola Boeris, quien comparte el proyecto con el doctor en Ciencias Biológicas Andrés Liffourrena, también investigador del Conicet.

Por otra parte, todas las industrias generan aguas residuales que deben ser tratadas antes de volcarlas al ambiente. Las sales de metales de aluminio, cobre y zinc son solubles en agua, tóxicas y acumulables por los organismos que los absorben, los cuales a su vez son fuente de contaminación de las cadenas alimenticias.

La presencia de Al+3, Cu+2 y Zn+2 -cationes de aluminio, cobre y zinc; metales con carga positiva- en suelos y aguas, afecta el desarrollo y el rendimiento de cultivos de importancia agrícola y hortícola, debido a su efecto fitotóxico -que causa desórdenes fisiológicos en las plantas y que se traduce en alteraciones del aspecto, crecimiento, vigor, desarrollo y productividad.

Un catión es un ion con carga eléctrica positiva, es decir, que ha perdido electrones. Los cationes se describen con un estado de oxidación positivo. En términos químicos, es cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones de su dotación original, este fenómeno se conoce como ionización. Los metales pueden ser removidos a través de procesos de adsorción, con la utilización de diversos materiales biológicos.

“En el grupo desde hace un tiempo venimos trabajando con tres metales: aluminio, cobre y zinc, que cuando se encuentran en el agua o en el suelo como contaminantes están biodisponibles, es decir, que están con carga, como aluminio +3, cobre +2 y zinc +2. Al estar como cationes, son biodisponibles, esto quiere decir que pueden llegar a los seres vivos y ocasionar un daño, ya sea a plantas, microorganismos, animales y, por biomagnificación, puede llegar a los humanos”, puntualiza la doctora Paola Boeris y señala que “la biodisponibilidad se ha incrementado por diferentes actividades antropogénicas que llevan a contaminar o a que haya un cambio en el ambiente. Hay una modificación en el suelo y el agua, que lleva al incremento de la biodisponibilidad”.

Boeris explica que “la toxicidad depende de la biodisponibilidad. En el ambiente están presentes estos metales, pero no siempre están biodisponibles, libres como cationes para llegar a los seres vivos. Están asociados a la materia orgánica del suelo o la del agua. Cuando aumenta la concentración resultan tóxicos”.

Por otra parte, la investigadora explica que los bioadsorbentes son materiales biológicos que tienen la propiedad de adsorber el metal, el cual queda unido a la superficie, adherido. “Los metales tienen carga positiva, mientras que el adsorbente tiene carga negativa, entonces se atraen”, indica.

Por un lado, utilizan microorganismos, bacterias, metabólicamente activas -vivas- y desactivadas -muertas. En ambos casos, esa biomasa de bacterias puede adsorber metales. Trabajan con la bacteria de Pseudomonas putida A. Dado que biomasas metabólicamente activas o no de Pseudomonas putida A inmovilizada en soportes adecuados bioadsorben eficientemente Al+3, Cu+2 y Zn+2 uniéndolos a los grupos -NH, -OH, -COOH, -CO y –PO de su superficie celular, este microorganismo es utilizado como vehículo en los procesos de remoción.

Los primeros -Al+3, Cu+2 y Zn+2- tienen carga positiva. Y los segundos, los grupos funcionales aminas, oxidrilos, carboxilos, carbonilos y fosfatos, son parte de la estructura del material biológico, y tienen carga negativa. Y así es que se produce la atracción que se busca. Por otro lado, usan adsorbentes alternativos, en particular el bagazo de cebada, residuo de bajo costo proveniente de la industria cervecera, el cual presenta una alta eficiencia en la separación de estos metales.

Para la remoción de Al+3, Cu+2 y Zn+2 de aguas residuales se utilizan biomasas bacterianas metabólicamente inactivas entrampadas en perlas de agar –una gelatina que proviene de algas marinas y puede convertir el líquido en gel– y bagazo de cebada.

La adsorción es estudiada tanto en régimen discontinuo como continuo. Incluye ensayos a escala de laboratorio a través de sistemas continuos y discontinuos. En suelos, la fitotoxicidad dada por Al+3, Cu+2 y Zn+2 puede ser controlada a través de la utilización de microorganismos y/o enmiendas que limitan la biodisponibilidad de los metales en las proximidades de raíces de las plantas. Por ello, se utiliza como enmienda bagazo de cebada y, además, se desarrollan inoculantes que contienen biomasa activa de putida y/o microorganismos autóctonos inmovilizados en microperlas de alginato -que son carbohidratos complejos naturales, derivados de algas pardas. En el caso de la bacteria en el suelo, pretende utilizársela como inoculante.

Ahora se evalúa el uso de bagazo de cebada y los inoculantes obtenidos para atenuar los efectos nocivos que los metales ejercen sobre el desarrollo de las plantas. Se prevé que los suelos tratados y las aguas recicladas obtenidas post-tratamiento serán empleados para la siembra y el riego de cultivos. Y se analizará el rendimiento y la calidad de los productos obtenidos. Se utiliza el microorganismo o el bagazo de cebada. En el caso del suelo se está probando el bagazo y la bacteria viva entrampada en microperlas de alginato. Y en el caso del agua, se usa la biomasa muerta entrampada y el bagazo.

“De los estudios surgió que esta bacteria es resistente al aluminio. Comenzamos a estudiar la adsorción con esta bacteria, primero con aluminio, vimos que era útil. Y lo ampliamos a cobre y zinc, porque son metales que pueden estar presentes en la región”, señaló Paola Boeris. Y siguió: “Primero, trabajamos con esta cepa bacteriana. A la bacteria hay que hacerla crecer y encapsularla. Pero, para disminuir los costos de la adsorción, se buscó un material más barato. Así, fue que comenzamos a usar un desecho industrial, el bagazo de cebada, de la cervecería artesanal, que es descartado después de que fermenta el grano y representa el ochenta por ciento de la producción. Tiene muchas aplicaciones, nosotros lo probamos para adsorber metales y funcionó. Por eso, ahora, una parte de la investigación va por el lado del uso del bagazo de cebada, el cual llega al laboratorio húmedo, y nosotros lo secamos en estufa”.

Agregó: “Comenzamos hace años, apuntando a la biorremediación, la descontaminación, así vimos que la bacteria era capaz de adsorber metales. Arrancamos con agua y después seguimos con suelos”.

Aguas residuales

Las aguas residuales son aquellas cuya calidad está afectada en forma negativa por la influencia antropogénica, las cuales deben ser tratadas antes de retornar al ecosistema. En este caso, el propósito es liberarla de metales tóxicos, como el aluminio, el cobre y el zinc.

En el laboratorio trabajan, por un lado, con una solución en la que se diluyen los metales. Es agua con los metales disueltos. Y, por el otro, ya comenzaron a estudiar muestras traídas desde diferentes lugares de la zona. Sin embargo, el problema con los metales es su disposición final. Una forma que se ve como viable es colocar en la producción de ladrillos las perlas y el bagazo utilizados para la extracción el metal del agua.

Un desecho industrial de gran utilidad

El bagazo cervecero es un subproducto proveniente de la elaboración de cerveza que en la actualidad se descarta como residuo y, en algunos casos, es destinado para el consumo de animales.

Al agua tratada en el marco de este proyecto de investigación, se le agrega bagazo de cebada. Se pone en agitación y se ve cómo los metales que están en el agua se adsorben. Se saca el adsorbente y se comprueba que el agua está libre de metal. En el suelo también se usa este desecho industrial. Pero en este caso, no puede separarse el bagazo del suelo.

A diferencia de lo que ocurre con el tratamiento del agua, en el cual el adsorbente queda por un lado junto con el metal extraído, y el agua por el otro; en el caso de la tierra, no se separa el bagazo del suelo. Se prepara un suelo para disminuir la biodisponibilidad de metal. Estos son ensayos que han comenzado a realizarse recientemente.

El metal que está biodisponible es removido, para evitar los efectos indeseados. Si no es removido, el metal con carga +2 o +3 llega a la planta, que lo absorbe por las raíces porque está en solución. Para evitarlo, se recurre a la adición de bagazo al suelo. En el bagazo queda unido el metal. Así deja de estar en la solución suelo y no llega a la planta. Este desecho industrial no es contaminante para el suelo. Una de las aplicaciones del bagazo es utilizarlo como nutriente o como un abono; forma parte de alimentos balanceados.

Una bacteria de colección

Como adsorbente los investigadores de la UNRC usan Pseudomonas putida A, una bacteria de colección que tienen en su laboratorio y desde hace años vienen estudiando. No se la encuentra en el ambiente. En función de los estudios realizados, y considerando que esta bacteria no puede utilizarse a campo, ahora están en la búsqueda de otras cepas que funcionen de la misma forma, en términos de adsorción.

La doctora Boeris precisó: “Está todo puesto a punto en el laboratorio y se buscan otras cepas que adsorban metales. Actualmente estamos aislando microorganismos de suelos con capacidades similares a Pseudomonas putida A. Ahora se trabaja en el aislamiento de microrganismos de suelo. Por otra parte, se estudian muestras de agua de la planta de tratamiento de la Universidad y estamos aislando microorganismos que tengan la misma funcionalidad que Pseudomonas putida A y el bagazo”. Y agregó: “Si bien nuestro modelo de estudio es Pseudomonas, ahora nos ampliamos a otros microorganismos nativos”, remarcó.

Por un lado, se usa biomasa viva, porque desea empleársela también como inoculante. Aparte de adsorber los metales, se apunta a aprovechar otros factores de la bacteria que ayudan al crecimiento de la planta. La bacteria crecida es inmovilizada viva y se la emplea como inoculante de la planta. Absorbe el metal y le da otros beneficios.

A la bacteria viva se la encapsuló en microperlas de alginato. De esta manera, queda más protegida para colocarla en el suelo. La bacteria encapsula adsorbe los metales. Para las pruebas se está usando la planta Arabidopsis thaliana. Ese es el modelo con el que se trabaja a escala de laboratorio. Ahora se van a hacer ensayos con plantas que tengan importancia hortícola y agrícola en la región.

La bacteria en estudio fue colocada con esta herbácea, en presencia y en ausencia de aluminio. La planta en ausencia de la bacteria encapsulada absorbe el aluminio y eso afecta su crecimiento. En presencia de la bacteria, la misma absorbe el alumnio, por lo que deja de estar disponible para la planta y le permite crecer mejor. Por otro lado, para su uso en aguas, la bacteria es inactivada por calor -biomasa muerta- y encapsulada en perlas de agar. Y la remoción de cobre, aluminio y zinc es eficiente.

En la mira de microbiólogos de Exactas

Este grupo detecta la presencia de metales a través de métodos colorimétricos. Y ahora empezarán a enviar muestras a Córdoba, para que pueda realizarse la detección del contenido de metales a través de un espectrómetro de absorción atómica.

“Tenemos muestras de efluentes acuosos, a las que se les medirá el contenido real de metales. También comenzará a experimentarse con muestras de distintos suelos que contengan los metales de interés” indicó la doctora Paola Boeris a Argentina Investiga.

Trabajan con suelos levemente ácidos para que los metales estén con carga positiva, como cationes. Están estudiando muestras extraídas en el sur de la provincia de Córdoba, de terrenos donde hay un uso excesivo de fertilizantes nitrogenados, a los que se les suman las diferentes actividades antropogénicas, en los cuales se supone que hay presencia de los metales objeto de esta investigación. Los experimentos con suelo se hacen en pequeñas macetas.

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En agua trabajan con dos o tres litros, una cantidad importante en la escala de laboratorio. Para los ensayos usan aguas de la planta de la Universidad, de una planta de tratamiento de una empresa de cría de aves y de una laguna del sur de la provincia de Córdoba. Finalmente, se hará un seguimiento de las plantas con y sin metales, para comparar el tamaño de las hojas, la raíz, el tallo, el color, entre otros parámetros de crecimiento.

Bagazo de Cerveza para quitar metales tóxicos del agua