Bioremediacion_de_Metales_Pesados

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Bioremediación de Metales 
Pesados 
Dr. Jim Field 
Universidad de Arizona 
Departamento de Ingeniaría 
Química y Ambiental 
Bioremediación de Metales Pesados 
•  Definición de Metales Pesados: El termino metal pesado 
se refiere a todo elemento químico metálico que tenga una 
densidad relativamente alta y que sea toxico o venenoso en 
concentraciones pequeñas 
–  Peso atómico entre 63.546 y 200.590. 
–  Ejemplos de metales no esenciales: mercurio (Hg), cadmio 
(Cd), arsénico (As), cromo (Cr), talio (Tl), y plomo (Pb). 
–  Ejemplos de metales traza: cobalto (Co), cobre (Cu), hierro 
(Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), vanadio (V), selenio 
(Se), y zinc (Zn) 
Bioremediación de Metales Pesados 
•  Los metales pesados son componentes naturales de la 
corteza terrestre. No pueden ser degradados o destruidos 
–  Concentraciones bajas algunas veces son esenciales, metales traza 
–  Concentraciones altas = envenenamiento. 
•  Bioacumulación: aumento de la 
 concentración de un químico en la 
 cadena biológica alimenticia a 
 través del tiempo en comparación 
 con la concentración del químico 
 en el medio ambiente. 
Bioremediación de Metales Pesados 
•  Importancia de la Contaminación de Metales Pesados 
–  A mediados de los años 90, 389 de los 703 Sitios de la Lista de 
Prioridades Nacionales (de EEUU) contenían metales pesados 
–  Se estima que en Europa Oriental hay 100,000 sitios con 
contaminación de metales pesados 
•  Casos Famosos de Contaminación de Metales Pesados 
–  Minimata – Descargas de mercurio en la bahía de Minimata de la 
compañía Chisso Chemical (1952 = 500 muertes debido a el 
consumo de pescado contaminados) 
–  Basel – 30 toneladas de pesticidas con contenido de mercurio 
fueron descargadas en el río Rhine en 1986 por la compañía 
Sandoz Chemical 
–  Coto de Donana – un millón de m3 de lodos que contenían sulfuro, 
plomo, cobre, zinc y cadmio fueron a dar al río Guadimar en 1998 
causando un gran impacto en los sensibles lugares en donde se 
reproducen las aves 
Bioremediación de Metales Pesados 
Producción y Consumo Global de Algunos Metales Tóxicos 
 1850-1990 (World Resource Institute) 
Producción (millones de 
toneladas métricas) 
Emisiones (millones 
de toneladas 
métricas) 
PRODUCCION DE PLOMO 
PRODUCCION DE COBRE 
PRODUCCION DE ZINC 
EMISIONES DE PLOMO 
EMISIONES DE COBRE 
EMISIONES DE ZINC 
Bioremediación de Metales Pesados 
 Fuentes Principales: 
–  Baños procesadores de 
metales 
–  Drenaje acido de las minas 
–  Aguas de limpieza y 
enfriamiento 
–  Fundición de metales & 
refinación de escoria/ lodos 
–  Catalizadores usados y 
baterías usadas 
–  Lodos del proceso de 
tratamiento 
Metal tons por año 
arsénico 120,000 
cadmio 30,000 
cobre 2,150,000 
mercurio 11,000 
molibdeno 110,000 
níkel 470,000 
plomo 1,160,000 
zinc 2,340,000 
Contribución Antropogénica de 
Metales Pesados a la Biosfera 
Bioremediación de Metales Pesados 
 Geocronología de metales pesados en el lugar de establecimiento del la cuenca 
del Río Rhine, Ketelmeer [Beurskens 1995] (nota: los símbolos rellenados 
corresponden a muestras de archivo, estas muestras fueren tomados y 
guardados en 1970-1972) 
Año de deposición 
Año de deposición 
Año de deposición 
Concentración (mg/kg) 
Concentración (mg/kg) Concentración (mg/kg) 
Exposición a Plomo en Niños de la Comunidad de 
una Fundidora en la Región Lagunera, México 
Niveles de Plomo en niños que viven en lugares cercanos, intermedios y 
remotos a el complejo de una fundidora en México, (Región Lagunera) 
[García Vargas et al 2001 J. Toxicol. Environ. Health Pt A, 62:417] 
REMOTO INTERMEDIO CERCANO 
Niveles Base Típicos de Metales en Suelos y 
Sistemas Acuáticos 
a de Goldmand y Horne (1983), Leppard (1981), y Sigg (1985). b de Bidwell y Spotte (1985); c de 
Lindsay (1979); d ND, no información reportada; e Traza, niveles por debajo del nivel de detección. 
Sueloc Agua frescaa Agua de mar 
b 
Oro (Au) 
Aluminio (Al) 
Arsénico (As) 
Bario (Ba) 
Cadmio (Cd) 
Cobalto (Co) 
Cromo (Cr) 
Cesio (Cs) 
Cobre (Cu) 
Mercurio (Hg) 
Manganeso (Mn) 
Níquel (Ni) 
Plomo (Pb) 
Estaño (Sn) 
Zinc (Zn) 
(µM) 
(µM) (µM) (µmol/kg) 
Papel de los Microorganismos en la 
Movilización de Metales 
•  Lixiviación 
–  Autotrófica: Bacterias que oxidan sulfuro (Thiobacillus) 
 S0 + O2 H2S04 
•  Sedimentos acuáticos 
•  Escoria o cenizas en movimiento (Mercier et al. 1999. Environ. 
Management 24:517) 
–  Heterotrófica: Hongos → Ácidos Orgánicos 
•  Solubilización de óxidos metálicos (MnO2 Fe2O3 & fosfato) 
•  Cu-Cd-As decomisionados como preservador de maderas 
•  Volatilización 
–  Metilacion: Selenio [Stork et al 1999 Biol. Trace Element. Res. 
69:217] 
 SeO42- + orgánicos (CH3)2Se volátil 
 
 
Papel de los Microorganismos en la 
Movilización de Metales (Continuación) 
•  Solubilización Reductiva 
–  Reducción Disimilatoria: Óxidos de Hierro y Manganeso 
•  MnO2 [s] + orgánicos Mn2+ [aq] 
•  Movilización Indirecta vía Reducción del Sorbente 
–  Reducción Disimilatoria: Óxidos de Hierro con arseniato adsorbido 
•  FeOOH-As(V) [s] + orgánicos Fe2+ [aq] + As(V) [aq] 
Papel de los Microorganismos en la 
Inmovilización de Metales 
•  Biosorción (Independiente al Metabolismo) 
–  Adsorción de metales a la Biomasa Microbiana (viva o muerta): 
sorción química de metales con ligándos celulares 
•  Quimosorción Mejorada Biológicamente 
–  Adsorción de metales a minerales biogénicos: sorción química 
de cationes metálicos a un precipitado en la superficie celular 
célula 
 bacteriana 
célula 
 bacteriana 
Papel de los Microorganismos en la 
Inmovilización de Metales (Continuación) 
•  Degradación Biológica de Quelatos: 
–  Biodegradación de Metales-Quelatos Complejos: metal-citrato y 
metal-EDTA [Thomas 2000 JCTB 75:187; Satroutclinov 2000 EST 
34:1715] 
–  Cd-Citrato[aq] + HPO42- Cd3(PO4)2 [s] 
•  Precipitación Reductiva 
–  Reducción directa de metales a valencia mas pequeña de 
menor solubilidad: Por ejemplo Cr(VI) toxico soluble a Cr(III) 
menos toxico y menos soluble 
–  Cr(VI) [aq] + orgánicos Cr(III) [s] 
Papel de los Microorganismos en la 
Inmovilización de Metales (Continuación) 
•  Precipitación Reductiva Indirecta: Reducción Indirecta vía 
agentes reductivos biogénicos: Fe(II) o S2- producido por bacterias 
reductoras de sulfuro o hierro, pueden reducir Cr(VI) 
•  Metales Precipitadores de Ligándoos Biogénicos 
Inorgánicos: 
–  Biogénesis de Sulfuro: Formando bacterias reductoras de 
sulfuro o S2- que precipiten metales 
Cr(VI) [aq] + Fe(II) [aq] Cr(III) [s] + Fe(III) [s] 
Fe(III) [s] + acido orgánicos Fe(II) [aq] 
Cd2+[aq] + S2- CdS [s] 
SO42- + orgánicos S2- 
biotic 
abiotic 
Mecanismos de Tolerancia 
a los Metales Pesados 
•  Bombas de Eflujo 
–  Bombas de iones dependientes 
 de energía 
•  Tipio-P ATPases (ATP) 
•  Bombas antiporter 
 (usando la energía de 
 gradiente de H+) 
•  Proteínas ligadoras de 
 Metales 
–  Metalotineína 
•  Reductasas 
–  Reducción de metales para 
 mejorar el eflujo (As) 
–  Reducción metal a formas 
 menos toxicas (Hg) 
Mecanismos de Tolerancia a los 
Metales Pesados 
 (Tabla de Schiewer y Volesky 2000) 
Biosorción 
Definición: 
sorción de metales a la 
biomasa independiente del 
metabolismo 
Biosorbentes microbianos: 
biomasa de bacterias, fungi y 
algas 
Buena Capacidad de 
Biosorción : > 100 mg/g o 1 
mmol/g 
Mecanismos Principales: 
intercambio de iones y 
complexación 
Grupos Ligadores 
Estructura de biomoléculas importantes involucradas en el 
ligamiento de metales (Figura de Schiewer y Volesky 2000) 
Biosorción 
El Consumo Sigue una Isoterma de Adsorción Típica 
Adsorción y consumo de Cu por Chlorella vulgaris en función de la concentración de 
Cu en el medio durante una incubaciónde 40 minutos. [Mallick et al 2003 WJMB 19:695]. 
Concentración 
p
ro
te
ín
a
 -
1
 
Tecnología de la Biosorción 
Curvas de paso para la adsorción de Cobre (II) con 
flujo continuo. Sistema de lecho fijo empacado con 
Staphylococcus inmovilizado en pelotillas de Gel 
Alginate a dos velocidades de flujo diferentes. 
[Stanley & Ogden 2003 J. Environ. Mangm.69:289] 
Curva de paso típicas en reactores de lecho empacado 
(Figura de Schiewer y 
Volesky 2000) 
Adsorción Desorción 
Precipitación Reductiva 
•  Biomembranas Reductoras de Sulfatos Reducen Cr(VI) 
a Cr(III) [Smith & Gadd 2000 J. Appl. Microbiol. 88:983] 
–  88% de 500 µM Cr(VI) eliminadas con lactasa como donador de 
 electrones en 48 horas 
–  Gran parte del Cr(III) se precipito 
 como se puede ver en la figura 
–  Reducción de sulfato fue inhibida 
 en presencia de Cr(VI) 
Balance de masa del cromo en un sistema de biocelda reductora de sulfato 
después de un periodo de incubación de 48 horas con 500 µmol l -1 Cr(VI) 
Cromo Total 
Sedimento 
Liquido recirculado 
 pelotillas 
 supernata 
Biomembrana 
Cromo total 
Precipitación Reductiva 
•  Reducción Directa contra Indirecta de Cr(VI) a Cr(III) por 
Bacterias Reductoras de Sulfato [Battaglia et al 2002 JIMB. 
28:154] 
–  50 mg/l Cr(VI) fue reducido en 15 minutos por una consorcia 
microbiana reductor de sulfato en presencia de 500 ppm de H2S 
–  16 mg/l Cr(VI) fue reducido en 1 hora por una consorcia 
microbiana reductor de sulfato en ausencia de H2S. 
–  Biopeliculas reductoras de sulfato en reactores alimentados 
con H2 como donador de electrones 
•  Columnas alimentadas continuamente con 16 ppm de Cr(VI) 
•  90 mg Cr(VI) h-1 g-1 proteínas (no H2S) 
Bioremediación de Hg2+ en Chloroalkali Wastewater 
[Von Canstein et al 1999 AEM 65:5279] 
•  Pseudomonas putida Spi3 es Resistente al Mercurio 
–  Reduce Hg2+ a Hg0 metálico 
–  En laboratorio los reactores de 
 biopelicula pueden reducir 
 7 ppm de Hg2+ en el influente con 
 un 90-98% de eficiencia 
Tiempo (h) 
H
g
 (
µ
g
/l
) 
e
n
 e
l 
e
fl
u
jo
 d
e
l 
re
a
c
to
r 
Bioremediación de Hg2+ en Agua Residual de 
Cloruroalcalino 
[Von Canstein et al 1999 AEM 65:5279] 
Composición del agua residual de Cloruroalcalino 
en Europa 
Bioremediación de Hg2+ en la Planta Piloto de Agua 
Residual Cloruroalcalino (Wagner et al 2000 EST 34:4628) 
Bioreactor: Volumen de 1m3: Construido para tratamiento continuo; Carga de hasta 4 m3/h 
de aguas residuales; Llenado con gránulos de piedra pómez como soporte sólido para el 
crecimiento de bacterias; El modo de operación fue de flujo vertical ascendente; La inoculación 
fue hecha con siete cultivos de cepas de Pseudomonas resistentes al mercurio 
Además, la planta piloto completa contenía lo siguiente: 
 - Ajuste automático de pH a 7.0 ± 0.5 
 - Dosificación automática de nutrientes para las bacterias 
 - Filtro pulidor (carbón activado) después del bioreactor 
 - Medición continua de mercurio 
 S= Válvulas de seguridad 
 W= Ajuste del pH del agua residual 
 N1+N2= Contenedor neutralizador 
 M= Contenedor del medio con nutrientes 
 B= Bioreactor 
 E= Controles electrónicos 
 P= Amortiguador de Protección 
 A= Filtro de carbón activado 
 R= Deposito Regenerador 
Esquema de una planta piloto para la remoción continua automática 
de mercurio de aguas residuales mediante bacterias, desarrollado en 
cooperación entre GBF y Preussag Wassertechnik 
ENTRADA/SALIDA 
AGUA RESIDUALES 
Bioremediación de Hg2+ en Agua Residual de 
Cloruroalcalino 
[Von Canstein et al 1999 AEM 65:5279] 
Tiempo (h) 
H
g
 e
n
 F
lu
jo
 d
e
 E
n
tr
a
d
a
 
(m
g
/l
) 
H
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 e
n
 F
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jo
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 S
a
li
d
a
 (
m
g
/l
) 
Precipitación de Metales Pesados con 
Sulfuro Biogénico 
Sustancia T (°C) Ksp 
CdS 18 4.0 × 10-30 
MnS 18 3.0 × 10-14 
FeS 6.0 × 10-19 
HgS 18 1.5 × 10-53 
CuS 18 2.0 × 10-37 
PbS 3.2 × 10-28 
ZnS 3.0 × 10-25 
NiS 1.0 × 10-24 
HS- 
HS- 
Sulfuro como Ligando de 
Precipitación de Metales 
Pesados: 
 - Constantes de Solubilidad 
 Li2CO3 = 2 Li+ + CO32- 
 Ksp = [Li+]2×[CO32-] 
 - Minerales Formados: 
 galena (PbS) 
 esfalerita (ZnS) 
 pirita (FeS2) 
 calcopirita (CuFeS2) 
 calcocita (Cu2S) 
 cinabrio (HgS) 
 realgar (AsS) 
 
Constantes de solubilidad de ciertos 
metales del sulfuro 
H+ + S2- 
M2+[aq] + S2- 
SO42- + orgánicos 
bitico 
abiótico 
disociación 
MS[s] 
Biotratamiento y Recuperación de Metales del 
Drenaje Acido de Minas 
[Tabak et al. 2003 Biodegradación 14:423] 
Método General 
AGUA 
TRATADA 
METALES COMO 
PRECIPITADOS 
DE SULFURO 
GAS DE SULFURO DE HIDROGENO 
AGUA DE 
MINAS 
ACIDA 
PROCESO DE 
PRECIPITACION DE 
METALES 
BIOREACTOR 
PARA LA 
REDUCCION 
DEL SULFATO 
Biotratamiento y Recuperación de Metales del 
Drenaje Acido de Minas 
[Tabak et al. 2003 Biodegradación 14:423] 
Método General 
Biotratamiento y Recuperación de Metales del 
Drenaje Acido de Minas 
[Tabak et al. 2003 Biodegradación 14:423] 
Compuesto Concentración (mg/L) 
Metal Entrada Salida 
Al3+ 293 0.5 
Cu2+ 223 BDL 
Mn2+ 223 0.4 
Fe2+ 514 0.1 
Zn2+ 630 BDL 
Cd2+ 1.38 BDL 
Ni2+ 2.14 BDL 
As3+ 0.512 No medida 
Co2+ 1.23 BDL 
SO4
2- 2,400 24 
Eficiencia de Remoción del Proceso de Precipitación 
Biotratamiento y Recuperación de Metales del 
Drenaje Acido de Minas 
[Tabak et al. 2003 Biodegradación 14:423] 
Metal recoveries obtained during continuous process operation 
Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 
99.1 98.1 98.6 99.4 99.8 
98.6 99.4 100 - 1.8 99.7 
- 3.7 99.8 98.4 103.6 99.1 
100 99.1 99.4 99.3 99.8 
98.8 97.4 95.1a 96.8 97.1 
89.4 88.6 81.4 75.4b 87.4 
49.1 50.4 45.6 42.4 47.8 
102 98.4 99.8 99.9 100 
Recuperación de metales obtenidos durante el proceso continuo de operación 
Conversión Biológica de Anglesita (PbSO4) y 
Desechos de Plomo de Baterías de Carros a 
Galena (PbS) [Weijma et al. 2002 Biotechnol. Progr. 18:770] 
•  Baterías Usadas de Carros: Fracción Principal 
Desechada = Pasta de Plomo 
–  Composición de la Pasta 
 de Plomo: 
•  50-60% PbSO4 
•  15-35% PbO2 
•  5-10% PbO/Pb(OH)2 
•  2-5% Pb elemental 
•  Procesos Biotécnicos 
–  Conversión de la pasta de plomo a sulfuro de plomo con bacterias 
reductoras de sulfato usando gas hidrogeno como donador de 
electrones 
Conversión Biológica de Anglesita (PbSO4) y 
Desechos de Plomo de Baterías de Carros a 
Galena (PbS) [Weijma et al. 2002 Biotechnol. Progr. 18:770] 
•  Reducción de Sulfato con H2 
–  SO42- + 4 H2 + H+ → HS- + 4 H2O 
–  Cargas posibles de hasta 30 kg SO42- m-3 reactor d-1 
•  Precipitación de especies de Pb2+ con sulfuro 
–  PbSO4 + HS- → PbS + H+ + SO42- 
–  PbO+ HS- + H+ → PbS + H2O 
–  Pb(OH)2 + HS- + H+ → PbS + 2H2O 
•  Precipitación de especies de Pb4+ con sulfuro 
–  PbO2 + 2e- + HS- + 3H+ → PbS + 2H2O 
–  Dos electrones para reducir Pb4+ a Pb2+ pueden venir 
abioticamente del sulfuro o bioticamnete de H2 
•  Suministro exógeno de SO42- requerido 
–  No hay suficiente sulfato en la pasta de plomo para proveer 
sulfuro suficiente; por lo que se necesita añadir sulfuro a el 
sistema 
Conversión Biológica de Anglesita (PbSO4) y 
Desechos de Plomo de Baterías de Carros a 
Galena (PbS) [Weijma et al. 2002 Biotechnol. Progr. 18:770] 
•  Montaje Experimental 
Representación esquemática del montaje experimental 
Conversión Biológica de Anglesita (PbSO4) y 
Desechos de Plomo de Baterías de Carros a 
Galena (PbS) [Weijma et al. 2002 Biotechnol. Progr. 18:770] 
Cargas de sulfato de sodio y sulfato de plomo al reactor de gas 
C
a
rg
a
 (
k
g
 S
/m
3
/d
ía
 
Tiempo (días) 
Tratamiento y Recuperación de Zinc con 
Bacterias Reductoras de Sulfato en la 
Refinería Budelco 
•  Bacterias reductoras de sulfato aplicadas a un reactor 
de lodos anaeróbico de flujo vertical ascendente 
•  Tratamiento de agua subterránea contaminada con zinc 
en la fundidora de Budelco–  Inicialmente etanol se uso como donador de electrones 
–  Después síntesis de gas (H2) 
Compuesto Unidad Influjo Eflujo 
SO4
2- mg/l 1000 <200 
Zn2+ mg/l 30 <0.15 
Cd2+ mg/l 0.8 <0.01 
Análisis típico del flujo de entrada 
y salida (influente y efluente) 
Tratamiento y Recuperación de Zinc con 
Bacterias Reductoras de Sulfato en la 
Refinería Budelco 
agua residual 
Agua de 
enfriamiento 
Eliminación 
de fluoruro 
fluoruro de 
calcio 
Gas natural 
Reformación 
de gas 
Bioreactor 
reducción de 
sulfato 
sedimentador 
Efluente dirigida a 
segunda bioreactor 
reducción de sulfato 
Recirculación 
de lodo H2 y CO como 
e-donador 
Tratamiento y Recuperación de Zinc con 
Bacterias Reductoras de Sulfato en la 
Refinería Budelco 
influente proviente de 
primera bioreactor 
reducción de sulfato 
Etanol como 
e-donador 
efluente con 
sulfuro de hidrogeno 
Recirculación 
de lodo 
aire 
reactor de biopelicula 
lecho fijo 
FeCl3 
floculante 
y 
sedimentador de platos 
Filtro de compost 
Aire de ventilación 
Filtro de arena 
Agua limpia 
Combinación de las Tecnología de 
Movilización e Inmovilización 
Suelo 
Contaminado 
Suelo 
Limpio 
Efluente Libre 
de Metales 
Metales de Sulfuro 
Sólidos 
Nutrientes 
 Sulfuro 
 Inoculo 
Nutrientes 
Sustrato 
Inoculo 
Lixiviado del Suelo