Desulfuración Biológica: Una Alternativa para el Tratamiento de Emisiones de Gases a la Atmósfera

Resumen

Resulta de gran importancia para la protección del medio ambiente, el empleo de bacterias incoloras del azufre por sus potencialidades en la desulfuración como oxidadores de sulfuro en el ciclo del azufre. Estas bacterias son fácilmente identificadas debido a su diversidad morfológica y fisiológica. Se detallan algunas de sus características: pH, temperatura, tinción de Gram, oxidación y fuentes energéticas. Se describen los métodos químicos, físicos y biológicos, así como los mecanismos utilizados en las tecnologías para el tratamiento de purificación de gases como el sulfuro de hidrógeno.

Introducción

El creciente desarrollo de la humanidad, asociado a la continua industrialización, urbanización y empleo de motores de todo tipo, ha devenido en el incremento de la contaminación ambiental. Algunos de los problemas más graves a que nos enfrentamos provocados por la emisión de compuestos orgánicos e inorgánicos, son las lluvias ácidas, el efecto invernadero y el envenenamiento de las aguas y los suelos a través del vertimiento de aguas residuales domésticas e industriales.3

El sulfuro de hidrógeno es el componente del gas natural que ha sido motivo de investigación para su eliminación, debido a que es altamente tóxico y corrosivo, lo que constituye una gran desventaja, pues dificulta el trasiego del gas por tuberías y su almacenamiento en tanques y otras estructuras metálicas. En los yacimientos cubanos de gas natural la concentración de sulfuro de hidrógeno puede alcanzar de 7-8 porciento; valores que son altamente perjudiciales para el hombre y la industria.

En general, las principales contaminaciones ocurren por dos tipos de azufre, el orgánico y el pirítico, que requieren para su eliminación por métodos biológicos de diferentes microorganismos tal como Thiobacillus ferrooxidans, primer microorganismo lixiviador identificado y uno de los más estudiados.5, 14

La biodesulfuración es el proceso en el cual se emplean microorganismos para remover sulfuros del medio. Se basa en la capacidad de ciertos microorganismos para oxidarcompuestos reducidos de azufre transformados en compuestos de fácil eliminación. Este proceso posee una serie de ventajas como: bajos costos de inversión y de operación ya que utiliza equipos sencillos y de bajo consumo de reactivo, menor consumo energético al poderse trabajar a temperatura ambiente, así como, la posibilidad de eliminar tanto el azufre pirítico como parte del orgánico.

Sin embargo, el procedimiento es lento, siendo necesario buscar nuevos microorganismos que reduzcan los tiempos de residencia y hagan más competitivo el proceso a nivel industrial.

En este trabajo se refleja una panorámica del proceso de desulfuración empleando diferentes métodos para solucionar algunos de los problemas más graves provocados por la emisión de gases. Se enfatiza en la biodesulfuración por bacterias incoloras del azufre, en cuanto a sus características morfológicas y fisiológicas, sus ventajas y utilización de las mismas en el tratamiento del biogás.

Bacterias incoloras del azufre

Las bacterias incoloras del azufre juegan un papel esencial en la parte oxidativa del ciclo del azufre (ver Figura 1). Dicho ciclo cuenta con una parte oxidativa y una reductiva, las cuales, en los ecosistemas, están en balance.2

En la parte reductiva, el sulfato (algunas veces azufre elemental) funciona como un receptor de electrones en la ruta metabólica utilizada por un amplio rango de bacterias anaeróbicas, principalmente para la producción de sulfuro.

En la parte oxidativa del ciclo, los compuestos reducidos de azufre funcionan como donadores de electrones para bacterias anaeróbicas fototróficas, o el crecimiento proporciona energía para los grupos extremadamente diversos, generalmente, de bacterias incoloras del azufre.

Los productos de oxidación común del sulfuro son el azufre elemental y el sulfato. El adjetivo “incoloras” es usado porque estas bacterias carecen de fotopigmentos, aunque se reporta actualmente que colonias y cultivos densos pueden ser rosado o carmelita por su alto contenido de citocromo.13

Las bacterias incoloras del azufre abarcan un amplio rango de diferentes tipos con diversa morfología, fisiología, propiedades ecológicas, y diverso requerimiento medio ambiental. La Tabla 1 presenta los diferentes géneros que han sido tradicionalmente reconocidos como bacterias incoloras del azufre (parte I), y otros géneros que contienen especies originalmente no clasificadas que han demostrado ser capaces de obtener energía de la oxidación de compuestos reducidos de azufre (parte II).8

Los intervalos de pH y temperatura que permiten el crecimiento de estas bacterias oscilan entre 1 y 10 unidades y entre 4 y 95 grados Celsius (°C), respectivamente.7 Muchas de ellas utilizan el oxígeno molecular como receptor final de electrones, pero también otras especies utilizan el nitrato.15 Algunas de las reacciones que generan energía de compuestos inorgánicos sulfuro-reducidos usando oxígeno y nitrato como receptores de electrones, son ilustradas en la Tabla 2.13 Las bacterias incoloras del azufre serán encontradas en casi todos los nichos ecológicos donde los compuestos reducidos de azufre están presentes, debido a que los rangos de hábitat son amplios.9

Diversidad morfológica y fisiológica

Las bacterias incoloras del azufre son un grupo que comprenden diferentes formas bacilos, espirales, cocos, células filamentosas y Archaebacteria . Las células más grandes reportadas en la edición de 1989 del Manual Bergey’s, son de 50 mm de largo.15

La gran diversidad de bacterias incoloras del azufre es también reflejado en su fisiología. Las especies de Thiobacillus crecen lentamente y son muy pequeñas, lo que dificulta el trabajo de los investigadores, para realizar estudios de aislamiento e identificación.4 El uso de los métodos tradicionales de aislamiento e identificación en cultivos puros sólo brindan información acerca de la morfología y fisiología de las cepas, mientras que los análisis de biología molecular juegan un rol importante en la identificación de estas cepas.

La bacteria Thiobacillus ferrooxidans es Gram negativo, no esporulante, de morfología bacilar y móvil mediante el uso de flagelos. Beggiatoa, es una bacteria filamentosa autótrofa facultativa que está presente en aguas residuales.

Energía y fuentes de carbono o donadores de electrones

Usualmente las bacterias incoloras del azufre incluyen quimolitotróficos obligados (Thiobacillus y Thiomicrospira), facultativos (Sulfolo- bus, Thermothrix, Paracoccus y Thiobacillus) y quimiolito-heterótrofos (Pseudomonas, Beggiatoa y Thiobacillus). 9

En la Tabla 3 se presentan géneros de bacterias capaces de oxidar el azufre. La especie de Thiobacillus. thiooxidans es la más empleada, la cual puede oxidar el azufre en un amplio rango de pH desde 1 a 9 y tolerar altas concentraciones de metales en el proceso de lixiviación.7

Las especies de Lectospirillum ferrooxidans, oxidadoras de hierro, crecen a temperaturas mayores de 40° C, aunque algunas presentan temperaturas óptimas de 45° C y han sido capaces de crecer a 55° C.12 Algunas especies de Beggiatoa producen gránulos de azufre cuando crecen en presencia de H2S o tiosulfato y fijan dinitrógeno utilizando
nitrato, nitrito, amonio y ciertos aminoácidos como fuente de nitrógeno, es cultivada fácilmente en medios bajo de nutrientes y vive en un medio ambiente a pH ácido.1

Sulfolobus fue el primer Archaea hipertermofílico descubierto; se encuentra en manantiales ácidos, suelos con temperaturas entre 60 y 95° C, pH de 1 a 5 y crece en ambientes ricos en sulfuro.16

Los Thiobacillus en su metabolismo, utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía y CO2 como fuente de carbono.

Favorecen su crecimiento empleando enriquecimiento del cultivo en medio líquido con NH4Cl (fuente de nitrógeno), Na2S2O3 (fuente de energía), otras fuentes (Mg, K, Ca y Fe) y elementos trazas como cofactores para enzimas.4 Thiobacillus ferrooxidans oxida Fe (II) a Fe (III) con remociones de H2S del 95 porciento en un bioreactor para la desulfuración del biogas.17

El uso de bacterias capaces de oxidar pirita, T. Ferrooxidans y Sulfolobus , para la remoción de compuestos azufrados del carbón, reduce la emisión del azufre. Se reporta que la velocidad de oxidación de T. Ferrooxidans depende del pH, temperatura y la concentración de quelatos de hierro en la solución redox. Un ejemplo, se observó cuando la velocidad de oxidación del sulfuro mejoró sustancialmente a pH de 8.5 y temperatura de 40 grados Celsius (°C) en presencia de la bacteria.7, 14

Métodos biológicos empleados para la biodesulfuración Para la remoción del azufre se emplean diferentes métodos que ofrecen soluciones por la vía de la desulfurización. Entre éstos se reportan los químicos, físicos y biológicos o la combinación de ellos11 y se basan fundamentalmente en mecanismos de absorción, adsorción y biofiltración.

En la actualidad son muy recomendados los de absorción debido a la extrema reactividad del sulfuro con la mayoría de los metales. Los más comunes son: adición de cloruro de hierro (III),6 utilización de pelets de hierro,6 utilización de residuos de la extracción de níquel,19 lavado con agua,6 lavado con solución de hidróxido de sodio 6 y otros.

Por su parte, los métodos de adsorción operan a temperatura y presión menores, requieren menos energía y reducen costos de operación e inversión. Se enumera la utilización de carbón activado, adsorción empleando silicagel y tamices moleculares, entre otros.19

El sistema biológico, biofiltración, ha sido efectivo para el tratamiento de efluentes o emisiones gaseosos y emplea microorganis-mos que degradan sustancias contaminantes, normalmente mediante procesos oxidativos. Presenta como beneficio adicional sobre otras tecnologías de oxidación, carencia de contami-nantes secundarios, costos de operación generalmente bajos, altas eficiencias de degradación, biomasa inmovilizada de vida larga y seguridad intrínseca del sistema. Emplea bioreactores (biofiltros), de amplio uso para degradar contaminantes orgánicos como inorgánicos de una corriente gaseosa.18

En los últimos tiempos se han desarrollado y aplicado con mayor preferencia los procesos biológicos, por ser más sencillos y amigables con el medio ambiente. Se encuentran los que utilizan cultivos puros y mixtos inmovilizados. Se reportan numerosos trabajos de desulfuración biológica con microorganismos fototróficos, heterotróficos y autotróficos.10

Para el tratamiento de gases con sulfuro de hidrógeno, se empleó la cepa de Pseudomona Putida CH11 aislada desde aguas residuales agrícolas con un pH óptimo entre 6 y 8 y el principal producto metabólico de la oxidación del sulfuro de hidrógeno fue azufre elemental. Cuando fue inmovilizada en alginato de calcio, las células exhibieron una alta eficiencia de remoción del sulfuro de hidrógeno, que excedieron al 96 porciento, a concentraciones de sulfuro de hidrógeno desde 10 hasta 150 partes por millón (ppm). La cepa inmovilizada tiene un alto potencial para ser usada como agente para la remoción del sulfuro de hidrógeno.19

La desulfuración del biogas puede ser llevada a cabo por microorganismos. La mayoría que oxidan al sulfuro de hidrógeno pertenecen a la familia de los Thiobacillus y son autotróficos por lo que usan el dióxido de carbono del biogas para cubrir sus necesidades de carbono. Los productos formados son fundamentalmente azufre elemental y sulfatos. La forma final en solución es el ácido sulfúrico que causa problemas de corrosión.

En un reactor UASB y un equipo para la desulfuración del biogás, empleando vinazas de destilerías tratadas, residuales azucarero y albañal como fuentes de microorganismos sulfuro oxidantes, se caracterizó la microbiota presente en el biogas mediante su aislamiento e identificación. Se encontraron diferentes tipos de bacterias, levaduras y hongos filamentosos como Alcaligenes spp., Bacillus panthotenticus, Geotrichum candidum, Aspergillus wentii, Aspergillus versicolor y Penicilium melinii.

Se observó, la capacidad de utilización de los compuestos reducidos de azufre de las cepas aisladas, por lo que deben participar activamente en el proceso de desulfuración del biogas.20

Novedoso método utiliza el nitrato como receptor de electrones en lugar del oxígeno y suprime los costos de inversión por aireación. Las bacterias son preferiblemente neutrófilas y estarán típicamente incluidas entre las especies de Thiobacillus específicamente las Thiobacillus denitrificans.15

Para desarrollar un proceso efectivo de remoción del sulfuro de hidrógeno, entre otros compuestos se concibió una cama empacada, rellena con un consorcio de microorganismos inmovilizados. Este cultivo fue enriquecido con lodo activado en períodos entre uno y dos días. La máxima velocidad fue de 6500 gramos (g) de sulfuro de hidrógeno por
metros cúbicos de la cama por día (m3cama.d.).19

Trabajos realizados utilizando Pseudomonas. putida (S1), Citrobacter sp. (S4) y Enterobacter sp. (S5) observaron la decoloración del efluente en un 97 porciento, la reducción de la DBO, DQO, compuestos fenólicos y el sulfuro de hidrógeno, este último hasta un 96,67 porciento en 24 horas de aireación. Se utilizó un cultivo de tres bacterias inmovilizadas en cerámica porosa obteniéndose remociones del sulfuro de hidrógeno de 99,8 porciento después de 48 horas.19

Se han empleado cultivos puros de células de Thiobacillus thiooxidans JCM 7814 utilizando como agente tampón el citrato de sodio. El sulfuro de hidrógeno fue removido biológicamente a una velocidad máxima de oxidación a 0,84 milimolar de H2S por gramos de célula (mmol-H2S (g)/ g célula), una concentración de citrato de 0,2 g/mol. El tiempo de retención fue de 30 minutos. 19

Otra alternativa es el empleo de bacterias fotosintéticas como la Chlorobium limicola y la forma de Thiosulfatophilum las cuales pueden convertir el sulfuro de hidrógeno a azufre elemental o sulfato. Posee altas velocidades de remoción, simples requerimientos de nutrientes y no necesita oxígeno ni esterilización. Este tipo de bacterias absorbe la mayor cantidad de luz cercana a longitudes de onda de 460 y 760 nanómetros (nm).19

Conclusiones

De acuerdo con la literatura consultada, existe un fuerte interés por desarrollar alternativas para la eliminación del sulfuro de hidrógeno como contaminante del medio ambiente. Dentro de estas se enumeran la absorción, adsorción, biofiltración, este último como un método biológico que responde a la protección del medio ambiente y de la salud humana dando lugar a procesos más eficientes y económicos. Entre los microorganismos que se emplean para la desulfuración se encuentran algunos géneros de bacterias incoloras del azufre, como Beggiatoa , Sulfolobus, Lectospirillum y Thiobacillus, siendo éste el más reportado.

Actualmente se considera la biodesulfuración, como el proceso biológico más conveniente por sus numerosas ventajas y su uso en el tratamiento del biogas.

Referencias

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Por Heidy Pérez y Pilar Villa
Fuente: Agua Latinoamericana