Método in vitro de bioacumulación de hierro (Fe(III)) para disminuir su contenido mediante el uso de Bacillus subtilis en muestras de agua del río Chicú
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2021
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Resumen
El presente proyecto de grado se enfoca en el desarrollo de un método in vitro de bioacumulación de hierro (Fe (III)) para disminuir su contenido mediante el uso de Bacillus subtilis en muestras de agua del río Chicú, aprovechando las características propias de este microorganismo que le permiten incorporar metales como el hierro debido a su afinidad con este elemento. En torno a este objetivo, la metodología planteada se enfoca en corroborar el potencial de reducción en la concentración de hierro trivalente (Fe (III)) por parte del microorganismo Bacillus subtilis, según lo reportado en la literatura, así como constatar que existe una reducción significativa de este elemento, de igual manera mediante el uso del microorganismo anteriormente mencionado, en muestras de agua del río Chicú, bajo sus condiciones físico-químicas particulares. Lo anterior, con el fin de establecer las distintas condiciones de la metodología propuesta.
En primer lugar, se llevó a cabo una contextualización del problema, junto a una revisión bibliográfica de los antecedentes en cuanto al potencial de B. subtilis para la reducción en la concentración de Fe (III). Luego, se procedió a determinar los parámetros físico-químicos en muestras de agua tomadas directamente de la fuente hídrica en cuestión, a la altura del sector “el Chacal” en el municipio de Tenjo, Cundinamarca. A partir de las muestras recolectadas se determinó: pH, sólidos disueltos totales (TDS), concentración inicial de hierro (Fe (III)), DBO y DQO.
Más adelante, se precisó la pureza de la cepa de Bacillus subtilis obtenida, la cual fue donada por el laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Posteriormente, se propuso un diseño experimental factorial, para ratificar la capacidad del microorganismo para reducir la concentración de Fe (III) en medios químicamente definidos, de acuerdo con lo reportado en la literatura; estableciendo dicha reducción como variable de interés. Para este diseño, se relacionaron dos factores a evaluar con respecto a la variable de salida, cada uno de los cuales dispone de tres niveles: el pH (3.5, 5 y 7) y la concentración inicial de hierro (Fe (III)) (1 mg/L, 5 mg/L y 9 mg/L), obteniendo un total de 9 tratamientos experimentales. Una vez definidos los tratamientos, se prepararon medios de cultivo químicamente definidos de acuerdo con las características especificadas en el diseño experimental. Tras la inoculación del microorganismo durante un periodo de 7 días a 28 °C con agitación constante a 100 rpm, se determinó la concentración final de hierro tanto en los controles negativos como en cada una de las réplicas, verificando el crecimiento del microorganismo y cuantificando la biomasa por peso seco.
Seguidamente, se repitió el proceso de inoculación en muestras de agua provenientes del río Chicú para evaluar el porcentaje de bioacumulación y consecuente reducción en la concentración de Fe (III) en este medio, determinando nuevamente la concentración final del elemento y la biomasa. Por último, se plantearon los análisis estadísticos pertinentes: un análisis de varianza ANOVA con un nivel de significancia de 0.05 y una diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher, con un nivel del 95% de confiabilidad.
El valor de pH encontrado en las muestras de agua de río fue de 6.87 en promedio, el cual se encuentra dentro del rango usual de pH para cuerpos de agua superficiales, según lo establecido por la Organización Mundial de la Salud. Adicionalmente, se estableció que la concentración de hierro (Fe (III)) fue de 0.94 mg/L, la cual supera en más de un 100% el límite establecido por la norma. Se reportó una DBO de 109 mg/L y una DQO de 696 mg/L, valores que exceden el límite máximo permisible descrito por la normativa correspondiente (50 mg/L para DBO5 y 150 mg/L para DQO).
En cuanto al diseño experimental, en general se obtuvieron porcentajes de reducción de Fe (III) mayores al 50%, encontrando que los valores de pH entre 5 y 7 favorecen el crecimiento del microorganismo. De igual manera, se relacionó una mayor concentración inicial de Fe (III) con una cantidad reducida más elevada. La mayor cantidad de hierro (Fe (III)) reducida fue de 8.78 mg/L, o bien un porcentaje de 97.56% de reducción, el cual se dio en condiciones de concentración inicial de Fe (III) de 9 mg/L y pH 7. En el caso particular del agua del río, la cantidad promedio de Fe (III) reducida, fue de 0.83 mg/L, que representa un porcentaje de reducción de hierro de 88.3%.
Se verificó la viabilidad en el crecimiento del microorganismo en agar nutritivo luego de ser sometido al medio con concentraciones de hierro diferentes. Adicionalmente, la determinación de la biomasa por peso seco indicó que la mayor cantidad obtenida fue 0.36 ± 0.04 g/ml, en condiciones de concentración de Fe (III) de 1mg/L y ph7. En general, los resultados indican el potencial de B. subtilis para la reducción de diferentes concentraciones de Fe (III) en medios de cultivo específicamente definidos para el microorganismo, así como en muestras de agua del río Chicú, las cuales poseen características físico-químicas propias.
Descripción
Abstract
The present degree project focuses on the development of an in vitro method of bioaccumulation of iron (Fe (III)) to reduce its content through the use of Bacillus subtilis in water samples from the Chicú River, taking advantage of the characteristics of this microorganism, that allow it to incorporate metals such as iron due to its affinity with this element. Around this objective, the proposed methodology focuses on corroborating the potential for reduction in the concentration of trivalent iron (Fe (III)) by the microorganism Bacillus subtilis, as reported in the literature, as well as verifying that there is a significant reduction of this element, through the use of the aforementioned microorganism, in water samples from the Chicú River, under its particular physical-chemical conditions. The foregoing, in order to establish the different conditions of the proposed methodology.
First, a contextualization of the problem was carried out, together with a bibliographic review of the antecedents regarding the potential of B. subtilis for the reduction in the concentration of Fe (III). Then, we proceeded to determine the physicochemical parameters in water samples taken directly from the water source in question, by the “El Chacal” sector in the municipality of Tenjo, Cundinamarca. From the collected samples, the following were determined: pH, TDS, initial concentration of iron (Fe (III)), BOD and COD.
Later, the purity of the Bacillus subtilis strain obtained was specified, which was donated by the Environmental Engineering Laboratory of the National University of Colombia, on Medellín. Subsequently, a factorial experimental design was proposed to ratify the ability of the microorganism to reduce the concentration of Fe (III) in chemically defined media, according to what was reported in the literature; establishing said reduction as a variable of interest. For this design, two factors to evaluate with respect to the output variable were related, each of which has three levels: pH (3.5, 5 and 7) and the initial concentration of iron (Fe (III)) (1 mg/L, 5 mg/L and 9 mg/L), obtaining a total of 9 experimental treatments. Once the treatments were defined, chemically defined culture media were prepared according to the characteristics specified in the experimental design. After inoculation of the microorganism for a period of 7 days at 28 °C with constant stirring at 100 rpm, the final iron concentration was determined both in the negative controls and in each of the replicates, verifying the growth of the microorganism and quantifying the biomass by dry weight.
Then, the inoculation process was repeated in water samples from the Chicú river to evaluate the percentage of bioaccumulation and consequent reduction in the concentration of Fe (III) in this medium, again determining the final concentration of the element and the biomass. Finally, the relevant statistical analyzes were proposed: an ANOVA analysis of variance with a significance level of 0.05 and a Fisher's least significant difference (LSD), with a 95% level of reliability.
The pH value found in the river water samples was 6.87 on average, which is within the usual pH range for surface water bodies, as established by the World Health Organization. Additionally, it was established that the concentration of iron (Fe (III)) was 0.94 mg/L, which exceeds the limit established by the standard by more than 100%. A BOD of 109 mg/L and a COD of 696 mg/L were reported, values that exceed the maximum permissible limit described by the corresponding regulations (50 mg/L for BOD5 and 150 mg/L for COD).
Regarding the experimental design, in general, Fe (III) reduction percentages greater than 50% were obtained, finding that pH values between 5 and 7 favor the growth of the microorganism. Similarly, a higher initial concentration of Fe (III) was related to a higher reduced amount. The highest amount of iron (Fe (III)) reduced was 8.78 mg/L, or a percentage of 97.56% reduction, which occurred under conditions of initial Fe (III) concentration of 9 mg/L and pH 7. In the particular case of river water, the average amount of reduced Fe (III) was 0.83 mg/L, which represents a percentage of iron reduction of 88.3%.
The viability in the growth of the microorganism in nutrient agar was verified after being subjected to the medium with different iron concentrations. Additionally, the determination of biomass by dry weight indicated that the highest quantity obtained was 0.36 ± 0.04 g/ml, under conditions of Fe (III) concentration of 1mg/L and ph7. In general, the results indicate the potential of B. subtilis for the reduction of different concentrations of Fe (III) in culture media specifically defined for the microorganism, as well as in water samples from the Chicú River, which have their own physicochemical characteristics.
Palabras clave
Bioacumulación, Hierro trivalente, Bacillus subtilis, Aguas, Contaminación, Diseño experimental, Metodología, Biorremediación
Keywords
Bioaccumulation, Trivalent iron, Bacillus subtilis, Bioremediation, Water, Pollution, Experimental design, Methodology