Evaluación de la reducción de Fe+3 en celdas de combustible microbianas enriquecidas con microorganismos provenientes del efluente de un reactor UASB sulfurogénico.

Abstract

RESUMEN: El proceso de reducción de sulfato en reactores anaerobios que operan con lodos sulfurogénicos desarrollados de microorganismos de origen marino ha demostrado ser eficiente en la remoción de materia orgánica y sulfato obteniendo concentraciones relativamente altas de sulfuro las cuales pueden emplearse para la precipitación de metales pesados. En ese contexto, se considera que la comunidad microbiana del reactor es robusta ya que tolera cerca de 1000 mg/L de sulfuro. Con el fin de insertar un proceso donde eventualmente se recupere energía y que aproveche los microorganismos que puedan provenir del deslave de los procesos en lote o en continuo del reactor anaerobio, se evaluó la capacidad de la comunidad sulfato-reductora proveniente del reactor en su capacidad de reducir Fe +3 en una celda de energía microbiana (CEM). La fuente de carbono usada fue acetato y la fuente de Fe+3 fue citrato férrico. Se evaluaron tres proporciones molares de acetato: fierro (2:16, 3.4: 27 y 6.9:55 mM). Los potenciales a circuito abierto (Vocp) que se obtuvieron fueron los siguientes: 0.74 ±0.05, 0.72 ±0.06 y 0.64 ±0.06 V para las proporciones 2:16, 3.4: 27 y 6.9:55 mM, respectivamente. La remoción de acetato fue de 86.61 ±1.16, 86.81 ±1.32 y 94.75 ±1.42 % para las proporciones mM de 2:16, 3.4: 27 y 6.9:55 mM, respectivamente. La reducción de Fe +3 fue de 96.31 ±0.19, 75.61 ± 3.51 y 53.82 ± 2.3 % para las proporciones mM de 2:16, 3.4:27 y 6.9:55 mM, respectivamente. Con una resistencia de 10K, las densidades de corriente y eficiencia coulómbica obtenidas para las proporciones mM de 2:16, 3.4:27 y 6.9:55 mM fueron de 11.37 mA/m2 y 81.68%; 4.5 mA/m2 y 61.10% y de 7.3 mA/m2 y 48.62%, respectivamente. El microcosmos que presentó mejores resultados fue el que utilizó el doble del balance estequiométrico (2:16) pues el porcentaje de consumo de acetato y el porcentaje de reducción de Fe+3 fueron de 86.61 ± 1.16 y 96.31 ± 0.3 % respectivamente. Para la misma proporción molar se obtuvieron 11.37 mA/m2 y 81.68% de densidad de corriente y eficiencia coulómbica respectivamente. En general, la reducción de Fe+3 se vio afectada con respecto a la concentración donador e- /aceptor e- y por la utilización del electrodo presente en el ánodo como segundo aceptor de electrones para los microorganismos. Algunos de los microorganismos identificados en el proceso fueron Azospira oryzae, Cupriavudus metallidurans CH34, Enterobacter bugandensis 247BMC, Citrobacter freundii ATCC8090 y Citrobacter murliniae CDC2970-59, bacterias que han sido reportadas para el tratamiento de metales pesados. Las bacterias Azospira oryzae y Cupriavudus metallidurans forman precipitados y cristales los cuales explican la formación de precipitados en las CEM. Los resultados obtenidos permitirán escalar el estudio a un biorreactor en donde se evalúen con mayor detalle los efectos del ión Fe+3 y la interacción de la biopelícula con el electrodo. ABSTRACT: The sulfate reduction process carried out in anaerobic reactors inoculated with sulfidogenic sludge generated from microorganisms enriched from marine environments has been efficient for the removal or organic matter and sulfate. In this process, sulfide has been obtained in relatively high concentrations of approximately 1000 mg/L, which indicates a robust microbial community. In order to insert a sulfate reduction process that eventually can derive energy by utilizing the microorganisms present in it that may come from the effluent stream, the sulfate reducing sludge was evaluated on the capability of reducing Fe +3 in a microbial energy cell (MEC) or microbial fuel cell (MFC). The source of carbon was acetate and the source of Fe +3 ferric citrate. Three molar ratios for acetate: Fe +3 were evaluated: (2:16, 3.4: 27 and 6.9:55 mM). The open circuit potential (Vocp) obtained were: 0.74 ± 0.05, 0.72 ± 0.06 and 0.64 ± 0.06 V for the molar ratios of 2:16, 3.4: 27 and 6.9:55 mM, respectively. The removal of acetate was of 86.61 ±1.16, 86.81 ±1.32 and 94.75 ±1.42 % for the molar ratios of 2:16, 3.4: 27 and 6.9:55 mM, respectively. The Fe +3 reduction was of 96.31 ±0.19, 75.61 ± 3.51 and 53.82 ± 2.3 % for the molar ratios of 2:16, 3.4: 27 and 6.9:55 mM, respectively. The results obtained at closed circuit for current density and Coulombic efficiency with a 10K resistance were: 11.37 mA/m2 and 81.68%; 4.5 mA/m2 and 61.10%, 7.3 mA/m2 and 48.62%, for the molar ratios of 2:16, 3.4: 27 and 6.9:55 mM, respectively. The microcosms that in general presented the best results was the one that was prepared with the molar ratio of 2:16. In this case the percentage of acetate consumption and the percentage of Fe+3 reduction was of 86.61 ± 1.16 and 96.31 ± 0.3 % respectively. For the mentioned molar ratio the current density and Coulombic efficiency were of 11.37 mA/m2 and 81.68%, respectively. In general, the Fe+3 reduction was affected by the molar ratio e- donor/e-acceptor and the utilization of the electrode present in the anode as alternate electron acceptor. Some microorganisms that were identified in the process were Azospira oryzae, Cupriavudus metallidurans CH34, Enterobacter bugandensis 247BMC, Citrobacter freundii ATCC8090 and Citrobacter murliniae CDC2970-59, these bacteria have been reported during the treatment and removal of heavy metals. The bacteria Azospira oryzae and Cupriavudus metallidurans are reported to form precipitates with metals, this explain the formation of precipitates in the CEM. The results obtained can be used to conduct experimentation in a bioreactor in which a more detailed evaluation can be carried out on the effects of Fe+3 on the bacteria and the interaction of the biofilm with the electrode.