Maarten van Eerten, Ralph Wattinger
Introducción
Las plantas de tratamiento de efluentes a menudo tienen como requisito determinar el nivel de toxicidad de la corriente entrante. Esto se debe a que determinadas sustancias tóxicas pueden tener efectos adversos para el cultivo de los microorganismos usados en cada planta para digerir o tratar los residuos. Todas las plantas de tratamiento son diferentes en su performance y en su mezcla de poblaciones microbiológicas. Es por ello que un instrumento capaz de adaptarse a las características particulares de cada una resulta de gran interés. Una rápida determinación de la toxicidad del agua entrante podría ayudar en este sentido, permitiendo que ante un nivel particularmente nocivo se tome alguna medida de saneamiento previo o bien se rechace por completo.
El SciTOX ALPHA es un sistema de medición rápida de toxicidad: ofrece un medio rápido para medir la toxicidad relativa de cualquier muestra de aguas residuales, utilizando un biosensor y una técnica de detección electroquímica. En esta técnica, los mismos microorganismos que existen en una planta de tratamiento se utilizan para medir el efecto metabólico de las toxinas sobre las bacterias de la planta. Dicho análisis se realiza con muestra original sin requerir tratamiento previo.
El SciTOX ALPHA (Figura 1) es un analizador de toxicidad diseñado específicamente para ser utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales. Su tamaño es muy pequeño, lo que le permite adaptarse fácilmente a cualquier lugar de trabajo. Para la operación cuenta con una pantalla táctil, y ofrece una guía paso a paso para llevar al usuario a través del análisis. Su electrodo inalámbrico minimiza los riesgos de enredar el sensor o de aflojar la conexión y hacer falso contacto.
Figura 1: SciTOX ALPHA
Las pruebas tradicionales de metabolismo suelen medir en forma directa la respiración de oxígeno, o bien algún otro efecto metabólico que requiere una larga incubación de la muestra. Para superar las dificultades relacionadas con períodos de incubación extensos, con el tipo muestra y con un bajo consumo de oxígeno, el SciTOX ALPHA utiliza un proceso analítico patentado, y como mediador redox (receptor de electrones) usa ferricianuro de potasio. La técnica reemplaza la medición del oxígeno respirado. Debido a la elevada solubilidad del ferricianuro de potasio, el análisis de toxicidad puede completarse en menos de 20 minutos, incluyendo todas las incubaciones al utilizar un inóculo previamente preparado y certificado.
En esta nota de aplicación se presentan el diseño y la técnica analítica básica del SciTOX ALPHA, y se calcula la toxicidad de una conocida sustancia, 3,5-diclorofenol (DCP), para los microorganismos de una determinada planta de tratamiento. El inóculo bacterial proviene de un sistema de tratamiento aeróbico.
Experimental
El inóculo bacterial se prepara a partir del retorno del barro activo (el barro activo que normalmente regresa al proceso de tratamiento para que el tratamiento y la digestión sigan funcionando) recolectado de una planta de tratamiento de aguas residuales (Figura 2). Para eliminar las partículas grandes y cualquier material fibroso, se prefiltran aproximadamente 200 mL del RAS con un colador grueso (10-mesh). A continuación, aproximadamente 100 mL del RAS prefiltrado se filtran lentamente a través de un colador fino (50-mesh) para recolectar el sedimento. Este sedimento se suspende en igual volumen de una solución 375 mM KCl. A este preparado se lo llama inóculo, y sirve para los siguientes 2 ó 3 días. Para almacenarlo, debe permanecer refrigerado, pero puede tenerse a temperatura ambiente durante el uso normal.
Figura 2: Preparando el inóculo
El reactivo (mediador) de la prueba, 660 mM de ferricianuro de potasio, se prepara disolviendo 10,865 g de ferricianuro de potasio (hexacianoferrato de potasio (III)) en 50 mL de agua destilada. Se trata de un reactivo sensible a la luz, de modo que debe conservarse en un recipiente opaco.
Análisis
Por cada análisis se realizan tres pruebas: una de control (utilizando agua limpia) y dos de muestra. Las tres se realizan en simultáneo, y el equipo ALPHA muestra en pantalla las instrucciones para cada paso. Para este trabajo, como muestra se utilizaron diferentes soluciones acuosas de DCP. El rango de concentración de DCP fue de 6,6 ppm a 440 ppm. En las plantas de tratamiento de efluentes se puede analizar cualquier corriente, tanto entrants como salientes. En este análisis (consistente en 3 pruebas), 0.4 mL de agua o de la solución de DCP, son transferidos al vial de muestra (vial de 1.5 mL), al que luego se le agrega 0.4 mL del inóculo (Figura 3). Esta mezcla se preincuba durante 5 min a 25 ºC. A continuación se agregan al vial 80 µL del mediador, mezclando e incubándose el contenido. Luego de 10 minutos de incubación a 25 ºC, se mide electroquímicamente la cantidad de ferricianuro reducida a ferrocianuro, expresado en nano-amps (nA).
Figura 3: Instrucciones para la operación, preparando la muestra 1
En cada análisis (de tres pruebas), se promedian las dos mediciones de nA de la muestra, y se comparan con la medición de nA del control (agua). Los resultados (Figura 4) se expresan como Unidades de Potencial Biológico (BPU) y como Cociente de Inhibición Metabólica (MIQ), y se calculan de la siguiente manera:
BPU = 100 x (nAMuestra / nAControl)
MIQ = 100 – BPU
Figura 4: resultados expresados como MIQ
La BPU es una medida de la actividad relativa de la muestra (comparada con el control), y el MIQ es una medida de su toxicidad. En el SciTOX ALPHA, el MIQ se puede visualizar en un gráfico en el que el color verde representa menor toxicidad, el amarillo señala una toxicidad creciente, y el rojo indica toxicidad máxima o incluso letalidad para la planta de tratamiento.
Resultados y discusión
El análisis se llevó a cabo con 10 concentraciones diferentes de DCP. Se calculó el MIQ para cada análisis, y se graficaron los resultados (Figura 5).
Figura 5: Inhibición Metabólica vs. Concentración de DCP
El gráfico resultante es una típica curva de respuesta de DCP ante un inóculo preparado a partir de barros activos de un planta de pretratamiento. Hay una respuesta limitada por debajo de cierto límite (aproximadamente 20 ppm en este caso), seguida de una más fuerte ante una mayor concentración de DCP. Luego la respuesta disminuye cuando la concentración supera los 250 ppm aproximadamente. Los valores de Inhibición Metabólica no aumentan de modo significativo más allá de este máximo de 50 MIQ aproximadamente. Otras preparaciones de inóculo produjeron curvas de respuesta similares. Sin embargo, el mínimo de concentración de DCP, el máximo de respuesta y el máximo MIQ variaron según el estado de tratamiento de la planta. Características tales como la edad del barro activo, los tipos de bacterias y de protozoos, y las particularidades del barro pueden hacer que resultados varíen, pero siguen siendo válidos para el seguimiento de la planta
Conclusiones
Esta nota demuestra la aptitud del SciTOX ALPHA para medir la respuesta de barros activos de una planta real frente a una sustancia tóxica, el 3,5 diclorofenol. Las curvas de respuestas obtenidas para DCP utilizando el SciTOX ALPHA son consistentes para los diferentes niveles. El SciTOX ALPHA puede ser usado para medir la toxicidad de las cualquier corriente de una planta de tratamientos, sin importar el origen de las toxina (orgánicas o inorgánicas) presentes. El análisis solo requiere de 20 min por muestra.
Una cualidad del SciTOX ALPHA es que usa el mismo barro de la planta, por lo cual permite evitar la temible desactivación de los barros, lográndose así un sistema de análisis específico para cada planta, aplicable a muestras provenientes de corrientes de entrada, salida o de la misma pileta de tratamiento.
