Influencia de fármacos veterinarios y metales pesados en la valorización de biomasa algal crecida en aguas residuales de purines

Abstract

A lo largo de este trabajo se estudió la composición bioquímica de biomasa microalgal compuesta principalmente por la especie Scenedesmus almeriensis crecida en un fotobiorreactor de capa fina, alimentado por purín de cerdo diluido al 10% con agua. Esta biomasa fue cedida por la Universidad de Almería (UAL). El estudio se divide en dos ensayos en los que se utiliza este mismo tipo de biomasa, pero en los que la alimentación está dopada con compuestos diferentes: en el primer ensayo el purín se dopó con tres fármacos veterinarios comúnmente usados en granjas (sulfadiazina, tetraciclina y ciprofloxacino) y en el segundo con tres metales pesados (cobre, zinc y arsénico). Así mismo, se estudió la influencia de estos compuestos en los rendimientos de extracción de los principales macrocomponentes de la biomasa algal (proteínas y carbohidratos). La finalidad de estudiar la composición bioquímica de las muestras es conocer la efectividad de diferentes métodos de extracción a partir del cálculo de los rendimientos de solubilización y recuperación de cada componente en función del método empleado y la influencia de los fármacos y los metales pesados. Los experimentos realizados se dividen en tres grandes grupos: 1) los que utilizan ultrasonidos, tanto por separado (UAE) como su empleo conjunto con enzimas (UAEE), 2) los basados en hidrólisis enzimática (con enzimas ProtamexTM y CelluclastTM) y 3) hidrólisis químicas en medio ácido (HCl) y básico (NaOH) a dos temperaturas (60 y 120ºC). Se utilizaron diferentes técnicas para la determinación de los macrocomponentes: un método gravimétrico basado en una extracción con solventes orgánicos para los lípidos, un análisis de nitrógeno orgánico total mediante el método Kjeldahl para las proteínas y una hidrólisis ácida de los carbohidratos y posterior cuantificación de los monosacáridos generados mediante HPLC. Además, se analizó por ICP-OES la composición de metales de las muestras del segundo ensayo. Los resultados de solubilizaciones de proteínas obtenidas con el primer ensayo con fármacos veterinarios revelan la formación de interacciones entre las proteínas y los fármacos que tan sólo los métodos químicos de extracción a 120ºC son capaces de romper. Sin embargo, las solubilizaciones de carbohidratos sólo revelan interacción entre los fármacos veterinarios y la glucosa, ya que no hay diferencias significativas entre las solubilizaciones de xilosa conseguidas con la biomasa sin dopar y la dopada. Estas interacciones se rompen únicamente cuando se utiliza medio ácido. En cuanto al segundo ensayo con metales pesados, se deduce la formación de interacciones fuertes entre las proteínas y los metales, principalmente con el cobre; al igual que se detectan interacciones entre los carbohidratos y los metales, en este caso tanto con el cobre como con el zinc. Se concluye que, en ambos casos, la mejor opción para conseguir unos rendimientos de solubilización y recuperación altos es emplear métodos químicos de extracción a 120ºC. Sin embargo, los resultados óptimos de proteínas mejoran en medio básico y los de carbohidratos en medio ácido. Por otro lado, estos métodos a alta temperatura llevaron consigo también la recuperación de metales en la fase líquida, lo cual puede ser una desventaja para el posterior fraccionamiento o uso de este hidrolizado. Así mismo, la presencia de metales fue más influyente en los rendimientos de solubilización y recuperación, sobre todo en los procesos enzimáticos, que la presencia de fármacos.

Throughout this work, the biochemical composition of microalgal biomass composed mainly of the species Scenedesmus almeriensis grown in a thin-layer photobioreactor, fed by pig slurry diluted 10% with water, was studied. This biomass was provided by the University of Almeria (UAL). The study is divided into two trials using the same type of biomass, but in which the feed is doped with different compounds: in the first trial the slurry was doped with three veterinary drugs commonly used on farms (sulfadiazine, tetracycline and ciprofloxacin) and in the second with three heavy metals (copper, zinc and arsenic). The influence of these compounds on the extraction yields of the main macrocomponents of the algal biomass (proteins and carbohydrates) was also studied. The purpose of studying the biochemical composition of the samples is to know the effectiveness of different extraction methods by calculating the solubilization and recovery yields of each component depending on the method used and the influence of drugs and heavy metals. The experiments carried out are divided into three main groups: 1) those using ultrasound, both separately (UAE) and in conjunction with enzymes (UAEE), 2) those based on enzymatic hydrolysis (with ProtamexTM and CelluclastTM enzymes) and 3) chemical hydrolysis in acid (HCl) and basic (NaOH) media at two temperatures (60 and 120ºC). Different techniques were used for the determination of macrocomponents: a gravimetric method based on an extraction with organic solvents for lipids, an analysis of total organic nitrogen by the Kjeldahl method for proteins and an acid hydrolysis of carbohydrates and subsequent quantification of the monosaccharides generated by HPLC. In addition, the metal composition of the samples from the second test was analyzed by ICP-OES. The results of protein solubilizations obtained with the first assay with veterinary drugs reveal the formation of protein-drug interactions that only chemical extraction methods at 120°C are able to break. However, carbohydrate solubilizations only reveal interaction between veterinary drugs and glucose, as there are no significant differences between xylose solubilizations obtained with undoped and doped biomass. These interactions are broken only when acidic medium is used. As for the second test with heavy metals, we deduce the formation of strong interactions between proteins and metals, mainly with copper; as well as interactions between carbohydrates and metals, in this case with both copper and zinc. It is concluded that, in both cases, the best option to achieve high solubilization and recovery yields is to use chemical extraction methods at 120ºC. However, the optimum results for proteins improve in a basic medium and those for carbohydrates in an acid medium. On the other hand, these high temperature methods also led to the recovery of metals in the liquid phase, which can be a disadvantage for the subsequent fractionation or use of this hydrolysate. Likewise, the presence of metals was more influential on the solubilization and recovery yields, especially in the enzymatic processes, than the presence of drugs.