';
:.A, DUiEN CORRECWMOA: , .,.':' del Departamento de: BIOTECNOLOGiA
, ' ~ ' ,de la Divisi6n de Ciencias Biológicas Y de la Salud, asesoró el siguiente Servicio Social: LO: HEMOClbN DE METALES PESADOS UTILIZANDO BiOMASA SECA DE
..
GONZALEZ iRlBARREN JESÚS EDUARDO. , , ,
:MATRICULA:
922331 19. . .
.. .
I , .
UNIDAD IZTAPALAPA
Michoacán y la Purisima, Col. Vicentina, D.F. 09340 Tel. (51 724 46 x í5i612 80 83 , . . . ,
. ..
, . ~ ,~
.
- . . ..
. . 1...:.
,: , , . , . I..
RA:~ ' , INGEfJiERfA B10QUíMICA INDUSTRIAL
NOWEMüfiE '10,.1995
-
DICIEMBAE16, 19%la-?presents; pera- los fines que. al .interesado convengan, en la Ciudad de
a los.cuatro-días del mes de Febrero de mil novecientos noventa y siete.
, . . .
: A-T E.N T A M E N T'E
1
I -
--
LfCF,?!C!ATURA: Ingeniwa Bicquinica
1ncus:r~zi
UNIDAC: !2:.2!u33
DIVISION: CienctasBioiOgtcas y de la S a i d
TEL&FOMO:
396-27-92.
TRIWESTRE LECTIVO: 95-0
HORASA LA SEMANA. 20 horas
8
. D E L T R A B h
Remocian de Metales Pesados UtilizandoBiomasa
Seca de Saccharrímycess cerevi&ae.N O N R E S
DE
LOSASESORES:
Dra.
Araceli Tomashi Campoccsio .Depto de biotecnología" Profesor titular"CP
M en
C. Nl6nbAüQa$&3rat Rodriguez "Area de Microbiologia" Profesortitular ''6"Lugar donde se rcaaZa el servicio:
Universidad Autrhoma Metropoiitana-lztapalapa. LaboracDno de aguas residuales.
~ d e ~ b o l i s e w n d a n o s
Fecha
deinicio:
10de
mvkmbre
da
I995Fecha de
terrninacioR
* * : 16 de dkiemixede
1996
Clave: 181.05595
_*
,.l' ~ . I
,77-297/7[-'
J. Eduardo Gonzalez lribarren Araceli Tomasini ,,:I Monicah.
Meraz
Diciembre
12,
de
1996.
DR.
JOSE
LUIS
ARREOONDO
DIRECTOR
DE-DIVISION
CBS
Por medio de la presente le comunicamos
que
el
alumno Eduardo
Gonzáler
I.
terminó satisfactoriamente
su
Servicio Social con el tema "Remoción de Metales de Pesados"
y
entregó
un reporte con cuyo contenido estamos de acuerdo.
.-
Le agradecemos
la atención prestada a la presente
y
las
facilidades brindadas.
Atentamente,
Dra. Araceli Tomasini
C.
M.dMónica Mer& Rodriguez
Profesor, Depto. Biotecnología
PfPfesÓr, Depto. Biotecnología
UNIDAD IZTAPALAPA
Av. Michoach y La Pwisima. Col. keM¡fla. 09340 Mbxim. D.F. Tel.: 724-4600 TElEFAX: (5) 612 0885
..,,.... .. .,.* ..-,
ORA. ARACELI TOUASINI CAMPOCOSIO
DIVISION DE CIENCUC BlohoolCAS Y Df U S U D
DEPARTAMENTO DE Bl<mcNoLoov\ GRUPO DE METABOLISMO SECUNDARIO
Dr. JOSC Luis Anaiondo Figuema
Director de la División de C.B.S.
Rncnte.
México, D. F. 29 delMviembrcdc 1996
Am-
-
üra Araccli Tomasmi Campax>zio
UMOAO QíAPALAPA
Av. M i a & y La Pun'rima. Col. Vicwina. ktapalapa 09w). WIico. O.F. A P. 55-535 let: 724-4711 y 724-4713 Fax: 724.4712 e-pail: atc@xanurn.uarn.rnx , ,
REMOCION
DE METALES
PESADOS
U T i W N D O
BIOMASA SECA
DE
Saccharomyces
cerevhae.
IFITRODUCCIÓN:
a presencia de metales pesados como Cr, Cu.
Cd.
Fe,
eic. enel
agua ocasionaL
graves problemas de saluda
laflora
yfauna
delos mantos
acuíferos, si esempleada para riego. los metales su acumulan en las plantas y si son consumidoc
hablamos en general de la acumulación de metales pesados en la cadena alimenticiz
y su persistencia del medio ambiente.
La polución de metales al medio ambiente
es
un
problema muy importante a resolver.Los métodos convencionales para
la
remoción de metales pesados en aguas dedeshecho inctuyen: reacción química, tratamiento electroquímico, intercambio ionico y
recuperación evaporativa; tales
métodos
pueden llegara ser
insuficientes oextremadamente caros cuando
las
concentraciones iniciales estánen
un
rango de 10-.
í00
g/m3.Una
alternativa
interesake es el uso de microorganismoscomo
bacterias. hongos,algas y levaduras para la
d
n
de metales pesados como parala
deelementos
radioactivos.Por ejemplo entre
los
trabajossobre
este tópico podemos mencionar al deTsezos y Volesky (1981) quienes descubrieron
el
fenómeno de la bioadsorcióncomb
"un termino colectivo de
un
número deprocesos de
cdección pásiva,la cual
en
cualquier paso particular puede induir intemmbio de ¡ones. coordinación, formación
de complejos, quelacion. adsorción y microprecipitacián".
La
biomasa deR.
enhizusremueve 180 mg de Th por g m o de biomasa. que representa aproximadamente el
drJbk.de loque remuewd~carWnadivado.~saaes y Volesky.1981)
Kuyucan y Volensky (1988) pioberrm- nrás de 15
metaks
y demostrarón queS.
C€?&siae presenta una altaadsom&n ' para Cu,
in,
Cd
y U y tambien reporiaron quele pH en procesos isotémicos afecB la bioadsorción y
no se ven
afectadospor
laconcentración inicial del metal. En 1994 Brady et al, demostraron
que
un
tratamientoalcalino a la biomasa mejora la bioadsorción, y reportan inmovilización de biomasa
seca para la utilización en la remoción de cobre.
/!
,
,
Nourbakhsh et al(l994) reportarón
un
estudio comparativo de vanos microorganismosentre los que se encuentran S. m . s h para remover iones de cromo, demostrando
que la cinética de bioadsorcion sigue
un
comportamiento de Monod, a pH 1.0-2.0 ytemperatura de 25-35
'C
como condiciones óptimas parala
adsorción de dicho metalAdemás mencionan que la bioadsorción aumenta conforme incrementa la
concentración de ion metálico.
Brady et
al
(1994) usaron como bioadsorbente biomasa granular deuna
levadura;a siguiente preferencia: Cui*>CP'- 7d+2 y CuZ'>Pbi+>Ni2'
,
pero no fue capaz de adsorber aniones(Cr20-'.)
d- -nos&= ,n además que la biomasa con este tratamientoadsorbe rapidamente.
Chong y Volensky (1995) eXa?Ttinam la capacidad de bioadw>rción de matales por biomasa de Aswphyilium nodbsum usando Sistemas
que
ccmtenlan
(Cu
+
a).
(Cu
+ Cd)y
(in+
Cd) y observaronque
la bioadsorciónde
Cd fw mucho mejor en presencia de Cu que deZn
y que la presencia de Cd yZn
alteran la afinidad por elcu.
OBJETIVO
OBJETWO
GENERAL
Determinar la capacidad de adcorción de
Zn,
Cd y Cu por biomasa seca de S.cerevisiee,
pluma y micelio industrial.OBJmVOS PARTICULARES:
-
Obtener biomasa deS.
cerevisiee.-
Detrminar la capac.dad dela
biamasaseca
de S.cersvwies
para
adsorber losmetales (Zn,Cd y Cu) c
-
Comparar la adsorción de la biomasacon
la de la pluma y micdio indushia 1.METODOLOG~A
REACTNOS: KHzPOi
K~HP043H20 ("1)s04
Mg
SO4'7H?OFeSO4'7H20 ZnS04'7H20 MnS04'4Hz0
D-glucosa
Extracto de levadura C~S04'5Hz0
@I9
2.72
522. 2.0 0.120.01122
0.004
0.004
O.OOO4
20.0
Se mun++~vo en agitjcibn a 100 rpm durante 24 hn. y una temperatura de 25 'C. P-sterioi. x,z se centrifugó a 3000 rpm durante 10 minutos y dp esta manera se recupero la biomasa, se meti6 en la estufa a una temperatura de 120 "C por 16 hrs
para secarla.
Aspergillus nigecMicelio industh1,donado
por
MEXANLA S A .DE
C.V. el cual es el desecho de la producUón de ácido Citnco. Se obhivoya
seco.Pluma:
Se usó pluma comercial para comparar la capacidad de adcorción con respecto ai micelio.METALES:
Se estudió la biosorcion de cobre zinc y cadmio.
La
s o l u d n de metales se preparo con agua desionizada utilizando wlfato cúprico, sulfato de zinc y cloruro de cadmio y se guardaron en recipientes de plástico en el refrigerador a 4 'C para evitar cambios de volumen y concentración debido a las evaporaciones.BioSOüCiÓU DE METALES:
Para
llevar a cabo la biosorcibn se utilizaronires
concentraciones diferentes de los metales en estudio (10, 20 y25
ppm), de igual manera se utilizaron tres concentraciones diferentes de biomasa de S. cemvisiee (1.2,2y
4 g o . Se prepararon soluciones de cada uno de los metales, así como una mezcla.se
pusieron 25 ml dela
soluci6n en matraces de 125 ml yse
adicionó la biomasa seca correspondiente al estudio, se dejó en contacto durante 24 horas y80
rpm,
todoesto
se
manejo'por duplicado.Al
t8rmino de estetiempo
se f1&6la
biomasa empleando membranas de 0.45 pm (MILIPORE, HV) yla
soiución se acidficócon
ácido nítrico concentrado (1.5mVr)
para su conseivaci6n en envases de plcrstico y a 4 "C y posteriormente cuantificar la concmtnm6.
n
de metal queresta
en la sotunón.Miceliinliustrial y pluma, 56 prahsróndos
tontentaoones
del
biorcQorbente (1 2, y 4gii). Se prepararon soluciones de cada uno de los metales, así como
una
mezcla, se pusieron 25ml
de la solución en mataces de 125ml
y se adicion6 la biomasa seca correspondiente al estudio, se dejó en contado duranbe 24 horas y 80 rpm, todo esto se manejópor
duplicado. Al MmmPode
este tiempo se fib6 la biomasa empleando membranas de 0.45 pm (MILLIPORE, HV) yla
solución se acidificó con ácido nítricoconcentrado (1.5 mill) para su Kimervacibn en envases de plástico y a 4
'
C
yposteriormente cuantificar
la
concentraci6n de metal que resta en la solución.DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRAClÓN DE
METALES:
Se determinó la concentración de metales disuelfos en las soluciones estándar
como
en las soiuciones después del contacto con el micelio o la pluma.La
cuantifcación delos metales se llevb a cabo por medio de espectrometría de emisión at6MiCa inductiva
acoplada al plasma.(PERKiN ELMER, Plasma 400).
!
To50 el material que se ocupo para llevar a cabo este estudio se lavó perfectamente
sumergiéndola en
uca
solucion de agua desionizada y ácido nitnco (con pH7)
pcrun periodo niinimo de 12 horas.
Para hacer el anális'is de biosorción por los diferentes materiales y t- mer una
comparacióri reat se calcularon los miligramos de metal adsorbido por gramo de S.
cerewisiae, rnicelio industrial o plunia
en
contacto, como lo indica Hui Niu et al.(l993jy
se gMico contra la concentnU6n inicial del metal que se estudióRESULTADOS
La tendencia en todos !os resultados,
es
muysimilar
ya que se observa quea
menorconcentración de biomasa. existe
una mayor
adsorción y conforme aumentamos laconcentración de metal
la
adsorciónaumenta.
En
la grdfica I observamos la adsorción que presentó S. cerevisiae en contacto conzinc y vemos que la
máxima
adsorci6nes
a
una
concentración de biomasa de 1.2 gllY 25 ppm de metal; y
la
menor adsorcióna
4 gll y 10 ppm de Cu corroborando latendencia de que a menor concentracibn de biomasa mayor adsorción.
A una concentración de 1.2 gll de biomasa y a 25 ppm de metal disueito se observa
que
el
mayor porcentaje de adsorci6ncorresponde al
cobre con 81,4 % seguido de elcadmio con 77.60 76 de adsorción y
el
que presentó menos afinidad fue el zinc contan
solo 75.80 Ohdo adsorción.La adsorción de Zinc presenta
una
tendencia en la cual vemoscomo a
menorconcentración de biornasa la adsorcibn
es
mayor.En
la mezcla de metales utilizando1.2 @I de S. cerevisiae
se
veque
la afinidad deZn
y Cd son muysimilares y
tambiénvemos
que conforme aumentamosla
mcentraci6n de Cd la bioahrción aumentallegando
a
tener a 25 ppm la máxima..adsorc¡ónde
bdas los metales presentesen
lamezcta.taler cantidades
se
mueshanen la siguiente tabia..-
Mezcla
demetales
con
1.2
g/l
de
biomaza
10
0.069792
0.046875
O.046875
25
O.
146875
0.111458
0.10416667
En la mezcla de merales con una concentración de biomasa de 2 g/l se ve que la
a<zsorción de Cu y Zn scn muy similares, presentando afinidades muy similares. El Cd
tiene
la misma
tendencia. el aumento de la concentración de metal incrementa laafinidad. La mayor adsorcion se presenta a 20 ppm y en las otras dos concentraciones
se presentan muy bajas.
En la
mezcla
de metales con una concentración debiomasa
de4
gll se observdla
misma tendencia que en las gráficas anteriores, la afinidad de Zn y Cu son muy
CONCENTRACION (ppm)
zn
Cd
cu
.J'
100
1 I
1
700
-
i
I I
.-
€00
I
I
7 w ,
f
4
O 25 30
10 15
-
Grafica NO 2 Comparaaon de la adsoru6n de cadmo a Uíerentes concenwames ae ¡noma58 ae S cemsme
, \
i
i
i
. :
i
Adsorcirjn de cobre por S. cerevisiae
/-
I
/
I
0 1
25 M
20
10 15,
5
conrrmniái . irlcdlppm)
I
Gráfica ih 4 Adsorct6ii de 13 mezcla de metales con 1.2 9/l de biomasa de S. cerevisiae.
I
I
r
1 '
!
I
. I
I
50
i
I
25 30
15 20
O
10
i
'7
140I
j
eo 4
I
I
i
i
similares y mientras que el Cd preso-’? una tendencia poco predecible; Existe una concentración maxima de ads;o:-!on eri ;ti caso a 20 pprn y posteriormente decae; la
adsorcón de Zn y Cu tienen siempre una tendencia ascendente.
..
RESULTADOS DE LA ADCORCIÓN DE PLUMA:
Los resultados de adsonion presentan la misma tendencia que la biomasa de la
levadura, con menor concentración de pluma y alta concentración de metal se
presenta la rnáxirna adsorcion. El mismo fenómeno se presenta para Cd y Zn, perc vernos que la adsorción con la pluma es mucho menor; que con la biomasa de
S.
cerevisiae producido en el laboratorio, por lo que podemos decir que la afinidad de S.
cwevisiae
es
mayor que la afinidad dela
pluma.~a máxima afinidad de la adsorcidn de pluma fue en el zinc y podemos decir que
la
adsorcion de zinc fuela
mejor, en cuanto a cantidad que adsorb&la
pluma.En la gráfica
No.
16 de la mezcia podemos observar que con 12 g/l de pluma veriticartarnos lo dicho en los pim-afos anteriores la máxima adsonión se present6 a concentraciones de la pluma.El
metal que más afinidad presentó fue el zinc ysu adsorción no cambió mucho en relación con la adsorción presentada con el metal solo pudiendo verificar lo que antes se habla mencionado.
Las
adsodones de cadrnio y zmc fueron muy similarespero
siempre abajo de la adsorci6n de zinc.La
adsorción de la mezcla de metales fue muy poca.El
metal que más afinidjd presentó fueotra
vez el zinc con 28.4 % de adsorcibn, verificando deesta
manera quela pluma tiene una gran afinidad
por
&e metal, mientras que la adsorción de cadrnio tuvo un pcrCerrta@ de 21.4 % y el de cobre fue de 20.4 % representando de esta forma-menw afinidad..
Los
resuitadus de adsoraon por .micelio inducbial al igual que la pluma presetrtaron una menor adsorubn que la biomasade,
S.
cerevisiae, producido en el laboratono. Las mismas tendencias que tod45 Im casos anter¡ores, es decir que a menor concentración de biomasa y altas concentraMones de !Ti&! es mayor la bioadsorcion.Así tenemos que la adsortión para los tres metales fue casi similar entre Cadmio y Cobre y la adsorción de Zinc fue mas alta en reláción a los otros dos metales.
Lo
quetambién se observa es que a akas concentraciones de rnicelio industrial es muy baja
la adsorción. menor que con pluma o con
S.
cerevisjae cuando los tres metales ss encuentran en una misma solución y en presencia de 1.2 gíl de micelio industrial se observa que el metal que present6 mayor afinidad delos
Pes
fue el Zinc, mientras quEen la adsorción de metales puros, el Cobre y el Cadrnio fue muy parecida.
d
5 10 15 20 25 30
CanantMQ> ¡ni* (ppm)
/
T
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1
-
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I 5 10 15 al 25 30
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Gafica No. 6. Adsordbnds-ndmtnaL
1
I
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-
5 13 15 20 25 30
Concentracidn inicial (ppm)
I .~
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5 10 15 P 25 30
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2
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Concentración inicial (pprn)-
Grafica No 12 Adsoroón de mbre por pluma
x
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5 10 15 20 25 30
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Conmmr;ifión inicial (ppm)I
n de nnc p a pluma
Grática No. 13. Adsorao
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Gráfica No. 1 4 - L . ' de cadmi0 pur pluma
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I Conoentrscion i n i a a l (ppm)
j
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J t Z n +cd +C"j +
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-. I
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5 10 15 M 25 30
C o n c e n w d n í n i d (ppm)
10 25 10 25 10 25
Ln cu Cd
C o n c m r r i b n . áddil1PPm)
Grafica No 17. Comparación de la capaadad de adsornón de los diferentes adsorbentes(1 2 gA)
,.-
En la adsorciori 5s
la
mezrlz
utilizando 4 gll de micelio industrial se determino una26: Ircion muy ?obro, presentando la tendencia observada en los experimsntos
anteriores. 3 nayor cmcentrrción de biornasa disminuye la adsorcion. Tambien
er
este experimento se ve que e¡ micelio industrial tiene mayor afinidad por e¡ Zinc y li:
afinidad de Ccbre
y
Cadmio es muy similar pero muy baja en comparacibn con 10-experimentos con S. cerevisiae.
Bioadcorbente
Zn'
CUI Cdi 1.25 ppm 110 ppm 125 ppm i10 ppm !25 ppm _
1
I1678.33
1193.33
¡646.66
,631.66
i240--
-.$. cerevisize 235
1271 H
-
3
3
1223.33
171.66
1213.33
P h n aMiceiio Industrial 330
I
II_
'_op_ppr
--
I--13.33
281.66 i36,56j207.66
j75 215+ 59<npmc.on ae b6 ~wer.ios mtermtes uvda pus b i o a d ~ con 1.2 p m ~ da rdsaDene por inro.
En
la
tabla número 1 se muestra una compamck5n entre los diferentes bioadsorbentes. en la cual sf? puede notar que el mejor biosorbente en todos los casosfue S.
cerewisme
mostrando que posee mayor afinidad por lostres
metales en relacióna los otros biosorbentes. siendo la diferencia muy notoria, ya que S. cerevrsiae
presento 5 veces más afinidad que los otrcs adsohntes.
DSCüSION
De acuerdo con Foures: et al (1992) 'la adsorci6n aumenta
conforme
aumentala
concentracion inicial del metal hash que llega a la satura&n del bioadsorbente"Lo;
resultados obtenidos siguen ese mportarniento, una linea recta,
en
la cual el parámetro a deteminar es la ordenada al origen o cambio de adsorci6n. Los experimentospermiten
observar esa penodidad.El
parárnetro crtoco a alcanzar es cuandola
adsorcion es modelada por una orden de adsorcibn cero.En
nuestroseXpennrentos
no
fue posible determinar dicho pa~Ametr0,es
necesario tener unasc m c e n t r a c i u m s m a s . a t t a s d e ~ p a r a p a d e r ~ r a s t e f e n ó m e n o .
SegSir: Gadd y White
(1989)
l a s
ramnes mSs probables de el @fer% de ¡aconcentracion de biOfR3S, son
una
interferencia
entre
los
sifjos de union y la posibilidad de reducir 01 mezclado durante la incuhaci6n" fenomeno presentado precisamente en ndestrcc, r?subdosSegun Rome y Geoffrey Gadd,
(1987)
"Existendos
mébdos para obtener !os parametros de adsorcijn los cualesson
el metodo de Freundlich y el de Langmuir,que se basin en cos conce~viones distintas a saber:
El modelo de Langrnuir asume que la máxima adsorcion ocurre cuando el bioadsorbente es saturado y cuando
La
energía de adsorcion es constante; el modelo matemático es:oonüs:
b. Es una constante relativo a la entalpía del sistema.
Q0:G la adsorción d ~ ¡ r n a del sistema y esta dada por moles de soluto
adsorbido por gramo de biomasa.
c: Es la concentracion de equilibrio del sistema.
qc: Es
la
capacidad del adsorbente y está dada por moles desoluto
adsorbiaopor gramo de biomasa.
Y para obtener los parametros
de
adsorción se linealiza dela
siguiente forma:l/q,
=
1lQ"
+ (1IbQ') (llc).El modelo de Freundlich sa
basa
en
la
ecuación:q.
=
K,(c)'~donde
K,
yn
son
constantes de adsorción especifico paracada
bioadsorbente. Sii i n e a i i i o s
con
logaritmo o$letlemos las constantes."
In(%) = In(K$ + l l n
In(c).
Para aplicar cualquiera de 10s
dos
,modelos hizo hita más datos experimentates. Porejempio en el caso de pluma y
micelio
industrial solo tenemos dos datos por lo cualno
puede ser posible una
linéraüzacib
' n.
En el caso de la biDmasa obtenidaen
el
l a ~ f i o h e m o u i ~ -datos por loural
hace
íattamásdabs
para poderdetemmiar
mexacmd
' *:- d e adsorción .Pero de acuerdo con Nourtrakhsti d al (1994) las constantes de adnmidn
para
S.
cemdisiae ?Lisron de n=1.82 y La
K1
d e 1.56. También ellos determinaron qur S.cerevisiee presenta
una
baja
adsrxión concromo
VI. Se requieren más resubdospara poder
ver
ern--
los fen6menos de bioadsorción y poder calcular nuestrosparámetros de b i o a d d o n . Sin e?nbaqo los resuttados
muestran
la^ tendencia aaumentar
la
bioadsorcion confomie aumenta la. concentración de metal y ladismmucion de la bioadsorción confame aumenta 1; cantidad de biomasa.
CCNCLUSI~N
Nuestros objetivos fueron alcanzados ya
que
el objetivo general y los partjcularec-fueron demostrados en este estudio. Se recomienda para contjnuar esto estudio
determinar l a capacidad de bioadsorción de metales con tratamiento. alcalino de 13s
bioadsorbentes y compararla con la obtenida en este trabajo; para poder confirmar sf
' ;
J'
'Y
VVhite (1989) que
el
'%&miento alcalino para las levaduras. puede llegar a destruir ciertos sitios donde lleva acabo la bioadsorción.". Tambien es recomendable esrudiai concentraciones mas altas de metal para poder observar todo el fenómeno de ¡abioadsorción y poder determinar los parámetros de la bioadsorción y de esta manera tener una comparación más cuanbtabva.
As¡
poder comparar estos parámetros con los reportados en la bibliografia ospac¡allzada y tener más datos de comparación del método.REFERENCIAS
1. Brady D., Stoll A. and Duncan J.R. Biosorption
of
Hewy Metal by Non-viableYeast Biomass. Environmental Tedmoiogy. 15,429438 (1 994)
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3. Gadd G.M. and White
C.
Resnovel of Thorium from Simulated Acid ProcessStreams by Fungal Biomass. Bidechnology and Bioengeeniring. 33, 592-597 (1 989)
4. Schinner
F.
and Burgstaller W. Ertracd;on of Zinc from lndustnal Waste byPeniciliium
sp.
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