UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ - UNCP

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

TESIS

PRESENTADO POR:

Bach. CANDIOTTI CUSI, YERSON ANTONY

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO Bach. LOPEZ DE LA CRUZ, RANDY ABEDNEGO

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO AMBIENTAL

HUANCAYO - PERÚ 2022

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN Y EL TIEMPO DE CONTACTO DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO PARA LA DISMINUCIÓN DE Escherichia coli Y PSEUDOMONAS DE LOS

LODOS RESIDUALES DE LA PTAR DE JAUJA

INFORME N° 012-2022-CCC-FIQ-UNCP

A : Dr. DEMETRIO ALIPIO SALAZAR MAURICIO Decano de la Facultad de Ingeniería Química

DE : Ms. CATY CERAS CUADROS

Docente Asesora de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)

FECHA : Huancayo, 08 de junio de 2022

Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:

TÍTULO DE TESIS TESISTA RESULTADO DE SIMILITUD

“INFLUENCIA DE LA

CONCENTRACIÓN Y EL TIEMPO DE CONTACTO DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO PARA LA DISMINUCIÓN DE ESCHERICHIA COLI Y PSEUDOMONAS DE LOS LODOS RESIDUALES DE LA PTAR DE JAUJA”

• CANDIOTTI CUSI, YERSON ANTONY

• LÓPEZ DE LA CRUZ, RANDY ABEDNEGO 13 %

Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.

Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.

Atentamente.,

___________________________________

Ms. CATY CERAS CUADROS DOCENTE - ASESORA

cc. Archivo.

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INDICE DE SIMILITUD

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FUENTES DE INTERNET

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PUBLICACIONES

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TRABAJOS DEL ESTUDIANTE

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INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN Y EL TIEMPO DE CONTACTO DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO PARA LA DISMINUCIÓN DE ESCHERICHIA COLI Y PSEUDOMONAS

INFORME DE ORIGINALIDAD

FUENTES PRIMARIAS

Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru

Trabajo del estudiante

repositorio.unjfsc.edu.pe

Fuente de Internet

Submitted to Universidad Continental

Trabajo del estudiante

dspace.espoch.edu.ec

Fuente de Internet

hdl.handle.net

Fuente de Internet

mcf.gsfc.nasa.gov

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1library.co

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idoc.pub

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43 < 1 ^%

44 < 1 ^%

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fisiologiavegetal2014.wordpress.com

Fuente de Internet

spenagroup.com

Fuente de Internet

ii TÍTULO

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN Y EL TIEMPO DE CONTACTO DE NANOPARTÍCULAS DE HIERRO PARA LA DISMINUCIÓN DE Escherichia coli Y PSEUDOMONAS DE LOS

LODOS RESIDUALES DE LA PTAR DE JAUJA

iii NOMBRE DEL ASESOR

Ms. Caty Ceras Cuadros

iv DEDICATORIA

Este trabajo va dedicado principalmente a Dios. A mis Padres, hermanos y mi pareja, quienes son mi motivación en cada despertar.

Yerson Antony Gracias.

Este logro se lo dedico por completo a mis padres, por apoyarme en todo momento de mi carrera y sobre todo en mi vida, a mi hermano y a mi enamorada, por estar ahí cuando más los necesito.

Randy Abednego Gracias

v AGRADECIMIENTO

Primeramente, agradecemos a Dios y al universo por haber conspirado para mantenernos firmes y no decaer durante este gran esfuerzo que comprendió nuestra carrera.

Nuestro agradecimiento también va dirigido a la Universidad Nacional del Centro del Perú por habernos aceptado ser parte de ella y abrirnos las puertas de su seno científico para poder estudiar en nuestra venerable facultad, así como también a los docentes que nos brindaron la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento científico, además de haber tenido toda la paciencia del mundo para guiarnos en este arduo camino universitario.

Agradecemos también a nuestra asesora la Ing. Caty Ceras Cuadros por habernos guiado en este proyecto, en base a su experiencia y sabiduría ha sabido direccionar nuestros conocimientos.

Y, por último, pero nunca menos importante; gracias a la vida por regalarnos este tan hermoso y esperado momento.

Yerson- Randy

vi RESUMEN

Los lodos residuales son desechos que se obtienen después de un tratamiento primario, secundario de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) que según el D.S.

N° 015-2017-VIVIENDA, los lodos se debe reaprovechar para la obtención de biogás, compost, etc. previo tratamiento para eliminar los agentes patógenos o microorganismos como bacterias (DECRETO SUPREMO N^o 015-2017-VIVIENDA, 2017), sin embargo, la aplicación de esa normativa no se cumple, pues la disposición final de los lodos son los suelos, generando contaminación de suelos y la contaminación de cuerpos de agua ya sean superficiales y/o subterráneas por agentes patógenos, que pueden llegar a lixiviar a través del suelo (Montes y Menendez, 2015), por ello con la finalidad de minimizar la contaminación que provoca la inadecuada disposición de los lodos residuales, se realizó el presente trabajo de tesis, donde se estudió la influencia de la concentración y el tiempo de contacto de nanopartículas de hierro valencia cero, para la disminución de Escherichia coli (E. coli) y Pseudomonas de los lodos residuales de la PTAR – SAUSA de la E.P.S.M.

Mantaro de la provincia de Jauja, para ello se determinó las concentraciones iniciales de E. coli y Pseudomonas mediante la caracterización del lodo residual obteniendo 9,70x10⁶ (UFC/mL) de E. coli y 2,88x10⁴ (UFC/mL) de Pseudomonas.

El tratamiento se realizó en una muestra de 100 mL de lodos residuales, donde se agregaron 0,5g, 1g, y 1,5g de nanopartículas de hierro con valencia cero que equivale a 5mg/mL, 10 mg/mL y 15 mg/mL de concentración nanopartículas de hierro con valencia cero; la evaluación de la disminución de E. coli y Pseudomonas se realizaron en intervalos de 10 min, 30 min y 60 min de tiempo de contacto, donde para la disminución de E. coli y Pseudomonas, se trabajó con las variaciones de la concentración de nanopartículas de hierro valencia cero, donde para 5 mg/mL de concentración de nanopartículas de hierro valencia cero se logró una disminución máxima promedio de 99,82% de E. coli y 49,65% de Pseudomonas, para una concentración de nanopartículas de hierro valencia cero de 10 mg/mL se logró una disminución máxima promedio de 99,89% de E. coli y 61,46% de Pseudomonas y para una concentración de nanopartículas de hierro valencia cero de 15 mg/mL se logró una disminución máxima promedio de 99,99% de E. coli y 68,40% de Pseudomonas, la mejor interacción significativa fue a un tiempo de contacto de 60 min y una concentración de 15 mg/mL de concentración de

vii nanopartículas de hierro de valencia cero ya que se logró disminuir en un 99,99% E. coli y en 68,40% Pseudomonas.

La inactivación de E. coli y Pseudomonas con nanopartículas de hierro valencia cero se atribuye a la producción de especies reactivas de oxígeno, la liberación de productos de corrosión del hierro como los iones Fe²⁺/Fe³⁺ y la fricción directa de las nanopartículas con las membranas de las células bacterianas.

Palabras claves: Nanopartículas de hierro (mg/mL), E. coli, Pseudomonas (UFC/mL), lodo residual (mL)

viii INTRODUCCIÓN

En el tratamiento de aguas residuales de una PTAR se utilizan diversas tecnologías que van en diferentes etapas como son: tratamiento primario, tratamiento secundario, desinfección y el tratamiento de lodos, sin embargo, estas no son suficientes para remover altos porcentajes de microorganismos presentes en los lodos. Los lodos provienen de los tratamientos primarios y secundarios como el resultado de la disminución de sus contaminantes, su composición varía de acuerdo al origen del agua que ha sido tratada y el tipo de tratamiento. (Limón, 2013), estos lodos generan contaminación al medio ambiente por la carga bacteriana como las Pseudomonas y E. coli.

Los lodos son un residuo necesario de gestionar, ya que son generadoras de olores, agentes patógenos, contenido de aguas toxicas que puede llegar a lixiviar por el suelo (Montes y Menendez, 2015). En el D.S. N° 015-2017-VIVIENDA estipula que se debe dar un reaprovechamiento de los lodos provenientes de las plantas de tratamiento de aguas residuales (DECRETO SUPREMO N^o 015-2017-VIVIENDA, 2017), se debe realizar un reutilización para la obtención de biogás, compost, en este último teniendo en cuenta un tratamiento previo para eliminar los agentes patógenos o contaminantes que pueda tener, sin embargo, en la mayoría de las PTAR´s, no aplican la normativa.

Existen métodos para la estabilización de lodos y eliminar los agentes patógenos como:

la digestión aeróbica, digestión anaeróbica, la adición de cal, desaguado de lodos, entre otros, pero presentan problemas debido a su alto coste de implementación y al tiempo de operación. (Limón, 2013).

Las nanopartículas de hierro de valencia cero son ampliamente aplicadas en el tratamiento de aguas residuales para la disminución de contaminantes, comprobando su eficacia a la hora de inhibir microorganismos como la E. coli, bacterias Gram negativas, bacterias Gram positivas. (Kim et al., 2020), por ello en el presente trabajo de investigación se realizará el tratamiento de los lodos residuales utilizando estas nanopartículas para la disminución de E. coli y Pseudomonas.

Los lodos residuales de la PTAR de la provincia de Jauja deben pasar por procesos de deshidratación y estabilización para su disposición final o reaprovechamiento; para la

ix estabilización se hará uso de las nanopartículas de hierro para así contrarrestar la contaminación que genera la disposición inadecuada de los mismos.

Este trabajo de investigación consta de tres capítulos, en el primero se encuentra los antecedentes, marco teórico y conceptual, en el segundo capítulo se detalla la parte experimental donde tenemos la metodología, diseño experimental y el procedimiento experimental y el tercer capítulo se plasma los resultados, la discusión de resultados, la contrastación de hipótesis y en la parte final se encuentran las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos

x OBJETIVOS

Objetivo general:

Determinar la influencia de la concentración y el tiempo de contacto de nanopartículas de hierro valencia cero para la disminución de E. coli y Pseudomonas de los lodos residuales de la PTAR de Jauja

Objetivos específicos:

 Determinar la cantidad de E. coli y Pseudomonas iniciales presentes en los lodos residuales de la PTAR de Jauja mediante su caracterización.

 Determinar la influencia de la concentración de las nanopartículas de hierro de valencia cero en la disminución de E. coli y Pseudomonas en los lodos residuales de la PTAR de Jauja.

 Determinar la influencia del tiempo de contacto de las nanopartículas de hierro de valencia cero en la disminución de E. coli y Pseudomonas de los lodos residuales de la PTAR de Jauja.

xi ABREVIATURA UTILIZADA

nZVI : Nanopartículas de hierro de valencia cero XRD : Difracción de rayos X

SEM : Microscopia electrónica de barrido EDX : Microscopia de rastreo

NP : Nanopartículas

TEM : Microscopio electrónico de transmisión CFU : Unidad de Colonia formadoras

ROS : Especies reactivas de oxígeno

C-nZVI : Partículas cristalino convencional a nanoescala XPS : Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X SSV : Sólidos Solubles Volátiles

PTAR : Planta de tratamiento de Aguas Residuales CIM : Concentración mínima inhibitoria

mg : Miligramos g : Gramos

xii ÍNDICE DE CONTENIDO

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTO v

RESUMEN vi

INTRODUCCIÓN viii

OBJETIVOS x

ABREVIATURA UTILIZADA xi

ÍNDICE DE CONTENIDO xii

ÍNDICE DE TABLAS xv

ÍNDICE DE FIGURAS xvii

CAPÍTULO I 18

1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 18

1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN: 18

1.2. MARCO TEÓRICO 24

1.2.1. Planta de tratamiento de aguas residuales 24

1.2.2. Técnicas utilizadas para el tratamiento de aguas residuales 25

1.2.3. Lodo Residual 26

1.2.4. Métodos de Química húmeda para la síntesis de nanopartículas de óxidos

metálicos 29

1.2.5. Nanopartículas de hierro de valencia cero (nZVI) 33 1.2.6. Síntesis de Nanopartículas de valencia cero (nZVI) 33 1.2.7. Técnica de Caracterización de nanopartículas 35 1.2.8. Toxicidad de Nanopartículas de hierro valencia cero (nZVI) 37

1.2.9. Mecanismo de reducción de microorganismos 38

1.2.10. E. coli 39

1.2.11. Pseudomonas 40

1.2.12. Método de difusión 41

xiii

1.2.13. Método de dilución 43

1.2.14. Concentración mínima inhibitoria (CMI) 43

1.3. MARCO CONCEPTUAL 44

1.3.1. Lodos 44

1.3.2. Aguas Residuales 44

1.3.3. Pseudomonas 44

1.3.4. Ácidos grasos volátiles 44

1.3.5. Biosólidos 45

1.3.6. Coagulación 45

1.3.7. Floculante 45

CAPÍTULO II 46

2. PARTE EXPERIMENTAL 46

2.1. METODOLOGÍA 46

2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL 46

2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 47

2.3.1. Materiales 47

2.3.2. Reactivos 47

2.3.3. Equipos 48

2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 48

CAPÍTULO III 52

3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 52

3.1. Resultados 52

3.1.1. Concentración inicial de E. coli y Pseudomona 52

3.1.2. Resultados de los tratamientos 55

3.1.3. Influencia del tiempo de contacto 56

3.1.4. Concentración de nanopartículas de hierro valencia cero 60

xiv 3.1.5. Relación de la concentración de las nanopartículas de hierro valencia cero y tiempo de contacto en la disminución de E. coli y Pseudomonas 62

3.2. Discusión de resultados 68

3.3. Contrastación de hipótesis 71

3.3.1. Pruebas de Normalidad 72

3.3.2. T de student para las concentraciones inicial de E. coli y Pseudomonas 73 3.3.3. Contrastación de hipótesis para la concentración de nanopartículas de hierro

y tiempo de contacto en función a las Pseudomonas 75

3.3.1. Contrastación de hipótesis para la concentración de nanopartículas de hierro de valencia cero y tiempo de contacto en función a las E. coli 79

CONCLUSIONES 82

RECOMENDACIONES 83

BIBLIOGRAFÍA 84

ANEXOS 89

xv ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Parámetros a determinar y técnicas de caracterización correspondientes ... 35

Tabla 2: Lista de las principales especies asignadas a las auténticas Pseudomonas ARN grupo I... 41

Tabla 3: Variables independientes y dependientes ... 46

Tabla 4: Diseño factorial 3² con tres repeticiones ... 47

Tabla 5: Concentración inicial de E. coli y Pseudomonas ... 52

Tabla 6: Concentraciones de E. coli después del tratamiento con las nanopartículas de hierro valencia cero ... 55

Tabla 7: Concentración de Pseudomona después del tratamiento con las nanopartículas de hierro valencia cero ... 55

Tabla 8: Porcentaje de Disminución de E. coli y Pseudomonas para un tiempo de contacto de 10 minutos... 56

Tabla 9: Porcentaje promedio de disminución de E. coli y Pseudomonas para un tiempo de contacto de 10 minutos ... 56

Tabla 10: Porcentaje de disminución de E. coli y Pseudomonas para un tiempo de contacto de 30 minutos ... 57

Tabla 11: Porcentaje promedio de disminución de E. coli y Pseudomonas para un tiempo de contacto de 30 minutos ... 56

Tabla 12: Porcentaje de disminución de E. coli y Pseudomonas para un tiempo de contacto de 60 minutos... 59

Tabla 13: Porcentaje promedio de disminución de E. coli y Pseudomonas para un ... tiempo de contacto de 60 minutos ... 59

Tabla14: Porcentaje de disminución de E. coli y Pseudomonas para 5mg/mL de nanopartículas de hierro valencia cero ... 60

Tabla 15: Porcentaje de disminución de E. coli y Pseudomonas para 10 mg/mL ... de nanopartículas de hierro valencia cero ... 61

Tabla 16: Porcentaje de disminución de E. coli y Pseudomonas para 15 mg/mL ... de nanopartículas de hierro valencia cero ... 61

Tabla 17: Disminución de E. coli y Pseudomona en el tratamiento con nanopartículas hierro valencia cero ... 62

Tabla 18: Estadísticos descriptivos para E. coli ... 74

Tabla 19: t de student para hipótesis 1 para E. coli ... 74

xvi

Tabla 20: Estadísticos descriptivos para Pseudomonas ... 74

Tabla 21: t de student para hipótesis 1 para Pseudomonas... 75

Tabla 22: factores y niveles del diseño de investigación... 76

Tabla 23: Análisis de Varianza para Pseudomona ... 76

Tabla 24: Resumen del modelo ... 77

Tabla 25: Estadística descriptiva para la hipótesis 2 en función a E. coli ... 79

Tabla 26: Prueba de Kruskal Wallis para la hipótesis 2 en función a E. coli ... 79

Tabla 27: Estadística descriptiva para la hipótesis 3 en función de E. coli ... 80

xvii ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Procesos dentro de planta de tratamiento de aguas residuales: ... 24

Figura 2: Tipos de lodos residuales dentro de una PTAR………28

Figura 3: Imágenes TEM de nanopartículas de óxido de hierro... 30

Figura 4: Esquema de configuración de sintesis de flujo continuo para la produccion de nanoparticulas ... 32

Figura 5: Diagrama de flujo para el proceso de síntesis de nanopartículas de nZVI ... 34

Figura 6: Mecanismo de reducción de microorganismos ... 39

Figura 7: Clasificación de E. coli ... 40

Figura 8 Técnica difusión de discos ... 42

Figura 9 Técnica de difusión de pozos ... 43

Figura 10: Análisis de la concentración mínima inhibitoria... 44

Figura 11: Concentraciones de E. coli del efluente tratados en PTAR con la concentración inicial muestra... 53

Figura 12: Concentraciones de Pseudomonas del efluentes tratados en PTAR con la concentración inicial muestra ... 54

Figura 13: Promedio de disminución de E. coli ... 63

Figura 14: Promedio de disminución de Pseudomonas ... 64

Figura 15: Efectos principales de la disminución de E. coli ... 65

Figura 17: Contorno de la disminución de E. coli ... 66

Figura 18: Efectos principales para la disminución de Pseudomonas ... 66

Figura 19: Interacción de Concentración de nanopartículas de hierro y tiempo de contacto para la disminución de las Pseudomonas ... 67

Figura 20: Contorno de la disminución de las Pseudomonas ... 68

Figura 21: Probabilidad normal para E. coli ... 72

Figura 22: Probabilidad normal para Pseudomonas ... 73

Figura 23: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados en la disminución ... de Pseudomonas ... 78

18 CAPÍTULO I

1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN:

Sadek et al., (2021) estudiaron partículas de hierro de valencia cero a nanoescala como agentes antibacterianos contra dos bacterias Gram- positivas: Staphylococcus aureus NRRL B-313 (S. aureus), Bacillus subtilus NRC (B. subtilus) y dos bacterias Gram-negativas: E. coli NRC B-3703 (E.

coli) y Pseudomonas aeruginosa NRC B-32 (Ps. aeruginosa); para la caracterización de las nanopartículas de hierro de valencia cero (nZVI) realizaron análisis XRD (difracción de rayos x), SEM (microscopia electrónica de barrido), EDX (microscopia de rastreo) y TG obteniendo como resultado una forma esférica, un tamaño mediano y de estructura cristalina de 44,43 nm. Para el tratamiento de las aguas residuales municipales utilizaron concentraciones 10 mg/mL de nanopartículas de hierro de valencia cero (nZVI), obteniendo como resultados que los recuentos de bacterias totales, coliformes totales, coliformes fecales, S. aureus, Streptococcus fecal y E. coli se redujeron a 44,29%; 51,76%; 90,95%; 46,67%; 33,33% y 93,89%

respectivamente, en el tratamiento biológico del agua residual; el buen rendimiento de la nZVI se atribuyó a las especies reactivas de oxígeno (ROS) que liberan productos de corrosión de hierro como iones de Fe²⁺/ Fe³⁺ y fricción directa de partículas nZVI con membranas de células bacterianas, por otro lado, las partículas nZVI presentaron un comportamiento de desinfección, en comparación a otras tecnologías usadas para desinfección como la cloración.

Das y Dhar, (2020) sintetizaron nanopartículas (NP) amorfas de hierro valencia cero (ZVI) utilizando brotes jóvenes de Camellia sinensis. Para la caracterización de las nanopartículas de hierro de valencia cero recubiertas de polifenol utilizaron la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis), espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de difracción de rayos X (XRD), microscopio electrónico de barrido (SEM) y microscopio electrónico de transmisión (TEM), mostrando que las

19 nanopartículas son de forma esférica y cuasi esféricas con tamaño promedio de 74 nm, los autores indicaron que, la principal aplicación de esta nanopartícula es como catalizador similar a Photo-Fenton, mostrando una degradación del 100% de la rodamina B en 60 minutos; también investigaron la potencia antibacteriana de la nZVI mediante un método de difusión en disco a una concentración de 10 mg/mL, con cuatro cepas diferentes (Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, E. coli, Pseudomona aeruginosa) resultando ser más potente contra la Pseudomona aeruginosa donde se encuentra que la zona de inhibición es de 18,4 mm.

Kim et al., (2020) mencionan que las aguas utilizadas por los agricultores para el riego son fuentes de baterías patógenas, que contaminan a los productos destinados para consumo, por ello en esta investigación se evaluó un sistema de filtración de arena de hierro de valencia cero (ZVI) para reducir E. coli en los cultivos de espinacas, para lo cual realizaron seis ensayos de filtración, conectados a 4 tuberías de PVC (1,25 L), los filtros de arena con ZVI contenían 50% de ZVI y 50% de arena (tamaño de partícula de 0,43 mm a 0,60 mm), mientras que los filtros de arena contenían 100% de arena (tamaño de partícula de 0,45 mm a 55 mm), bombeadas con 8L de agua de estanque esterilizada en un autoclave inoculas con E. coli (4 log CFU/mL) y 15L de agua sin inocular con un caudal de 1L/min, obteniendo como resultado que la filtración de área ZVI eliminó significativamente más E. coli que una filtración simple de arena; en los 3 primeros ensayos se eliminó el 96 % y en los dos últimos el 44 %, lo que indica que la filtración de ZVI inactiva E. coli y como ensayo final se redujo las poblaciones de E. coli de 70 % y 10%

respectivamente.

Cheng et al., (2019) plantearon que el hierro de valencia cero a nanoescala modificado con sulfuro (S/nZVI) es estudiado en la remediación de las aguas subterráneas, sin embargo, los riesgos ambientales son poco conocidos, por ello la razón de esta investigación es reducir la toxicidad de nZVI, mediante la sulfuración, donde S/nZVI reportó una menor toxicidad y relación molar menor de Fe/S con un contenido menor de FeO y contenido mayor de sulfato.

La investigación muestra la disminución significativa de la toxicidad de

20 S/nZVI en presencia de N-acetil-cisteína (eliminador de especies reactivas de oxígeno (ROS); la S/nZVI interactuó con los grupos amina, carboxilo y éster en la superficie de E. Coli según los análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, que mostró un ligero efecto tóxico.

Sun et al., (2019) en su investigación demostraron que las microesferas amorfas de hierro valencia cero (A-nZVI) exhiben una mayor tasa de inactivación y eficiencia para la eliminación de (E. coli) a comparación de las partículas cristalino convencional a nanoescala, (C-nZVI) en condiciones aerobias; con respecto al rendimiento del tratamiento, se atribuyen a las especies más reactivas de oxígeno como el OH libre, que se genera por la disolución acelerada de hierro y la activación del oxígeno molecular, por otro lado, el C-nZVI produjo OH ligado a la superficie por lo que su capacidad bactericida se obstaculizó por el contacto físico entre C-nZVI y E. coli. La hidrólisis de hierro disuelto liberado de A-nZVI produjo una gran cantidad de (FeO)OH que envolvió E. coli, inactivando su membrana, produciendo la estabilidad del coloide de E. coli, y así provocar su rápida coagulación y sedimentación, para una remoción eficiente. Por lo tanto, los investigadores concluyeron que, las especies más reactivas de oxígeno y los productos de corrosión de hierro durante la desinfección son muy importantes en el tratamiento de aguas.

Hsueh et al., (2017) en su investigación mencionan que las nanopartículas de valencia cero (ZVI NP) son utilizadas en la remediación de suelo y aguas subterráneas contaminadas, debido a que su área superficial activa, sirven como reductores fuertes y efectivos, sin embargo, no han evaluado la ecotoxicidad y la biodisponibilidad de las NP de ZVI. En esta investigación los autores demostraron que, las NP de ZVI redujeron de 4 log y 1 log en el número de células de dos cepas bacterianas grampositivas distintas (Bacillus subtilis 3610 y Bacillus thuringiensis 407) respectivamente, sin embargo no detectaron ningún cambio en las cepas gramnegativas ( E. coli K12 y ATCC11634), para confirmar este resultado realizaron un análisis de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, la absorción de rayos X cerca del borde y los espectros de estructura fina de absorción de rayos X, donde

21 mostraron que las células de Bacillus expuestas a las NP de ZVI contenían 𝐹𝑒₂𝑂₃ y 𝐹𝑒𝑆, lo que indica que penetraron en las células bacterianas. El análisis de Redox Sensor y la tinción con yoduro de propidio (PI) mostraron una disminución de la actividad de la reductasa y un aumento de PI en ambas cepas de Bacillus tratadas con una concentración alta (1000 ppm) de NP de ZVI.

Xie et al., (2021) en su trabajo de investigación muestran los efectos de los componentes del agua subterránea como: metales pesados, aniones inorgánicos y compuestos orgánicos, sobre la citotoxicidad del hierro valencia cero (NZVI) a nanoescala hacia la cepa E. coli en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. Los resultados mostraron que NZVI tiene una mayor toxicidad en condiciones anaeróbicas que aeróbica; en condiciones de saturación de aire, la oxidación de NZVI es rápida y al mismo tiempo genera Fe (II) lo que genera un estrés oxidativo de E. coli debido a la formación de las especies reactivas de oxígeno (ROS), mientras que en el estado desairado la membrana celular de E. coli fue destruida, lo que validó que el mecanismo de la citoxicidad de NZVI. Por otro lado, la presencia de Cr(VI) redujo la toxicidad de NZVI por redox con NZVI, especialmente en condiciones anaeróbicas, sin embargo, la presencia de Cd(II) fue absorbido en NZVI aumentando la citotoxicidad, la presencia de fosfato y acido húmico mejoró en gran medida la tasa de supervivencia de E. coli por medio de la reacción compleja de Fe(II) en condiciones aeróbicas, el complejo Fe(II)-fosfato/

acido húmico acumulado en la superficie exterior de E. coli proporcionando un impedimento esférico, que impide el contacto entre NZVI y la célula, estos hallazgos fueron de mucha importancia para que los autores evalúen el riesgo ambiental durante el proceso de remediación de aguas subterráneas con NZVI.

Mdlovu et al., (2020) en su investigación demostraron que la descontaminación de Cr(VI) mediante una reacción reductora con nanopartículas de hierro valencia cero nZVI (PEI–nZVI) recubierto de polietilenimina (PEI), modifica la superficie de nZVI mejorando su estabilidad y movilidad. La caracterización de las nZVI, lo realizaron

22 mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), difracción de rayos X (XRD) y absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES), donde el análisis de XANES y XPS revelaron una reducción de Cr(VI) a Cr(III) con la oxidación del nZVI para formar 𝐹𝑒₂𝑂₃, 𝐹𝑒₃𝑂₄ o 𝐹𝑒𝑂.

La eficiencia de degradación del Cr(VI) fue de un 99,9% en 60 minutos para un rango de concentración de 150 ppm a 300 ppm, el cual fue adsorbido sobre la superficie de las nZVI.

Lefevre et al., (2015) en su investigación analizaron la importancia del uso del hierro de valencia cero a nanoescala (nZVI) en la remediación in situ de suelos y aguas subterráneas y los efectos adversos de las nZVI en las comunidades microbianas autóctonas. Los autores de la investigación refieren que la toxicidad está relacionada con los mecanismos de estrés oxidativo a través de la generación de Fe(II) y de la formación de especies reactivas del oxígeno por nZVI. Por otro lado, han demostrado que las nZVI alteran sustancialmente la composición taxonómica y funcional de las comunidades microbianas autóctonas, sin embargo, indican que debido a las condiciones fisicoquímicas encontradas in situ modifican en gran medida la toxicidad de nZVI.

Kiruba Daniel et al., (2014) en su investigación analizaron la importancia de los nanomateriales y la nanotecnología en el tratamiento de aguas, especialmente de las nanopartículas de plata, cobre y el hierro de valencia cero, por sus propiedades de inactivación de microorganismos y la eliminación de metales pesados. Los investigadores demostraron que tuvieron una buena eliminación de contaminantes en aguas residuales, efluentes textiles y de curtiduría utilizando nanopartículas hibridas multifuncionales.

Ajonina et al., (2015) monitorearon organismos patógenos con el fin de obtener información sobre su evolución durante los procesos de tratamiento de aguas residuales. detectaron huevos de heltelmintos en el afluente y efluente con una concentración promedio de 11 huevos/L a 50 huevos/L.

Tanto las concentraciones de E. coli como de coliformes totales fueron significativamente de 1 a 3 veces más altas en el influente que en el efluente

23 (UFC)/100 mL. Las concentraciones de coliformes totales oscilaron entre 3,6

× 10³ UFC /100 mL y 7,9 × 10⁵ UFC /100 mL Las concentraciones medias de E. coli oscilaron entre 2,5 × 10³ UFC /100 mL y 4,4 × 10⁵ UFC/100 mL.

También se detectó Clostridium perfringens en afluentes y efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) en concentraciones promedio que oscilan entre 5,4 × 10² (NMP)/100 mL y 9,1 × 10²(NMP)/100 mL.

Odjadjare et al., (2012) evaluaron los efluentes finales de tres plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) (Alice, Dimbaza y East London) para determinar su calidad fisicoquímica y la prevalencia de especies de Pseudomonas resistentes a múltiples antibióticos (MAR), entre agosto de 2007 y julio de 2008. La media anual total del recuento de Pseudomonas (TPC) fue de 1,20 × 10⁴ (UFC/100 mL), 1,08 × 10⁴ (UFC/100 mL) y 2,66 × 10⁴ (UFC/100 mL), para las plantas de tratamiento de aguas residuales de Alice, Dimbaza y East London, respectivamente. El estudio demostró que las cepas de Pseudomonas de resistencia a múltiples antibióticos son bastante frecuentes en los efluentes finales de las PTAR

Ramteke et al., (2010) analizaron la eficacia de la Planta de Tratamiento de Efluentes Comunes (CETP) basada en un proceso de lodos activados empleado para el tratamiento de efluentes de curtiduría. Los parámetros fisicoquímicos del efluente tratado se encontraron dentro de los niveles permisibles de los límites legales. Para el análisis microbiológico de Pseudomonas spp se obtuvo una concentración de 2,02x10³ (UFC/mL) y para el análisis de E. coli 2,01 x10² (UFC/mL). Sus resultados mostraron que lograron una reducción significativa en los niveles de DQO y DBO durante el curso del tratamiento en CETP. Una reducción del 98,46 %, 87,5 % y 96,15

% en los recuentos bacterianos, especialmente en patógenos como E. coli, Vibrio spp. y Pseudomonas spp respectivamente también se logró la eliminación completa de estreptococos fecales en el efluente tratado.

24 1.2. MARCO TEÓRICO

1.2.1. Planta de tratamiento de aguas residuales

Una planta de tratamiento de aguas residuales trata aguas residuales de residencias, comercios y de también vertidos industriales.(Ghernaout et al., 2018) En ella se desarrolla diferentes procesos como el cribado, la aireación mediante difusores , la aclaración mediante procesos de sedimentación, y la desinfección comúnmente con hipoclorito de sodio o mediante UV, también podemos mencionar que en el proceso de aclaración se generan lodos.(Ghernaout et al., 2018). La figura 1 muestra el proceso de una planta de tratamiento de aguas residuales.

Figura 1

Procesos dentro de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales

Fuente:(Ghernaout et al., 2018)

Procesos dentro de planta de tratamiento de aguas residuales:

A. Pretratamiento

El objetivo del tratamiento preliminar es la eliminación de sólidos gruesos y otros materiales grandes que a menudo se encuentran en las aguas residuales sin tratar. El tratamiento preliminar ayuda a eliminar o reducir el tamaño de los sólidos grandes, arrastrados, suspendidos o flotantes. Estos sólidos consisten en trozos de madera, tela, papel, plásticos, basura, etc., junto con alguna materia fecal. Se eliminan sólidos inorgánicos pesados como arena y grava, así como metal o vidrio. Para ello se utiliza los procesos como cribado, sedimentación (Sonune y Ghate, 2004)

25 B. Tratamiento primario

El tratamiento primario está diseñado para eliminar los sólidos orgánicos e inorgánicos mediante los procesos físicos de sedimentación y flotación mediante procesos como la coagulación, precipitación, floculación (Sonune y Ghate, 2004)

C. Tratamiento secundario

Tratamiento para eliminar los residuos orgánicos y Sólidos suspendidos.

En cuanto al tamaño de los sólidos, la distribución es de aproximadamente 30% suspendido, 6% coloidal y aproximadamente 65% sólidos disueltos. Ello se realiza con procesos como la biodegradación, filtración, y/o adsorción. (Sonune y Ghate, 2004) D. Tratamiento terciario

Es la desinfección del efluente y esto podría realizarse mediante oxidación, filtración mediante membranas o radiación UV. (Sonune y Ghate, 2004)

1.2.2. Técnicas utilizadas para el tratamiento de aguas residuales A. Método físico

La estrategia de transferencia de masa es la base de los métodos físicos de eliminación de contaminantes Es más probable que se use debido a su simplicidad, flexibilidad, alta eficiencia y reciclabilidad de contaminantes La menor necesidad de productos químicos es otra ventaja de este enfoque. El tratamiento físico parece altamente confiable que los otros tratamientos porque no depende de los organismos vivos Entre los métodos físicos, la adsorción ha sido utilizada por los investigadores en los últimos años debido a su alta eficiencia y bajo costo operativo.(Rashid et al., 2021)

 Adsorción

 Filtración por membrana

 Coagulación/floculación

26 B. Método químico

Se informan varios procesos de oxidación química para una variedad de aplicaciones de catálisis (Shafiq et al.2020,2021). Sin embargo, el proceso de oxidación avanzada se considera una técnica esencial para el tratamiento de aguas residuales. AOPs es un acrónimo que indica todos los métodos utilizados en el tratamiento de aguas residuales que tienen principios comunes en la generación de especies oxidantes, como los radicales hidroxilo (•OH).La oxidación puede implicar oxidación electroquímica, fotoelectroquímica (Rashid et al., 2021)

 Oxidación electroquímica

 Oxidación fotoelectroquímica

 Oxidación de fenton

C. Método biológico

Los microorganismos descomponen o degradan los colorantes orgánicos en el tratamiento biológico a través del ciclo aeróbico o anaeróbico. Los microbios utilizan los compuestos orgánicos como fuente de energía degradándolos. Las biopelículas se desarrollan para la eliminación de contaminantes de las aguas residuales. Diversos tintes utilizados en las industrias textiles son perjudiciales para los organismos aeróbicos y provocan la elevación, la floculación y el abultamiento de los lodos. Por lo tanto, se atestigua que el proceso biológico que procede por la vía aeróbica es insuficiente para descomponer los colorantes textiles, específicamente los colorantes azoicos. Además, también requiere un espacio más destacado y un tiempo de retención hidráulica más importante. La aireación es obligatoria para producir los compuestos de oxidación desconocidos que pueden agregar intensidad de color al efluente.

Los microorganismos anaerobios son de crecimiento lento y, por lo tanto, requieren más tiempo para aclimatarse. (Rashid et al., 2021)

1.2.3. Lodo Residual

Los lodos provenientes de una PTAR tienen diferentes composiciones dependiendo de la procedencia del agua, provenientes de los diferentes tratamientos en una PTAR como en los procedimientos de separación física,

27 tratamientos de digestión, tratamientos químicos; en forma física son concentraciones de sólidos provenientes del efluente (lodos primarios) o por la formación de sólidos suspendidos (lodos activos), estos pueden ser: aguas residuales domésticas, aguas industriales; los lodos tienen la propiedad de ser biosólidos y es el influido por los procesos que se da en la PTAR.

Para una buena disposición final el lodo es necesario un tratamiento de eliminación a su alto contenido patógeno (reducción de los microorganismos patógenos), para ser utilizados en terrenos agrícolas y forestales. (Donado, 2013)

a. Lodos provenientes de tratamiento biológicos

Los lodos provenientes de tratamientos biológicos están compuestos principalmente por sólidos y microorganismos, destacan por su color marrón a marrón oscuro, poco olor, y por la oxidación que sufren al airarse adquieren un color negro.(Amador et al., 2015)

b. Lodos provenientes de tratamientos físico-químicos

En los tratamientos físico químicos se hace uso de coagulantes para la formación de flóculos, estos se sedimentan para ser posteriormente eliminados, la característica de estos lodos es que suelen ser homogéneos, el color del lodo y el tiempo de su sedimentación dependen del tipo de coagulante que se utilice, entre lo más utilizados está el cloruro férrico, sulfato de aluminio, policloruro de aluminio, sulfato férrico (Amador et al., 2015)

En la Figura 2 se observa el tratamiento de aguas residuales dentro de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), durante este proceso se generan los lodos residuales; del proceso de decantación primaria se generan los lodos primarios, del tratamiento biológico y decantación se generan los lodos secundarios, del proceso de eliminación de Nitrógeno y fósforo se generan los lodos terciarios y de la mezcla de estos lodos se generan los lodos mixtos.

28 Figura 2

Tipos de lodos residuales dentro de una PTAR

Fuente: (Condorchem envitech, n.d.)

c. Tipo de lodos

 Lodos aprovechables: lodo que puede ser reutilizado para compostaje o generación de energía, estos lodos provienen de los tratamientos aeróbicos y anaeróbicos de la PTAR.

 Lodos no aprovechables: Son lodos que fueron retenido por las rejillas gruesas y finas, que tienen poco contenido de carga orgánica y que son desechados como residuos sólidos.

 Lodos peligrosos: son aquellos que salen de los tratamientos donde se redujo contaminantes peligros

d. Tratamientos para lodos residuales

Se tiene el sistema de digestión anaeróbica en donde en ausencia de oxígeno los ácidos volátiles formados producen gases de metano; la digestión aeróbica en ausencia de oxígeno esperar la propia oxidación de los microorganismos; el tratamiento químico usa principalmente la cal que

29 funciona como bactericida; en la incineración se reduce el volumen del lodo quemado la materia orgánica (Oropeza García, 2006)

1.2.4. Métodos de Química húmeda para la síntesis de nanopartículas de óxidos metálicos

El nanomaterial muestra diferentes propiedades ópticas, electrónicas, magnéticas y catalíticas en comparación con su equivalente a granel debido a la alta relación superficie/volumen, los defectos superficiales y el efecto cuántico. Los óxidos metálicos tienen una capacidad de separación de carga intrínseca que diferencia a los óxidos metálicos de los metales. La síntesis de nanopartículas de óxido de metal se puede explorar más a fondo para tener las propiedades deseadas o específicas.(Nikam et al., 2018)

El enfoque de síntesis química húmeda ha logrado un gran éxito, ya que ayuda a tener una disposición cinética y termodinámica para ajustar el tamaño, la forma y la composición que pueden reflejar el cambio en las propiedades ópticas, electrónicas y de la superficie. (Nikam et al., 2018)

a) Síntesis asistida por microondas

Se puede lograr un calentamiento rápido en el sistema de reacción usando radiación de microondas que mejora las velocidades de reacción y reduce el tiempo de reacción. Por lo tanto, la radiación de microondas se ha utilizado para reducir el tiempo de reacción mejorando la cinética de la reacción. (Nikam et al., 2018)

El calentamiento por microondas induce un calentamiento homogéneo que conduce a una cinética de crecimiento y nucleación uniforme en toda la solución y proporciona un producto de mejor calidad, preferiblemente bajo una mezcla eficiente. Los detalles sobre el efecto de la densidad de potencia, la frecuencia, la profundidad de penetración de las microondas y el tipo de material del reactor sobre la calidad del producto se elaborarán por separado. Varios óxidos metálicos que se han sintetizado utilizando técnicas asistidas por microondas incluyen: (Nikam et al., 2018)

Las nanopartículas de óxido de hierro muestran propiedades bien definidas cuando son monodispersas en tamaño y forma. La mayoría de los procesos de síntesis están impulsados por las propiedades del solvente, a saber. punto

30 de ebullición y polaridad. También informaron sobre la síntesis de nanopartículas esféricas monodispersas de Fe3O4 que tienen un índice de polidispersidad del 3% en solvente iónico utilizando el método asistido por microondas. De acuerdo con la teoría de LaMer, para obtener nanopartículas de tamaño uniforme, la nucleación instantánea es necesaria en toda la solución de reacción y para lograr esto, gradiente de temperatura debe eliminarse en toda la masa de reacción. Por lo tanto, el mecanismo de calentamiento por microondas bajo una mezcla eficiente elimina los gradientes térmicos en el sistema de reacción y permite que los núcleos crezcan homogéneamente. (Nikam et al., 2018)

La Figura 3 muestra imágenes de nanopartículas de óxido de hierro que se sintetizaron usando solvente iónico [BMIM] [BF4] como co-solvente que actúa como absorbente de microondas y ayuda a inducir un calentamiento uniforme en la solución y mantiene la homogeneidad térmica mediante un mecanismo de conducción iónica que condujo a la formación de nanopartículas monodispersas (Nikam et al., 2018)

Figura 3

Imágenes TEM de nanopartículas de óxido de hierro

Nota: A) Fe3O4 monodisperso (B) nanopartículas de Fe3O4 en el rango de 5 a 10 nm C) nanopartículas de Fe2O3 esféricas cubiertas con dextrano

31 D) Na/K Fe3O4 nanosheet E) Fe2O3 nanoelliptical y F) Fe2O3 nanoplates.

Fuente: (Nikam et al., 2018) b) Descomposición térmica

Un proceso químico en el que el precursor del metal cuando se calienta por encima de su temperatura de descomposición en un solvente de alto punto de ebullición se conoce como descomposición térmica. Normalmente, el uso de un disolvente acuoso y volátil para la preparación de óxidos metálicos adolece de polidispersidad, aglomeración y mala cristalinidad.

Las nanopartículas de óxidos metálicos obtenidas por descomposición térmica no necesitan tratamiento térmico post-síntesis y estas nanopartículas son altamente monocristalinas. Junto con la naturaleza monocristalina, las partículas son monodispersas en tamaño y forma. La nucleación y la tasa de crecimiento de la formación de óxidos metálicos por descomposición térmica se comprenden muy bien y han demostrado un buen control sobre el tamaño y la forma de las partículas mediante ligeros cambios en los parámetros de reacción. La mayoría de las nanopartículas de óxidos metálicos sintetizadas por este método utilizan precursores organometálicos disueltos en un solvente orgánico y un agente estabilizador de superficie a alta temperatura en un ambiente inerte(Nikam et al., 2018)

c) Síntesis solvotérmica

El proceso químico realizado en recipientes cerrados a presión y temperatura por encima del ambiente se conoce como proceso solvotérmico. Durante el método solvotermal, los recipientes de reacción o autoclaves funcionan en un rango de temperatura de 100 a 1000 °C y un rango de presión de 1 a 10000 bar. Debido a la alta presión y temperatura, se facilitan las interacciones entre los reactivos que dan un producto monocristalino. Los productos obtenidos con este método son altamente selectivos y reproducibles en términos de pureza, cristalinidad y morfologías. La síntesis a gran escala con este método es complicada debido a la alta temperatura, la alta presión y el tiempo de reacción

32 prolongado. Sin embargo, dependiendo del valor del material, se puede adaptar para aumentar la escala. (Nikam et al., 2018)

d) Síntesis de flujo continuo de nanopartículas de óxido metálico

Recientemente, la síntesis de flujo ha surgido como una técnica madura para sintetizar material nanocristalino debido a velocidades de transferencia de calor y masa más rápidas, mezcla rápida, control preciso de los parámetros de reacción y estabilidad física superior. La configuración típica para la síntesis de flujo continuo se presenta en la Figura 4. Las relaciones altas de área superficial a volumen y las dimensiones de difusión reducidas del tubo (mili) y el microrreactor permiten que la reacción se lleve a cabo de manera rápida y controlable. El control sobre la cinética de nucleación y crecimiento se puede lograr minimizando la variación local de temperatura y concentración para obtener partículas monodispersas de manera eficiente. (Nikam et al., 2018)

Figura 4

Esquema de configuración de sintesis de flujo continuo para la produccion de nanoparticulas

Fuente: Nikam et al.,( 2018)

33 1.2.5. Nanopartículas de hierro de valencia cero (nZVI)

Las nanopartículas de hierro de valencia cero (nZVI) actualmente tienen aplicación en la remediación de suelo y agua en una remediación in situ, utilizado para la transformación de contaminantes ambientales, destruir hidrocarburos halogenados, tetracloruro de carbono, etc. Para la obtención de las nanopartículas de hierro se tienen varios métodos, pero el más utilizado con fines medioambientales es el método de reducción utilizando el borohidruro de sodio (𝑁𝑎𝐵𝐻₄) como agente reductor y como precursor el cloruro de hierro (𝐹𝑒𝐶𝑙₃) en solución acuosa, tal como muestra la siguiente reacción.

(Yuvakkumar et al., 2011).

2𝐹𝑒𝐶𝑙₃+ 6𝑁𝑎𝐵𝐻₄+ 18𝐻₂𝑂 → 2𝐹𝑒₀+ 6𝑁𝑎𝐶𝑙 + 6𝐵(𝑂𝐻)₃+ 21𝐻₂

1.2.6. Síntesis de Nanopartículas de valencia cero (nZVI)

Se utilizó un grado analítico de cloruro férrico (FeCl3.6H2O, Loba Chemie, India) y borohidruro de sodio (NaBH4, Winlab Co., Reino Unido) sin purificación adicional para el proceso de síntesis de nanopartículas nZVI.

Todos los reactivos se prepararon utilizando agua doblemente desionizada (DDI) a lo largo de este estudio. La figura 5 de detalla como las nanopartículas de nZVI se sintetizaron por el método de reducción química mediante la reducción de iones férricos utilizando el agente borohidruro. Se disolvieron 0,5 g de cloruro férrico en una mezcla de etanol/agua 4/1 (v/v). Aproximadamente 0,33 mol/L de solución de borohidruro de sodio se vertieron en una bureta y luego se agregaron gota a gota a la solución de Fe (III) con agitación continua de la mezcla. Una vez agregada la solución de borohidruro a la solución de iones férricos, aparece un precipitado negro de nanopartículas de nZVI, agitar durante 15 min. Posteriormente, las nanopartículas nZVI formadas se separan mediante filtración al vacío utilizando un papel de filtro Whatman de 0,45 μm, seguidamente, el precipitado se lava con una mezcla de etanol/agua 4/1 (v/v) seguido de un lavado tres veces con etanol solamente. Finalmente, las nanopartículas de nZVI sintetizadas se secan en un horno térmico a 60 °C durante la noche.(Sadek et al., 2021)

34 Figura 5

Diagrama de flujo para el proceso de síntesis de nanopartículas de nZVI

Fuente: Sadek et al., (2021)

35 1.2.7. Técnica de Caracterización de nanopartículas

Algunos de los principales parámetros estudiados en la caracterización de las NPs son el tamaño y la forma. También podemos medir las distribuciones de tamaño, el grado de agregación, la carga superficial, el área superficial y, hasta cierto punto, evaluar la química superficial. El tamaño, la distribución de tamaños y los ligandos orgánicos presentes en la superficie de las partículas pueden afectar otras propiedades y posibles aplicaciones de las NP.

Además, la estructura cristalina de las NP y su composición química se investigan a fondo como primer paso después de la síntesis de nanopartículas.

Hasta el momento no existen protocolos estandarizados para este fin.

(Mourdikoudis et al., 2018)

Tabla 1

Parámetros a determinar y técnicas de caracterización correspondientes

Entidad caracterizada Técnicas de caracterización adecuada

Tamaño TEM, XRD, DLS, NTA, SAXS,

HRTEM, SEM, AFM, EXAFS, FMR, DCS, ICP-MS, UV-Vis, MALDI, NMR, TRPS, EPLS, susceptibilidad magnética

Forma TEM, HRTEM, AFM, EPLS,

FMR, tomografía 3D

Composición química elemental XRD, XPS, ICP-MS, ICP-OES, SEM-EDX, RMN, MFM, LEIS Estructura cristalina XRD, EXAFS, HRTEM, difracción

de electrones, STEM

Distribución de tamaño DCS, DLS, SAXS, NTA, ICP-MS,

FMR, relaxometría

superparamagnética, DTA, TRPS, SEM

Estado químico-estado de oxidación XAS, EELS, XPS, Mossbauer cinética de crecimiento SAXS, RMN, TEM, Cryo-TEM,

Liquid-TEM Unión de ligandos /composición

/densidad/disposición/masa, Composición de la superficie

XPS, FTIR, RMN, SIMS, FMR, TGA, SANS

Superficie, superficie específica BET, RMN líquida Carga superficial Ζ-potencial, EPM

Concentración ICP-MS, UV-Vis, RMM-MEMS,

PTA, DCS, TRPS

Estado de aglomeración Ζ-potencial, DLS, DCS, UV-Vis, SEM, Cryo-TEM, TEM

Densidad DCS, RMM-MEMS

36 Propiedades de una sola partícula Sp-ICP-MS, MFM, HRTEM, TEM

líquido

Visualización 3D tomografía 3D, AFM, SEM Dispersión de NP en matrices/soportes SEM, AFM, TEM

Defectos estructurales HRTEM, EBSD

Detección de NP TEM, SEM, STEM, EBSD,

susceptibilidad magnética Propiedades ópticas UV-Vis-NIR, PL, EELS-STEM Propiedades magnéticas SQUID, VSM, Mossbauer, MFM,

FMR, XMCD, susceptibilidad magnética

Fuente: (Mourdikoudis et al., 2018)

A. Difracción de rayos X (DRX)

Es una de las técnicas más utilizadas para la caracterización de NPs. Por lo general, XRD proporciona información sobre la estructura cristalina, la naturaleza de la fase, los parámetros de red y el tamaño de grano cristalino. El último parámetro se estima utilizando la ecuación de Scherrer utilizando la ampliación del pico más intenso de una medición XRD para una muestra específica. Una ventaja de las técnicas XRD, comúnmente realizadas en muestras en forma de polvo, generalmente después de secar sus soluciones coloidales correspondientes, es que da como resultado valores promedio de volumen estadísticamente representativos. La composición de las partículas se puede determinar comparando la posición y la intensidad de los picos con los patrones de referencia disponibles en la base de datos del Centro Internacional de Datos de Difracción (ICDD, anteriormente conocido como Joint Committee on Powder Difraction Standards, JCPDS). Sin embargo, no es adecuado para materiales amorfos y los picos de XRD son demasiado amplios para partículas con un tamaño inferior a 3 nm.(Mourdikoudis et al., 2018)

B. Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS)

Incluye tanto estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) y estructura de borde cercano de absorción de rayos X (XANES, también conocida como NEXAFS). XAS mide el coeficiente de absorción de rayos X de un material en función de la energía. Cada elemento tiene un

37 conjunto de bordes de absorción característicos que corresponden a diferentes energías de enlace de sus electrones, lo que le da selectividad al elemento XAS. Como técnica altamente sensible, EXAFS es una forma conveniente de identificar el estado químico de las especies que pueden ocurrir incluso en concentraciones muy bajas. Por lo general, se necesitan sincrotrones para adquirir espectros XAS, por lo que no es una técnica rutinaria o fácilmente disponible. XANES prueba la densidad de estados de estados electrónicos vacíos/parcialmente llenos al considerar la excitación de un electrón de la capa interna en aquellos estados permitidos por las reglas de selección de dipolos. (Mourdikoudis et al., 2018)

1.2.8. Toxicidad de Nanopartículas de hierro valencia cero (nZVI)

En la última década, se han realizado una cantidad creciente de estudios que evalúan la toxicidad de nZVI en especies bacterianas. Estos estudios utilizaron principalmente ensayos de toxicidad in vitro para medir la viabilidad celular, el crecimiento celular, la integridad celular o la actividad biológica de varias especies microbianas expuestas a nZVI, con tiempos de exposición que oscilan entre 5 min y 42 días, y concentraciones de nZVI que oscilan entre 1 y 10 000 mg/l (Tabla 1). Se encontró que Bacillus subtilis era más resistente a la toxicidad de nZVI que Escherichia coli o Pseudomonas fluorescens y P. putida mostró una menor sensibilidad a nZVI que E. coli.

Dentro del mismo género, también se informaron diferencias en la resistencia.

Bacillus cereus mostró una menor resistencia a la toxicidad de nZVI en comparación con B. nealsonii y mientras que nZVI solo tuvo un efecto tóxico transitorio en Pseudomonas stutzeri, P. fluorescens expuesta a dosis más bajas se inactivó por completo. Tambien mostraron que diferentes cepas dentro de la misma especie también podrían mostrar sensibilidad diferencial a nZVI.

Además, demostraron que las células bacterianas en fase de crecimiento estacionario presentaban una menor sensibilidad a nZVI en comparación con las células recolectadas en fase de retraso o exponencial, probablemente porque rpoS, un factor transcripcional que regula varios genes implicados en la respuesta al estrés celular, se expresa naturalmente más durante la fase estacionaria. (Lefevre et al., 2015)

38 1.2.9. Mecanismo de reducción de microorganismos

La mayor parte de la literatura sugiere que la ruptura de la membrana celular y el estrés oxidativo a través de la generación de Fe²⁺ y especies reactivas de oxígeno (ROS) por nZVI son probablemente los principales mecanismos que contribuyen a la toxicidad de nZVI. En la mayoría de los estudios que utilizaron microscopía electrónica para evaluar el daño a la integridad celular, se observó comúnmente la precipitación de nZVI u óxido de hierro en la pared celular o dentro de la célula bacteriana, lo que sugiere que se requiere el contacto directo de nZVI con la célula bacteriana para nZVI para ejercer toxicidad. Sobre la base de estas observaciones, se han formulado hipótesis sobre varios mecanismos.

La figura 6 muestra el mecanismo de reducción de mecanismo que indica el alto poder reductor de nZVI que desnaturaliza lipopolisacáridos y proteínas transportadoras de membrana iónica y electrónica, comprometiendo la permeabilidad de la membrana y facilitando la entrada de Fe²⁺ tóxico a la célula. Una vez internalizado, el Fe²⁺ podría reaccionar con el H2O2 producido en las mitocondrias (es decir, a través de la reacción de Fenton) y formar especies de oxígeno altamente reactivas como OH^•,O2 o FeO²⁺, lo que provocaría estrés oxidativo y la subsiguiente muerte celular.

Alternativamente, nZVI podría formar complejos con ácidos lipoteicoicos que es el componente principal de la pared celular de las bacterias grampositivas o las estructuras aniónicas de la pared celular de ciertas especies bacterianas podrían estimular la precipitación de óxidos de hierro.

Ambos procesos podrían obstruir las porinas de la membrana externa celular e impedir la absorción de nutrientes. (Lefevre et al., 2015)

39 Figura 6

Mecanismo de reducción de microorganismos

Fuente: (Lefevre et al., 2015) 1.2.10. E. coli

Escherichia coli es un comensal del intestino de los vertebrados que está cada vez más implicado en diversas infecciones intestinales y extraintestinales como patógeno oportunista. Se han descrito numerosos patotipos que representan grupos de cepas con características patogénicas específicas en base a criterios heterogéneos y complejos.(Denamur et al., 2021)

La figura 7 representa la clasificación taxonómica del género Escherichia y la especie tipo, E. coli, donde el crecimiento y desarrollo de métodos de diagnóstico genotípico a partir de métodos bioquímicos ha informado en gran medida el estado taxonómico actual del género Escherichia , ya que las especies identificadas tempranamente como Leclercia adecarboxylata, Shimwellia blattae , Pseudescherichia vulneris y Atlantibacter hermannii han sido reasignadas a otros géneros, mientras que se han descubierto nuevos linajes, incluidos los clados Escherichia crípticos. Si bien la evidencia bioquímica y filogenética continúa ubicando a E. coli como especie

40 representativa dentro del género, la gran diversidad genética y biológica junto con la amplia especificidad de huésped y nicho de la bacteria modelo sugiere que se justifica una reconsideración de la taxonomía actual, ya que E. coli puede consistir en un complejo de varios ecotipos específicos del huésped.(Yu et al., 2021)

Figura 7

Clasificación taxonómica de Escherichia

Fuente:(Yu et al., 2021) 1.2.11. Pseudomonas

Pseudomonas es un género importante de bacterias Gram negativas que incluye especies de gran versatilidad metabólica y de serias propensiones patogénicas. Estos son los dos lados principales de la reputación de los miembros del género, uno famoso y otro infame, y se destacan en una gran cantidad de informes científicos y técnicos.

En la Tabla 2 se presenta una lista de las especies más importantes pertenecientes a Pseudomonas.

41 Tabla 2

Lista de las principales especies asignadas a las auténticas Pseudomonas ARN grupo I

Grupo de ARN Especies Comentarios

I P. aeruginosa Fluorescente, en su

mayoría saprófita, oxidasa positiva; algunas especies subdivididas en biovariedades; colocado en la rama λ de la bacteria púrpura

P. putida P. fluorescens P. chlororaphis

P. cichorii Patógenos de plantas

fluorescentes; P. syringae y P. viridiflava son oxidasa negativa. P.

syringae comprende muchos patovares;

colocado en la λ rama de la bacteria púrpura P. syringae

P. viridiflava P. agarici P. tolaasii P. asplenii

Fuente: (Palleroni, 1993)

1.2.12. Método de difusión

El método de difusión (en disco o en pozo) en agar presenta la ventaja que sus resultados son altamente reproducibles, basada en el método de Bauer (método de Kirby-Bauer), se basa en determinar cuantitativamente el efecto de un conjunto de sustancias ensayado de forma individual sobre cepas de bacterias, se analiza la concentración necesaria para inhibir la cepa bacteriana en el cultivo, sembrado homogéneamente, sobre el cual hay un disco de papel filtro impregnando la sustancia inhibidora. (Ramirez y Marin Castaño, 2009) a. Método de difusión por discos

Es un método fácilmente estandarizable y apto para microorganismos de crecimiento rápido, para la realización de este método de difusión se deposita en la superficie de una placa el agar inoculado con el microrganismo y los discos de papel impregnado con los antibióticos (colocado tan pronto como se impregne), la función de este disco es difundir el antibiótico por todo el agar, en un trascurso de 18 horas - 24 horas, la zona de inhibición puede aparecer con el crecimiento microbiano. (Taroco et al., 2008)

42 La Figura 8 muestra el método con discos puede presentar problemas por el uso de papel filtro, que está compuesto de celulosa, a su vez por grupos hidroxilos libres, haciendo que la superficie del filtro sea hidrofílica, la cual puede intervenir en algunos compuestos naturales absorbiéndolos antes que absorber el agar. (Ramirez y Marin Castaño, 2009)

Figura 8:

Técnica difusión de discos

Fuente: (Sánchez-García et al., 2016) b. Método de difusión por pozos

En este método siembran el inoculo sobre la superficie del agar, hacen pozos sobre la superficie de este agar, en cada pozo se deposita de 10 µL a 25 µL de los extractos que se desea evaluar, se puede dejar reposar por un máximo de 30 minutos donde se evapora el líquido, pasa a una inoculación con caja invertida a 35±2°C por un tiempo de 24 horas para bacterias y para levaduras 29±2°C por 48 horas. (Sánchez-García et al., 2016), como se muestra en la Figura 9.