Eliminación de antibióticos en aguas residuales mediante ozonización y estudio de ecotoxicidad asociada

Eliminación de antibióticos en aguas residuales mediante ozonización y estudio de ecotoxicidad asociada

29/05/2015

Eliminación de antibióticos en aguas residuales mediante ozonización y estudio de ecotoxicidad asociada



Autor: Jose Antonio Perdigón Melón

Blog: www.madrimasd.org

Jose Antonio Perdigón Melón. Área de Ingeniería Química, Universidad de Alcalá, IMDEA-Agua
 
 

Antecedentes

 
La presencia de antibióticos en los efluentes de las depuradoras de aguas residuales supone un gran riesgo para la salud humana y los ecosistemas. La utilización de ozono para su eliminación se ha mostrado muy eficaz no solo porque consigue eliminar completamente el antibiótico estudiado sino porque el agua tratada no presenta toxicidad sobre especies acuáticas pertenecientes a distintos niveles de la cadena trófica.
 
Las actividades humanas generan un gran volumen de aguas residuales que deben ser convenientemente tratadas antes de su vertido a los distintos cauces receptores. Si ese tratamiento no es correcto se podría alterar considerablemente los ecosistemas acuáticos donde el agua es vertida y podría perjudicar la salud humana agua abajo del vertido.
 

 

Evolución de la depuración

 
Las depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR) han ido evolucionando a lo largo del tiempo para solventar los problemas que se detectaban como consecuencia de los vertidos. En un principio las EDAR fueron diseñadas para reducir la carga de la demanda biológica de oxigeno (DBO). Los sistemas acuáticos tienen una cierta capacidad de autodepuración debido a la presencia de microorganismos capaces de asimilar esa materia orgánica, pero un exceso de materia biodegradable en el punto de vertido podría aumentar el consumo de oxigeno por estos microorganismos, haciendo que la concentración de oxígeno disuelto baje mucho poniendo en peligro las especies superiores.
 
Posteriormente, el exceso de fósforo y nitrógeno en el agua residual se observó que contribuía a la eutrofización con toda la pérdida de biodiversidad y problemas ecológicos que supone por lo que se incorporaron y/o modificaron nuevos procesos para rebajar la concentración de estos nutrientes en el agua residual y poder cumplir con los límites de vertido legislado en cada país. En las depuradoras bien gestionadas esos aspectos hoy en día están controlados, pero han aparecido nuevos problemas que suponen un reto para las EDAR y son la presencia de los conocidos como contaminantes emergentes.
 
En la actualidad y gracias al desarrollo de las técnicas analíticas se pueden detectar en el agua la presencia de contaminantes en concentraciones hace unos años inimaginables del orden de los microgramos por litros. Entre los compuestos detectados causan una gran preocupación la presencia de antibióticos en el efluente de las EDAR. Los antibióticos son consumidos en grandes cantidades, tanto por seres humanos y por animales para tratar distintas enfermedades. Éstos son parcialmente degradados por los seres vivos y son excretados bien en su formulación original o en forma de metabolitos. Cuando los compuestos llegan a la EDAR éstas no están diseñadas para su eliminación por lo que no son completamente eliminados y una parte son vertidos al cauce receptor.
 
La presencia de antibióticos en el cauce receptor causa grandes preocupaciones ya que se ha demostrado que la exposición prolongada en concentraciones subterapéuticas puede favorecer el desarrollo de bacterias resistentes a estos antibióticos lo que ocasiona un gran peligro y también se ha demostrado que los antibióticos afectan a especies distintas contra las que no fueron diseñados (bacterias patógenas) como algunas microalgas, lo que podría ocasionar un grave desequilibrio en el ecosistema. Actualmente, la resistencia a antimicrobianos en la mayoría de los patógenos bacterianos prevalentes en clínica humana se ha convertido en un problema clínico, epidemiológico y de salud pública reconocido en todo el mundo, siendo España uno de los países europeos más afectados. Existe una relación causa-efecto entre el consumo de antibióticos y el desarrollo de resistencia a estos fármacos y España se sitúa entre los países con mayor consumo de antibióticos por habitante.
 

 

Nuevos tratamientos de depuración

 
Para intentar mejorar la calidad de los efluentes de la EDAR se están estudiando un conjunto de tratamientos conocidos como tratamientos terciarios que sean capaces, entre otros objetivos, de eliminar estos compuestos emergentes. Entre los tratamientos terciarios el proceso de ozonización ha atraído fuertemente la atención por dos motivos fundamentales, en primer lugar el alto poder desinfectante del ozono reduciría la carga de microorganismos en el efluente lo que mejoraría la calidad del vertido, podría permitir la reutilización del agua (la escasez de agua junto con la escasez de trabajo es uno de los principales problemas de la humanidad) y podría destruir los microorganismos resistentes generados en la EDAR y evitar su propagación. En segundo lugar el ozono tiene un alto poder oxidante y puede eliminar o transformar estos compuestos emergentes en especies menos peligrosas y tóxicas para el medio ambiente.
 

 

La ozonización de las aguas residuales tratadas

 

El área de Ingeniería Química de la Universidad de Alcalá lleva años trabajando en la ozonización de aguas residuales y recientemente ha publicado un artículo (Journal of Hazardous Materials 292 (2015) 34–43) donde se estudia la ozonización de ofloxacíno (OFX), un antibiótico de la familia de las fluoroquinolonas de amplio espectro frecuentemente encontrado en los efluentes de las EDAR de la mayoría de los países desarrollados. En el trabajo se estudió la capacidad del ozono de eliminar dicho compuestos y como la matriz afecta este proceso. Se usaron dos matrices: una era agua destilada con un contenido en bicarbonatos similar al efluente real y como matriz real el efluente del clarificador secundario de la depuradora este de Alcalá de Henares (España).
 
Esta depuradora trata un volumen medio de 3000 m2/h y tiene una capacidad de 375000 habitantes equivalentes y tiene una configuración A2O para la eliminación de nutrientes. El tratamiento se hizo en continuo usando como reactor una columna de burbujeo que se comportaba como un reactor de mezcla perfecta en el que se mantenían constantes los distintos parámetros y se iba aumentando la entrada de ozono para estudiar la dosis mínima ya que uno de los principales problemas que tiene el uso de ozono es el alto coste económico de su generación por lo que este debe ser optimizado. Se observó que, en agua destilada, el ozono podía eliminar el OFX en tiempos de reacción cortos (tiempo de permanencia promedio 10 minutos) y con dosis alrededor de 2 mg de O3 / mg OFX.
 
Usando el efluente de la EDAR el OFX también era eliminado pero con dosis de ozono mucho más altas, alrededor de 125 mg O3/mg OFX. Este incremento es debido a que el ozono reacciona rápidamente con materia orgánica con alta densidad electrónica como anillos aromáticos y dobles enlaces conjugados por lo que la presencia de materia orgánica en el efluente, alrededor de 7,5 mg/L de carbón orgánico total, y la presencia de otros compuestos inorgánicos o microorganismos compiten con el OFX. En el proceso de ozonización no se consigue la mineralización total del OFX. Realmente, este es el principal problema de la ozonización que no consigue eliminar completamente la materia orgánica y se generan subproductos de reacción refractarios al ozono originando una mezcla muy compleja difícil de determinar.
 
El objetivo último de cualquier proceso de tratamiento de aguas residuales no debe ser la eliminación del compuesto o compuestos seleccionados, sino reducir la toxicidad que el agua tratada tiene sobre el ecosistema acuático receptor. Uno de las mayores preocupaciones es si en el agua tratada no se han generado compuestos con igual o mayor toxicidad que el compuestos que se quería eliminar, bien porque los subproductos de relación conserven la actividad biológica del compuesto inicial o se hayan generado nuevos productos con diferentes e indeseables actividades biológicas. La forma más sencilla de seguir las variaciones en términos de toxicidad producidas por distintos tratamientos es usando los bioensayos. Básicamente, aunque la realidad es mucho más complicada, consisten en poner en contacto el agua a estudiar con un microorganismo representativo y ver qué efecto produce el agua tratada sobre el microorganismo estudiado comparándolo con el efecto de un agua sin contaminantes.
 
Estos ensayos dan un visión holística del agua en estudio y tienen en cuenta todas las interacciones que pueden existir entre los distintos compuestos presentes en el agua. En el estudio se emplearon cuatro microorganismos situados a distintos niveles de la cadena trófica, dos bacterias Vibrio fischeri y Pseudomonas putida (microorganismos contra los que han sido diseñado los antibióticos) y dos microorganismos contra los que no están diseñados los antibióticos un microalga alga Pseudokirchneriella subcapitata y un protozoo ciliado Tetrahymena thermophila.
 

 

Conclusiones del estudio

 
El ofloxacino, en las concentraciones empleadas, era altamente tóxico para Pseudomonas putida y el microalga lo que refrenda el peligro del vertido de antibióticos contra especies no objetivo y que están en la parte más baja de la cadena trófica poniendo en peligro todo el ecosistema. Vibrio fischeri, a pesar de ser una bacteria no presentaba especial toxicidad posiblemente porque el tiempo de contacto estándar, 30 minutos, no es suficiente para la acción de OFX. Tetrahymena thermophila no se vio muy afectada. En el estudio de las muestras ozonizadas se observó que a medida que se aumentaba la dosis de ozono la toxicidad del agua tratada disminuía paralelamente a la eliminación de OFX hasta hacerla desaparecer completamente sugiriendo que los subproductos de reacción generados no son tóxicos para estas especies. Estos resultados indican que el ozono es una buena alternativa para eliminar OFX de las aguas residuales. Y en el contexto español de un uso muy importante de quinolonas y una de las tasas más altas de resistencia a quinolonas de Europa en determinados patógenos puede ser una alternativa de tratamiento de aguas residuales.
 
 
 
Referencias
 
Esta noticia es un resumen del reciente artículo publicado por investigadores del área de Ingeniería química de Universidad de Alcalá e IMDEA-Agua en Journal of Hazardous Materials 292 (2015) 34–43.
 
Jose B. Carbajo, Alice L. Petre, Roberto Rosal, Sonia Herrera, Pedro Letón, Eloy García-Calvo, Amadeo R. Fernández-Alba, Jose A. Perdigón-Melón, Continuous ozonation treatment of ofloxacin: Transformation products, water matrix effect and aquatic toxicity, Journal of Hazardous Materials, 292, 34-43 (2015).
 
 

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