Evaluation of exudated gum produced by Acacia siamea as coagulant in the clarification of the waters for human consumption
Andreína Fernández1, Magaly Chávez2, Francisco Herrera3, Marielba Mas y Rubí3, Donaldo Mejías3 y Altamira Diaz3
1Centro de Investigación del Agua (CIA), Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Apartado Postal 526. Maracaibo 4001-A, Venezuela. 2Grupo Mutagénesis, Departamento de Genética y Microbiología, Instituto de Ciencia y Tecnología Ambiental, Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Bellaterra, Barcelona (08193), España. 3Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Telf-fax: 00582617598743 andreinafernandez@gmail.com / adiaz2430@hotmail.com / mmyrubi@yahoo.com
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Abstract
Utilization of the natural origin substances as coagulant in the water clarification process have been increased in Latin American countries, due to present innocuous character for the human health. The present investigation evaluated the application of the exudates gum derived from the tree Acacia siamea (A. siamea), as coagulant with the purpose to determinate the optimal dosage for the clarification of natural waters and to achieve the potential of the reduction for not desirable microorganisms in treated water. The application of 50 mg/L of exudates gum of A. siamea, as optimal dosage, was reached to reduction the turbidity (NTU) level between 80 to 95%. The total alkalinity and pH did not presented significant variations, thus did not add chemical substances for the regulation of the physical-chemistry charapter of the treated water. The results obtained with the microbiological tests indicate the potential of the exudates gum to use in this treatment plant to remove 98% for pathogenic microorganisms. One concludes that the gummed exudates of A. siamea can be used as natural coagulant for drinking water.
Evaluación del exudado gomoso de Acacia siamea como coagulante en la clarificación de las aguas para consumo humano
Resumen
La utilización de sustancias de origen natural como agentes coagulantes en el proceso de la clarificación del agua se ha incrementado en los países latinoamericanos, debido al carácter inocuo que representan para la salud humana. La presente investigación evaluó la aplicación del exudado gomoso derivado del árbol Acacia siamea, como agente coagulante, con la finalidad de seleccionar la dosis óptima para la clarificación de las aguas naturales y determinar el potencial de reducción de microorganismos no deseados en agua tratada. Con la aplicación de 50 mg/L de exudado gomoso de A. siamea, como dosis óptima, se alcanzó una disminución en los niveles de turbiedad (NTU) de 80-95%. La alcalinidad total y el pH no presentaron variaciones significativas, por lo cual no se adicionaron sustancias químicas para la regulación del carácter físico-químico del agua tratada. Los resultados obtenidos con las pruebas microbiológicas indican el potencial del exudado gomoso de esta planta en la remoción del 98% de microorganismos patógenos. Se concluye que el exudado gomoso de A. siamea puede ser empleado como agente coagulante natural en la potabilización de las aguas destinadas a consumo humano.
En la potabilización se aplican técnicas para ajustar las propiedades organolépticas del agua a ser consumida por el hombre. Tal es el caso de la clarificación, fundamentada en la coagulación-floculación, que posibilita la remoción de materiales en suspensión en el agua para que ésta alcance características que permitan su consumo. La falta de sistemas eficaces para el saneamiento del agua se traduce en la proliferación de enfermedades de tipo hídricas (cólera, amibiasis, parasitosis intestinales, etc.), lo cual resalta la necesidad de someter el agua a diversos tratamientos básicos: clarificación, desinfección, acondicionamiento químico y organoléptico [1], capaces de proporcionar agua potable segura como protección contra las enfermedades transmitidas a través del agua, causantes de millones de muertes infantiles cada año. De esta manera, en la generalidad de los sistemas de saneamiento del agua adoptados en los países latinoamericanos, el sulfato de aluminio (alumbre) resulta ser la sustancia química más usada como coagulante primario en la clarificación del agua, sin obviar que otras sustancias naturales con características coagulantes eficaces hayan sido empleadas en forma artesanal. En efecto, a partir de la década de los 70, numerosos estudios se han realizado para determinar la eficacia de los productos de origen vegetal en el tratamiento de las aguas superficiales, utilizando agua turbia sintética preparada en laboratorio y aguas crudas con turbidez natural; se han efectuado estudios comparativos buscando confirmar la eficacia y efectividad de los derivados naturales en la remoción de materiales o partículas presentes en aguas con alta turbidez inicial [2- 4]. Entre otras razones, estas investigaciones se originan con la intención de promover la sustitución de las sales de aluminio por la aplicación de derivados naturales comúnmente usados en el proceso de potabilización (clarificación) del agua. El uso actual de esta sustancia química como coagulante en las plantas de tratamiento para la obtención de agua potable, puede conducir a concentraciones elevadas de aluminio residual, lo cual se traduce en problemas sobre la calidad y la distribución del agua, así como un incremento en la incidencia de enfermedades asociadas a desordenes neurológicos como el mal de Alzheimer y la demencia presenil.
Existe una posibilidad del 40% al 50% de que las concentraciones de aluminio en el agua tratada estén por encima de las concentraciones de éste en el agua cruda, cuando el compuesto químico es usado en el proceso de coagulación-floculación, entre 0,01-2,37 mg/L [5]. Precisamente, los problemas de distribución asociados con sus concentraciones elevadas en el agua tratada, están asociados a la formación de un precipitado de aluminio hidratado en el sistema de distribución, incrementándose la turbidez en vez de reducirla. Además, los flóculos del aluminio empleado en el tratamiento de aguas, interfieren con el proceso de desinfección, debido al enmascaramiento y protección de los microorganismos que se adhieren a ellos. Otro problema es la deposición de los productos de la hidrólisis del aluminio en las paredes de las tuberías, lo cual disminuye la capacidad de transporte [6].
En definitiva, la presencia de concentraciones elevadas de aluminio en el agua, asociada al uso de estas sales en los sistemas de tratamiento y distribución del agua, y su vinculación con problemas del sistema nervioso es cuestión muy discutida. No obstante, aun cuando esta correspondencia no haya sido establecida con suficiente exactitud, es fundamental el control de los procesos empleados en los sistemas de tratamiento y distribución del agua. Es decir, son necesarios los estudios para la búsqueda y desarrollo de coagulantes naturales, aptos para la salud y ambientalmente favorables en comparación con los coagulantes químicos [7], especialmente para disminuir su impacto en seres vivos y encauzar los problemas que puedan surgir en el tratamiento de aguas.
Los objetivos de esta investigación son evaluar el uso de exudados gomosos producidos por Acacia siamea (A. siamea), como agente coagulante natural en la clarificación de las aguas crudas, determinar la dosis óptima de aplicación, observar su comportamiento físico-químico y establecer el potencial de reducción de los microorganismos patógenos presentes en el agua con fines de potabilización.
Parte Experimental
Preparación de la solución coagulante
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El exudado gomoso de A. siamea se adquirió comercialmente como goma arábiga pulverizada (Fisher Sci Co), ésta se pasó a través de un tamizador mecánico (Thomas Scientific J-1B) y luego a una seria de tamices (ASTM 11, de 710 y 600 µm). La concentración utilizada en la preparación de la solución del exudado gomoso fue del 5%, según Ndabigengesere et al. [7] y Rincón et al. [8]. Para la solución se usó papel de filtro cualitativo No. 4 y posteriormente membrana de nitrato de celulosa (con tamaño de poro de 0.45 µm). Las soluciones obtenidas fueron utilizadas como agentes coagulantes [7].
Preparación del agua turbia sintética
El agua turbia sintética se preparó mediante la adición de 5 g de caolina en agua corriente (1L) [9, 10]. Esta suspensión fue agitada durante una hora para lograr una dispersión uniforme de las partículas de caolina, posteriormente se estableció un periodo de 24 horas para la hidratación completa de las partículas. Luego, se tomó una alícuota de 13 mL del agua turbia sintética y se diluyó en 500 mL de agua, obteniéndose una turbiedad de 100 NTU. Se efectuaron diluciones sucesivas hasta obtener los valores de turbiedad prefijados: 10; 15; 25; 50; 75 y 100 NTU, tales valores fueron verificados en un turbidímetro digital (Orbeco-Hellige).
Inóculo microbiano
Las soluciones de agua turbia sintética fueron inoculadas con una alícuota (0,5 mL) de cultivos puros de E. coli (CAZ-085) cedidas por el Cepario “Anibal Zaidenberg” (Departamento de Biología, FEC, LUZ). La densidad de microorganismos coliformes totales y fecales fue estimada por medio de la técnica de fermentación de tubos múltiples, siguiendo la metodología referida en el Standard Methods [11] antes y después de la prueba de jarras.
Selección de dosis óptima
Para la determinación de la dosis óptima del exudado gomoso (10, 25; 50; 100; 250 y 500 mg/L) se realizó la prueba de jarras para cada nivel de turbiedad seleccionada (100, 75, 50, 25, 15 y 10 NTU). Determinándose los parámetros físico-químicos: pH, alcalinidad total, color, turbiedad, número más probable (NMP), conteo de heterótrofos totales y prueba de antibiograma antes y después de la prueba de jarras. De cada solución del exudado gomoso de A. siamea, se seleccionó la menor cantidad de coagulante que alcanzó la más alta remoción de turbiedad y color, estableciendo así la dosis óptima [11].
Medición de parámetros físicos, químicos y microbiológicos
Los parámetros físico-químicos y microbiológicos, pH, alcalinidad total, color, turbiedad, coliformes fecales y totales y heterótrofos (Tabla 1) fueron determinados siguiendo las pautas establecidas en el manual de métodos estandarizados [11].
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Resultados y Discusión
Parámetros físico-químicos
Turbiedad remanente
El comportamiento del exudado gomoso de A. siamea como agente coagulante puede apreciarse en la Figura 1. En los niveles de turbiedad inicial de 10-100 NTU se observaron diferencias significativas (p < 0,05) para todas las dosis aplicadas (10-500 mg/L). No obstante, tomando en cuenta los niveles de turbiedad final de 2-4 NTU, alcanzados con la aplicación de 50 mg/L de la goma arábiga, se tiene que este exudado gomoso presentó una remoción significativa de la turbiedad, para esta concentración. Evidenciándose que la dosis óptima del exudado gomoso de A. siamea es de 50 mg/L, pues con ésta se obtienen valores de turbiedad remanente inferiores al valor máximo aceptable en la normativa venezolana de 5 NTU.
Figura 1. Variación de los niveles de turbiedad aplicando diferentes dosis de exudado gomoso de A. siamea
Las dosis de 10-20 mg/L de la goma de A. siamea cumplen con la normativa sólo para el nivel de turbiedad de 10 NTU, con 5-4 NTU; las dosis de 100, 250 y 500 mg/L no cumplen la normativa venezolana, pues los valores resultantes de turbiedad remanente se encuentran entre 8 y 37 NTU.
En la Figura 2, se observan los porcentajes de remoción alcanzados por las diferentes dosis del exudado gomoso de A. siamea para todos los niveles de turbiedad aplicados. La dosis que produce los porcentajes de remoción más altos es 50 mg/L, en un rango de 80%-95% para todos los niveles de turbiedad iniciales, el resto de las dosis de la goma se encuentran en un rango de remoción de turbiedad entre 20%-85%; por lo cual se seleccionó la concentración de 50 mg/L como la dosis óptima. A partir de ese punto, se observa un incremento notorio de la turbiedad, lo que infiere pudo deberse a una inversión de carga.
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Figura 2. Variación de la remoción de turbiedad en relación a las dosis de A. siamea aplicadas
Arboleda [12] sugiere que los coagulantes naturales son buenos candidatos para su utilización en la potabilización de las aguas siempre y cuando alcancen los valores estipulados en la normativa de cada región.
En nuestro caso, la normativa venezolana establece como criterio un valor máximo deseable de 5 NTU para la turbiedad final o remanente del agua para consumo humano como lo expresa el documento de la Gaceta Oficial 36.395 [13].
Color
En la Figura 3, puede observarse el comportamiento del exudado gomoso de A. siamea para el agua turbia sintética con diferentes niveles de turbiedad inicial de 10 –100 NTU, y un color inicial de 10 UC. El color disminuyó hasta valores de 5, para todos los niveles de turbiedad iniciales (10-100 NTU) con la aplicación de 10 y 20 mg/L de la goma, sin diferencias significativas (p < 0,05) entre las dosis y los niveles de turbiedad.
Figura 3. Variación del color aplicando diferentes dosis de exudado gomoso de A. siamea
Estos resultados se ajustan a las normas de calidad del agua [13], que establecen un valor máximo aceptable de 15 UC para las aguas de consumo humano.
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Con la aplicación de 50 mg/L, el color del agua se redujo sólo para los niveles de turbiedad de 10, 15, 25 y 50 NTU, sin diferencias significativas (p < 0,05) entre los niveles de turbiedad. Mientras que para 75 y 100 NTU no se observó reducción del color, es decir, se mantuvo en 10 UC, sin diferencias significativas (p < 0,05) entre ellos, aun cuando entre los niveles de turbiedad anteriores si se observaron diferencias. Las dosis del exudado gomoso de 100, 250 y 500 mg/L no produjeron cambios en cuanto a la reducción del color, el cual se mantuvo en el valor de 10 UC. Estos resultados indican que la goma de A. siamea es capaz de lograr una reducción del color en el agua turbia sintética usando dosis bajas de 10 y 20 mg/L, con niveles de turbiedad hasta 100 NTU, sugiriendo que la remoción de color se favorece a bajas dosis del agente coagulante.
Potencial de hidrógeno
El comportamiento del exudado gomoso de Acacia en relación a la variación del pH en el agua turbia sintética se presenta en la Figura 4, se muestra que los valores obtenidos de 6.6-6,9 cumplen con la normativa vigente para la calidad organoléptica del agua, la cual establece el valor de 6,5-8,5 como valor deseable [13]. De acuerdo con el análisis estadístico no existen diferencias significativas (p < 0,05) entre los valores obtenidos para las diferentes dosis y niveles de turbiedad aplicados, no requiriéndose el uso de sustancias adicionales que acondicionen el pH al valor ajustado a la norma. Este aspecto representa una ventaja para las gomas como sustitutos potenciales de los coagulantes químicos, tales como las sales de aluminio.
Figura 4. Variación del pH aplicando diferentes dosis de exudado gomoso de A. siamea
Arboleda [12] explica que la floculación con sales de aluminio para aguas blancas produce un pH que alcanza valores entre 4,0-5,0, esto hace necesario la aplicación de alguna sustancia que regule el valor del pH hasta elevarlo al rango establecido en la normativa para el agua potable.
Alcalinidad total
Se observó que la alcalinidad total se mantuvo entre 200 y 306 mgCaCO3/L (Figura 5) con las diferentes dosis aplicadas de A. siamea. Igualmente, en los niveles de turbiedad fijados de 10-100 NTU en el agua sintética, los valores obtenidos están dentro de los límites fijados para el agua potable, de 400 mgCaCO3/L [14].
El análisis estadístico no arroja diferencias significativas en relación a p < 0,05. Las variaciones que se observan pueden deberse a que el coagulante reacciona con la alcalinidad total presente en el agua turbia sintética para mantener el cambio del pH, evitando así los problemas de corrosión que podrían ocurrir si el pH del agua estuviera por debajo de 6 unidades [13] (Figura 5).
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Figura 5. Variación de la alcalinidad total aplicando diferentes dosis de exudado gomoso de A. siamea
El análisis de los parámetros físico-químicos obtenidos con la aplicación del exudado gomoso de Acacia (concentración de exudado de 50 mg/L) indica el logro de los mejores valores de acuerdo con la normativa para la calidad de las agua naturales destinadas a consumo humano [13].
Parámetros microbiológicos
La dosis óptima del exudado gomoso de A. siamea (de 50 mg/L) se evaluó para determinar su posible utilización como agente natural que favorezca la desinfección del agua en las plantas de potabilización, para lo cual se realizaron las pruebas microbiológicas de número más probable (NMP) y conteo de heterótrofos (HTR).
Número más probable
Los resultados de esta prueba se presentan en la Figura 6, para el exudado gomoso estudiado y puede observarse la reducción significativa de coliformes fecales hasta 2-6/100 mL y de coliformes totales hasta 2-7/100 mL, a partir de un inóculo inicial de 220-240/100 mL de coliformes fecales y de 350-540/100 mL de coliformes totales. Obteniéndose un 98% de reducción de coliformes fecales y un 99% de coliformes totales.
Figura 6. Variación del número más probable aplicando la dosis óptima del exudado gomoso ]]>
de A. siamea CF: coliformes fecales. CT: coliformes totales
Tales resultados indican la eficiencia de los agentes coagulantes naturales para la reducción de microorganismos presentes en las aguas naturales, con lo cual el exudado gomoso de Acacia muestra un alto potencial para su uso como coagulantes naturales que eliminan en alto grado los microorganismos suspendidos en las aguas naturales.
Muyibi y Evinson [15] reportaron que las semillas de Moringa oleifera produjeron una reducción bacteriana entre 90-99,9%. Dentro de las 2 primeras horas de tratamiento, en el agua tratada, hubo ausencia total de microorganismos. Los resultados obtenidos en esta investigación indican la eficiencia de los agentes coagulantes naturales para la reducción de microorganismos presentes en las aguas naturales a ser potabilizadas. De igual forma, los exudados gomosos de A. siamea muestran un elevado potencial para eliminar en alto grado los microorganismos suspendidos en las aguas naturales.
Recuento total de heterótrofos
En la Figura 7 se presentan los recuentos de heterótrofos para la goma arábica estudiada con una dosis de 50 mg/L, observándose una reducción de 88,97%, considerando un conteo inicial de 132-142 UFC y un resultado final de 3-10 UFC. Al considerar el valor señalado en la normativa venezolana para el agua potable de < 100 UFC [13], puede establecerse el exudado gomoso de A. siamea puede contribuir a la reducción de microorganismos no deseados en el agua, lo que fundamenta el uso de estas sustancias como agentes coagulantes naturales, que permiten la inactivación de organismos de interés (microorganismos coliformes) con la finalidad de proporcionar agua confiable y segura para el consumo de seres humanos, lo cual es relevante para la salud pública y ambiental. Griselda y col. [16] reportan un alto porcentaje de remoción de microorganismos (99%) con el uso de Samanea saman como agente natural.
Figura 7. Recuento total de heterótrofos (HT) con dosis óptima de Acacia antes y después de la coagulación.
Conclusiones
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Con los resultados obtenidos en esta investigación se presentaron las siguientes conclusiones:
El exudado gomoso de A. siamea empleado para el proceso de coagulación, fue capaz de remover niveles de turbiedad y color hasta alcanzar los valores aceptables del agua potable, con una dosis óptima de 50 mg/L para las dosis de turbiedad de 10-100 NTU.
El exudado gomoso de A. siamea no afectó los valores de pH y alcalinidad total para la dosis óptima de 50 mg/L del agente natural, por encontrarse estos en el rango permitido de pH y alcalinidad; no requiriéndose la adición de sustancias químicas para ajustar estos valores según lo establecido en la normativa venezolana vigente para el agua de consumo humano.
Las pruebas bacteriológicas (NMP y HTR) demuestran una aplicación potencial del exudado gomoso de A. siamea en la remoción de microorganismos.
Agradecimiento
Este trabajo contó con financiamiento del Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad del Zulia (CONDES) y con el aporte de equipos por el Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA). Los autores agradecen a ambas instituciones por su colaboración.
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