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Acáchul: planta mexicana capaz de remover metales pesados en aguas residuales

¿Sabes qué es el fenómeno de adsorción? Te lo explicamos con hojas de acáchul, porque éstas eliminan metales tóxicos del agua.
hojas acachul
Este nuevo biosorbente es muy prometedor para eliminar del agua metales pesados y altamente tóxicos como plomo y mercurio. Foto: Cortesía Rasikh Tariq

Por: Rasikh Tariq, Josseline Garrido Gonzalez, Alma Yolanda Vázquez Sánchez, Mohamed Abatal

¿Alguna vez has escuchado sobre el acáchul? ¿Lo conoces? En la Sierra Norte del estado de Puebla, Ardisia compressa K es conocida como acáchul. Esta planta perteneciente a la familia Myrsinaceae se encuentra también en regiones tropicales y subtropicales de nuestro país. Tradicionalmente, se ocupan sus frutos para preparar alimentos de forma artesanal como licores, atoles, mermeladas y paletas.  

¿Qué es lo que hace al acáchul tan interesante? Algunas investigaciones han demostrado que sus frutos contienen ciertos compuestos fitoquímicos como antocianinas, polifenoles, flavonoides, diterpenos, galotaninos y ácidos clorogénicos, mientras que las hojas de la planta contienen catequina, galato de epicatequina, ácido gálico, kaempferol y ardisina.

Todos los componentes antes mencionados hacen que esta biomasa pueda ser considerada como un biosorbente potencial (Reddy et al. 2010) para la eliminación de metales tóxicos del agua debido a sus propiedades y su disponibilidad a lo largo del territorio mexicano.

Los biosorbentes o biomasa adsorbente son generalmente sólidos que tiene la capacidad de retener sobre su superficie un componente presente en corrientes líquidas o gaseosas y en el caso de materiales de origen natural pueden ser obtenidos de diferentes desechos agrícolas como la cáscara de frutas o verduras, huesos de frutas u hojas secas de árboles (Cimá-Mukul, et al. 2019).

Adsorción y metales pesados

La contaminación del agua por metales pesados es un problema ambiental significativo y puede tener graves implicaciones para la salud humana y el ecosistema. De hecho, metales pesados como plomo (Pb), mercurio (Hg), cadmio (Cd) y níquel (Ni) son tóxicos en concentraciones bajas y pueden ingresar al suministro de agua a través de diversas fuentes, principalmente, de los desechos de las industrias mineras y petroleras, así como de los fabricantes de pigmentos, baterías y pesticidas.

Durante los últimos años, se han monitoreado los metales pesados en los sedimentos, suelos y sistemas hídricos de diferentes regiones del mundo con el fin de estudiar sus riesgos para los seres vivos y la salud humana.

Los resultados de estas investigaciones han arrojado datos muy preocupantes, ya que las concentraciones de algunos metales tóxicos exceden los límites permisibles según varios organismos internacionales como la Ley Ambiental de Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (US-EPA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS).

La presencia de estos contaminantes en suelo y agua pueden suponer un riesgo para la salud de los seres vivos, ya que están asociados con cáncer, irritación respiratoria, espasmos bronquiales y tos. Por ello, se han realizado investigaciones en varios laboratorios del mundo sobre el desarrollo de diferentes técnicas de tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.

Entre los métodos que se están explorando para el tratamiento de predescarga al sistema acuático se encuentra el proceso de adsorción con acáchul.

La adsorción —fenómeno físico, en donde un compuesto en fase líquida o gaseosa entra en contacto con un sólido adsorbente y se adhiere a la superficie del mismo —se ha convertido en la técnica más estudiada para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos debido a su simplicidad, alta eficiencia y bajo costo. (Begum et all, 2015)

Los frutos de acáchul se usan para preparar alimentos de forma artesanal, pero la capacidad de adsorción de esta planta, le abre un nuevo panorama. Foto: Cortesía Rasikh Tariq

El fenómeno de adsorción es como un imán que atrae y atrapa metales tóxicos en el agua, utilizando materiales especiales. Tras tratar estos materiales, llamados biosorbentes, con sustancias como el hidróxido de sodio, se mejoran, volviéndose aún más eficaces para capturar estos metales peligrosos. Este tratamiento hace que los biosorbentes tengan más «ganchos» disponibles para atrapar y retener los metales, limpiando así el agua de manera más efectiva. Este proceso, simple pero poderoso, es esencial para purificar el agua, haciendo que sea más segura para todos.

Particularmente, se han desarrollado numerosos adsorbentes para la eliminación de plomo, como las zeolitas naturales y modificadas, arcilla caolinita, materiales a base de carbono, desechos agrícolas y materiales poliméricos. Sin embargo, en algunos casos, el costo y la disponibilidad de los adsorbentes son cruciales para determinar la eficiencia de la técnica de adsorción.

Es por esto que, dado su bajo costo, disponibilidad y su posible regeneración a lo largo de varios ciclos de adsorción/desorción, hay materiales de desecho agrícola e industrial que se han empleado para la adsorción de metales tóxicos (Salehi et al., 2010). Ese es el caso de las hojas de neem (Kay et al. 2023), las hojas de laurel (Gümüs et al. 2019), así como las semillas de tamarindo y paja de colza.

Varios laboratorios de referencias han realizado tratamientos químicos a los biosorbentes, por ejemplo, con hidróxido de sodio, logrando un incremento importante en su capacidad para eliminar metales tóxicos. 

Acáchul con inteligencia artificial

Para el uso de las hojas de acáchul como un biosorbente para eliminar los metales tóxicos en el agua, se han llevado a cabo extensos experimentos en diferentes laboratorios usando varios equipos de caracterización y análisis de muestras.

Sin embargo, es importante emplear, después de esta primera fase, métodos de inteligencia artificial robustos y complejos para examinar y mejorar los procedimientos experimentales para identificar las características necesarias para lograr una máxima eliminación de contaminantes.

En el Tecnológico de Monterrey, nos encargamos de llevar a cabo estas tareas, ya que contamos con la experiencia y las herramientas necesarias, haciendo uso de programas informáticos avanzados como Python y aplicando técnicas de ciencia de datos, inteligencia artificial y optimización computacional para perfeccionar el proceso, y así poder reducir los costos de experimentación (Tariq et al. 2022).

La planta del acáchul no había sido utilizada como biosorbente, así que se llevó a cabo un estudio por parte de Vázquez-Sánchez et al. (2023), para determinar la capacidad de biosorción de sus hojas naturales, tratadas mediante hidróxido de sodio (NaOH) para la eliminación de plomo disuelto en agua.

Se demostró que las hojas de Ardisia compressa K., particularmente aquellas tratadas con una solución de NaOH, presentan una mayor capacidad de remover plomo de Pb(II) a partir de soluciones acuosas, en comparación con las hojas naturales de Ardisia compressa K. (crudas). Se descubrió que la eliminación del metal pesado depende de varios factores, incluyendo el pH de la solución, tiempo de contacto, dosis de biosorbente y temperatura del agua.

Las condiciones experimentales óptimas para lograr una máxima eliminación de Pb(II) por parte de ambos biosorbentes fueron pH 6 y a temperatura ambiente. Por lo tanto, los resultados indican que las hojas de Ardisia compressa K. pueden servir como una solución prometedora y rentable de biosorbente eficaz y eficiente para eliminar iones Pb(II) de soluciones acuosas, ya que son de fácil acceso y están disponibles en muchas regiones del país, lo que las convierte en un recurso abundante y de bajo costo, además de que son biodegradables y no generan residuos nocivos cuando se utilizan como biosorbentes.

El estudio también destaca el potencial de las redes neuronales artificiales y los algoritmos genéticos para optimizar los procesos de biosorción, contribuyendo así al desarrollo de métodos sostenibles y respetuosos con el medio ambiente para la eliminación de metales pesados de las fuentes de agua.

Los conocimientos sociales derivados de esta investigación subrayan el impacto potencial de los enfoques innovadores de ingeniería para abordar los desafíos ambientales, lo que demuestra la importancia de la colaboración interdisciplinaria entre la ingeniería y las ciencias ambientales para desarrollar soluciones sostenibles para la contaminación del agua.

Referencias

1. Reddy, D.H.K.; Seshaiah, K.; Reddy, A.; Rao, M.M.; Wang, M.C. Biosorption of Pb2+ from aqueous solutions by Moringa oleifera bark: Equilibrium and kinetic studies. J. Hazard. Mater. 2010, 174, 831–838. 

2. Cimá-Mukul, C.A.; Abdellaoui, Y.; Abatal, M.; Vargas, J.; Santiago, A.A.; Barrón-Zambrano, J.A. Eco-Efficient Biosorbent Based on Leucaena leucocephala Residues for the Simultaneous Removal of Pb (II) and Cd (II) Ions from Water System: Sorption and Mechanism. Bioinorg. Chem. Appl. 2019, 2019, 2814047. 

3. Salehi, P.; Asghari, B.; Mohammadi, F. Biosorption of Ni(II), Cu(II) and Pb(II) by Punica geranatum from Aqueous Solutions. J. Water Resour. Prot. 2010, 2, 701–705. 

4. Begum, S.A.S.; Tharakeswar, Y.; Kalyan, Y.; Naidu, G.R. Biosorption of Cd (II), Cr (VI) & Pb(II) from Aqueous Solution Using Mirabilis jalapa as Adsorbent. J. Encapsulation Adsorpt. Sci. 2015, 5, 93–104. 

5. Gümüs ̧, D. Biosorptive application of defatted Laurus nobilis leaves as a waste material for treatment of water contaminated with heavy metal. Int. J. Phytoremediation 2019, 21, 556–563. 

6. Vázquez-Sánchez, A.Y.; Lima, E.C.; Abatal, M.; Tariq, R.; Santiago, A.A.; Alfonso, I.; Aguilar, C.; Vazquez-Olmos, A.R. Biosorption of Pb(II) Using Natural and Treated Ardisia compressa K. Leaves: Simulation Framework Extended through the Application of Artificial Neural Network and Genetic Algorithm. Molecules 2023, 28, 6387. 

7. Jasmine Jecintha Kay, S., Chidhambaram, N., Thirumurugan, A., & Gobalakrishnan, S. (2023). Environmentally benign Azadirachta indica-mediated green approach for the zinc zirconate nanocomposite synthesis: An alternative to the toxic chemical approach. Inorganic Chemistry Communications, 158(Part 1), Article 111550.

8. Tariq, R., Abatal, M., & Bassam, A. (2022). Computational intelligence for empirical modeling and optimization of methylene blue adsorption phenomena using available local zeolites and clay of Morocco. Journal of Cleaner Production, 370, Article 133517. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133517

Autores 

Dr. Rasikh Tariq.  Ingeniero en mecatrónica, doctorado en Ingeniería con especialización en Energías Renovables por la Universidad Autónoma de Yucatán. Su área de investigación se centra en IA, aprendizaje automático, gemelos digitales y optimización para la comprensión de sistemas ciber físicos. Actualmente es Profesor Investigador en el grupo de investigación de Tecnología Educativa del Institute for the Future of Education del Tecnológico de Monterrey. Ha escrito 30+ artículos en revistas, posee 2 patentes y ha presentado 40+ conferencias. Con un índice h de 16, y evaluador en 20+ revistas. 

Ing. Josseline Garrido Gonzalez. Es Ingeniera en Biotecnología, egresada de la Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez. Actualmente se encuentra realizando sus estudios de posgrado en la Maestría en Ingeniería de Materiales y Energía (MIME) en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR). 

Dra. Alma Yolanda Vázquez Sánchez. Es Licenciada en Ciencias Farmacéuticas por la Universidad de las Américas Puebla con Maestría y Doctorado en Ciencias, especialidad en Farmacología por el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional. Actualmente es Profesora Investigadora de Tiempo Completo del Área Agroindustrial Alimentaria de la Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I. 

Dr. Mohamed Abatal. Es doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Nacional Autónoma de México. Posee más de 14 años de experiencia en docencia e investigación en la Universidad Autónoma del Carmen. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel II. Se ha especializado en síntesis y caracterización de materiales cerámicos para aplicaciones tecnológicas, así como el uso de los materiales naturales y sintéticos en la remoción de contaminantes disueltos en agua.

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