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“ESTUDIO DE PROCESOS AVANZADOS Y DE BIORREMEDIACIÓN
APLICADOS A LA REMOCIÓN DE AGROQUÍMICOS EN AGUAS.
DESARROLLO DE DISPOSITIVOS INNOVADORES PARA EL
MONITOREO AMBIENTAL”
Ciclo de Seminarios de INTEC “Dr. Alberto Cassano”
Dra. Maia R. Lescano
GRUPO INGENIERÍA DE LOS FOTORREACTORES Y TECNOLOGÍAS
AMBIENTALES Investigadores: 17
Personal de Apoyo: 5
Becarios Doctorales/Postodctorales: 7
Cientibecarios/ Pasantes/Tesinistas: 11
https://servicios.intec.santafe-
conicet.gov.ar/grupos/gifor/
Sistemas de biopurificación aplicados al tratamiento de efluentes con
agroquímicos
Aplicaciones del proceso UV/H2O2 para el tratamiento de efluentes contaminados
con agroquímicos
PROYECTOS EN EJECUCIÓN
PICT 2015 FONCYT: “Sistemas de biopurificación y combinación de
procesos fisicoquímicos para el tratamiento de efluentes con
agroquímicos”
Universidades Agregando Valor 2018 SPU 2019: “Descontaminación
de efluentes provenientes del reciclado de envases de
agroquímicos mediante la tecnología de biolechos”
ANR Social 2016 FONTAR: “Desarrollo de un proceso a escala piloto
para la descontaminación del agua de lavado de envases de
agroquímicos mediante la utilización de tecnología avanzada de
oxidación” Aprobado como PDTS
Institución beneficiaria: Cooperativa Agrícola Mixta de Margarita LTDA
Convenio con empresas y Cooperativas de la Región
CAI+D 2016 - UNL
INTEGRANTES DE LOS PROYECTOS Cristina Zalazar (Dra. Tecnología Qca.)
Ma. Milagros Ballari (Dra. Tecnol. Qca.)
Maia Lescano (Dra. Tecnol. Qca)
Carolina Masin (Dra. Cs. Biológicas)
Alba Rodríguez (Lic. Biodiversidad)
Eduardo Vidal (Mag. Gestión Amb.)
Julieta Pioli (estudiante Lic. en Biotecnología)
Rosario Morel (Ing. Ambiental)
Alejandra Durán (Mag. Gestión Amb)
Roberto Romero (Mag. Ing. Qca)
Nerina Fussoni (estudiante de Lic. en Biotecnología)
Sofía Lammertyn (Lic. Cs. del Ambiente)
Luciana Manelli (Ing. Ambiental)
Manuela Garibaldi (Ing. Ambiental)
Emilia Fernández (Dra. Cs. Químicas)
Julieta Ávila (Ing. Ambiental)
Andrea Diaz (Ing. Ambietal)
Grupo
multidisciplinar
-Biología
-Química
-Ingeniería
-Tecnología
PROBLEMÁTICA DE LOS AGROQUÍMICOS
Fuentes: Kieffmann Group (1997-2012), Pampas Group (2013)
Evolución del mercado de agroquímicos en Argentina
PROBLEMÁTICA DE LOS AGROQUÍMICOS
Los herbicidas siguen siendo el principal segmento del mercado, seguido por el de insecticidas.
Muchos de estos compuestos exhiben persistencia en el ambiente y pueden provocar efectos tóxicos en los organismos vivos.
PROBLEMÁTICA DE LOS AGROQUÍMICOS
Diseño y operación
Aplicación de bioensayos
Desarrollo de técnicas analíticas
Modelado del transporte y
degradación de los contaminantes
• Proceso UV/H2O2: Optimización
de condiciones operativas
• Vermifiltros
• Procesos de Biorremediación: LECHOS
BIOLÓGICOS
Abordaje de una solución integral del problema
Altas concentraciones
Bajas concentraciones
PROCESO UV/H2O2
Agroquímicos
UV/H2O2 DEGRADACIÓN
Long. Onda = 253 nm OHOH h 222
PROCESO UV/H2O2
Tesis doctoral Alejandro Lopez, 2018
PROCESO UV/H2O2
Conversión máxima: pH = 7,13 y R = 10,13 Variable Rango/Valor
Concentración inicial de
COT
30 mg L-1
pH inicial 3 - 10
Concentración inicial de
H2O2
120 - 1500 mg L-1
Radiación UV incidente 22.4 x 10-9 Einstein cm-2 s-1
Temperatura de reacción 25 °C
Tiempo de reacción 8 h
Evaluación efectividad de
tratamiento
Bioensayos
Tesis doctoral Alejandro Lopez, 2018
Ensayos de
germinación
Mezcla de herbicidas comerciales
(glifosato – atrazina – 2-4 D)
PROCESO UV/H2O2
Tesis doctoral Alejandro Lopez, 2018
0
50
100
150
2 6 8 10 12 16
IG (
%)
Tiempo (h)
Ensayos de
germinación
0
3
6
9
12
15
18
21
2 6 8 10 12 16
Lo
ng
. R
ad
. (m
m)
Tiempo (h)
Reducción de fitotoxicidad
LECHOS BIOLÓGICOS O BIOBEDS Colectar y descontaminar líquidos residuales con alta concentración
de agroquímicos
10 cm
50 cm
Fotografía: Castillo et al., 2008
Arcilla
(impermeabilizar) Cubierta vegetal (regulador de H, indicador de derrames)
Biomezcla:
- Paja (50%)
- Suelo (25%)
- Turba (25%)
LECHOS BIOLÓGICOS
Fotografía: Karanasios et al., 2012
SIMPLICIDAD
BAJO COSTO
EFICACIA
USO DE MATERIALES LOCALES
LECHOS BIOLÓGICOS
DIRECTAS INDIRECTAS
LECHOS BIOLÓGICOS - ESCALADO
Evaluación de sustratos, uso de materiales locales de bajo costo
disponibles en la región
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO I
Biolechos Cajas 30 L Composición
Suelo – Rastrojo trigo 50 – 50
Suelo – Rastrojo de trigo –
Resaca de río
50 – 50
Suelo - Paja de alfalfa-
Resaca
50-25-25
Suelo – Paja de alfalfa 100
Suelo 100
Contaminación con glifosato 1000 mg/kg de biomezcla
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO I
0
20
40
60
80
100
10 16 25 43 63
Gly
pho
sate
degra
dation
(%)
Time (days)
Suelo - rastrojo de trigo Suelo - rastrojo de trigo -resaca
Suelo-Paja de alfalfa Suelo - Paja de Alfalfa - resaca
Suelo
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO I
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO II Vermirremediación
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO II
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO III
Biolechos Cajas 30 L Composición
Suelo – Rastrojo trigo 50 – 50
Suelo – Rastrojo de trigo –
Resaca de río
25 – 50-25
Suelo - Rastrojo de Maíz 50-50
Suelo – Rastrojo de Moha 50-50
Suelo –Rastrojo de Moha-
Resaca de Río
25-50-25
Suelo – Rastrojo de Repollo 50-50
Suelo – Rastrojo de Trigo
soja
50-50
Contaminación con atrazina , 2-.4D y glifosato : 250 mg/kg de biomezcla
Cientibeca Julieta Pioli, 2018 - 2019
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO III
2,4-D Atrazina
r=0.9998 r=0.9999
LD(mg/L)=2.55 LD(mg/L)=0.77
LQ(mg/L)=7.74 LQ(mg/L)=2.34
Sensibilidad=579
54
Sensibilidad=229
751
Recuperaciones entre 60 y 89%
Coeficiente de variación < 12%
Validación de las técnicas analíticas
10/20 ml extrayente + 5 g biomezcla
30 min agitación
1/ 2 hs de ultrasonido
Centrifugación 3500 rpm
Filtración Detección y
cuantificación por HPLC/UV
Cientibeca Julieta Pioli, 2018 - 2019
LECHOS BIOLÓGICOS – LABORATORIO III
T→ Suelo, Rastrojo Trigo
TR → Suelo, Rastrojo Trigo, Resaca
M → Suelo, Rastrojo Moha
MR → Suelo, Rastrojo Moha, Resaca
Ma → Suelo, Rastrojo Maíz
TS → Suelo, Rastrojo Trigo-soja
Re → Suelo, Rastrojo Repollo
Alta performance de las
biomezclas para degradar
agroquímicos
LECHOS BIOLÓGICOS – MEDIANA ESCALA I
50 litros
Composición: suelo y rastrojo de trigo
(50:50)
Convenio con empresa
180 días de ensayo
BIOLECHO A BIOLECHO B
Pasantía y Tesina, Nerina Fussoni, 2018 -2020
No se detectó ninguno de los agroquímicos en
ambos sistemas
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Antes deaplicar
0 15 30 60 120 180Acy
ivid
ad
Feno
loxid
asa
s (U
/kg
)
Tiempo (dias)
Biolecho B Biolecho A
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
Antes deaplicar
0 15 30 60 120 180
Fluo
resc
ein
a lib
era
da (
µg/
g*h
)
Tiempo (dias)
Biolecho B Biolecho A
Actividades
biológicas
FDA – Hidrólisis de la
Fluoresceína Diacetato
FOX – Actividad
Fenoloxidasas
Hongos
Bacterias
LECHOS BIOLÓGICOS – MEDIANA ESCALA I
150 L de efluente se lo aditivó con Atrazina, Glifosato, Carbendazim, Imidacloprid,
Prometrina en alta concentraciones (20 ppm de cada uno aprox)
Se recircularon 700 L de efluente en los 180 días de ensayo
4 L/día
Mezcla Suelo Moha 50:50
700 kg
LECHOS BIOLÓGICOS – MEDIANA ESCALA II Convenio con empresa
Magister Luciana Manelli, 2019 –2020
Pasantía Manuela Garibaldi, 2019- 2020
Instalación de biolechos para lavado de mochilas – INTA Estación Ángel Gallardo
LECHOS BIOLÓGICOS – MEDIANA ESCALA III
LECHOS BIOLÓGICOS – ESCALA CAMPO
25 % suelo, 25 % resaca de río y 50 % rastrojo de trigo.
Margarita, Santa Fe (ARN Social)
En construcción!
LECHOS BIOLÓGICOS – BUENAS PRÁCTICAS
Fecha tentativa de salida a discusión pública: Noviembre 2019
TRABAJOS EN COLABORACIÓN Desarrollo de formulaciones basadas en nano y micropartículas de ligninas para la
liberación controlada de agroquímicos. Responsable de la línea: Diana Estenoz
Carlos Busatto, Eugenia Taverna, Diana Estenoz
TRABAJOS EN COLABORACIÓN Desarrollo de formulaciones basadas en nano y micropartículas de ligninas para la
liberación controlada de agroquímicos. Responsable de la línea: Diana Estenoz
Carlos Busatto, Eugenia Taverna, Diana Estenoz
TRABAJOS EN COLABORACIÓN
Aplicaciones ambientales: Detección, comparación, monitoreo
Desarrollo de plataformas versátiles para el biosensado ambiental. Responsables de la línea: Claudio L.A. Berli y M. Lucila Satuf
Claudio L. A. Berli, M. Lucila Satuf, Joana Macagno
Sensores
Semillas Enzimas de
microorganismos
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD
En el período de germinación y los primeros días del desarrollo de la plántula ocurren numerosos procesos fisiológicos en los que la presencia de una sustancia tóxica puede interferir alterando la supervivencia y el desarrollo normal de la planta
Período de gran Sensibilidad para factores
externos adversos
La evaluación del efecto de elongación radicular de las plántulas permite ponderar el efecto toxico de compuestos solubles presentes en concentraciones tan bajas que no inhiben la germinación pero pueden retardar o inhibir los procesos de elongación radicular
Semillas de L. sativa (recomendada por organismos internacionales)
IRAM 29114, ISO 1995, US EPA, 1996, OECD, 2003
Económico y nos aporta mucha
información
Monitoreo ambiental
Control de calidad de aguas residuales
Respuestas ecotoxicológicas
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método tradicional en cajas de Petri
Condiciones del ensayo
Tipo de ensayo Estático
Temperatura 24ºC ±2
Calidad de luz Oscuras
Volumen de solución 4-5 mL
Agua de dilución Agua destilada
Número de semillas por
réplica
10 a 20
Número de réplicas 3-6
Duración del ensayo 120 horas
Efecto medido Inhibición en la
germinación
Inhibición en la
elongación radicular
Número de semillas: 20
Réplicas: 5
n= 100 (por muestra)
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método tradicional en cajas de Petri
A través del número de semillas germinadas (N) y el valor de elongación radicular (E, mm) :
𝐸𝑅 =𝐸𝑚 − 𝐸𝑐
𝐸𝑐 𝐺 % =
𝑁𝑚𝐸𝑚
𝑁𝑐𝐸𝑐𝑥100
ÍNDICE DE ELONGACIÓN RADICULAR ÍNDICE DE GERMINACIÓN
(a) 0 a −0.25 baja toxicidad,
(b) −0.25 to −0.5 moderada,
(c) −0.5 to −0.75 alta y
(d) −0.75 to −1 muy alta.
ER<0 = Toxicidad (Bagur-González et al., 2011)
ER>0 = Estimulación de la raíz (hormesis) G < 60% : Fitotoxicidad
Zucconi, 1985
Ortega, 2000
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método tradicional en cajas de Petri
Problemas:
Raíces crecen entrelazadas y mezcladas
Necesario pasos de extracción cuidadosa
alineación de las raíces y medición
Riesgo de rotura de raíces, perdiendo
número de réplicas
Alto consumo de tiempo del operador
Tareas muy demandantes
Baja Precisión
t=0 t=120 h
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método en plataforma versátil “Plant Chip”
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método en plataforma versátil “Plant Chip”
Ventajas:
Es totalmente transparente para permitir la observación y fotografía de
manera directa
Cada semilla posee un canal individual
La elongación radicular es recta y no se entrelaza con otras raíces
La radícula puede ser medida directamente, medición directa o toma de
imágenes
La toma de datos puede hacer sin interrumpir el experimento
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método en plataforma versátil “Plant Chip”
Evaluación de la performance del dispositivo
Elongación radicular e índice de elongación radicular (RE)
Table 1
Root elongation of L. sativa in MA (Plant Chip) and PD
(Petri Dish) experiments
Control System 𝐸 (mm) SD CV
MA 17.4 5.2 29.7
PD 21.8 6.4 29.6
Glyphosate (mg L-
1)
0.01 MA 21.9 5.3 24.1
0.01 PD 24.3 8.8 36.0
0.1 MA 19.0 7.4 39.2
0.1 PD 23.5 8.5 36.0
1 MA 15.8 6.1 38.2
1 PD 21.7 7.0 32.1
10 MA 10.3 3.3 32.4
10 PD 13.5 4.0 29.5
100 MA 4.7 0.9 19.7
100 PD 6.3 2.1 33.3
1000 MA 4.0 1.0 24.6
1000 PD 4.1 1.2 29.1
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método en plataforma versátil “Plant Chip”
Evaluación de la performance del dispositivo
Índice de Germinación (G) y Niveles de Toxicidad
L. sativa bioassays results
Glyphosate
(mg L-1)
Level of
toxicity(*)
Phytotoxicity(**)
MA PD MA PD
0.01 >0 >0 - -
0.1 >0 >0 - -
1 Low Low - -
10 Mode
rate
Modera
te
Yes Yes
100 High High Yes Yes
1000 Very
high
Very
high
Yes Yes
(*) Bagur-González et al., 2011 (**) Zucconi et al., 1985; Ortega et al., 2000
ENSAYOS DE FITOTOXICIDAD Método en plataforma versátil “Plant Chip”
Aplicación de medición en función del tiempo
Observación directa en
tiempo real
Se puede seguir la germinación y
elongación de las raíces individuales “en
vivo”
Se puede funcionalizar para realizar
ensayos mas complejos y obtener mayor
información
No solo para tóxicos., sino para agentes de
crecimiento
PLANT CHIP GROUP!
1 era. mención por su calidad técnica y/o potencial innovador
“Dispositivos para el diagnóstico y monitoreo de ensayos
biológicos combinados con teléfonos celulares”
PLANT CHIP GROUP!
Objetivo siguiente: Diseños adaptados a las necesidades del cliente, desarrollos
FUTURAS PLATAFORMAS Y ENSAYOS CON APLICACIONES AMBIENTALES
Dispositivo para medir cuán “vivo” está el suelo: Mediante una reacción enzimática colorimétrica Dispositivo de interacción fungi-seed Screening de interacciones benéficas e identificación de fitopatógenos
Imagen adaptada de Stanley et al. 2015 Lab on a Chip
Micro-ambiente
controlado
Toma de imágenes
de alta resolución
Visión inaudita de los eventos biológicos la
interacción de los microorg. entre ellos y con el
ambiente
Dispositivos en camino
Pasantía Angie Masciángelo, 2019-2020
“Si quieres ir rápido, ve solo. Si quieres
llegar lejos, ve acompañado”