ISBN : 978-958-15-0187-8

PR IM ER A S PR U EBA S D E H A BILID A D ES

PR ESEN TA CIÓ N D E PR O Y ECTO S D E IN V ESTIG A CIÓ N

RETOS EN MICRO, NANO

Y BIOTECNOLOGÍA

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Innovación—SENNOVA (2013-2014)

EDITORIAL

El Servicio Nacional de Aprendizaje—SENA, es la institución de formación profesional más importante de Colombia, cuenta con 117 centros de formación, 15 TecnoParques y 5 TecnoAcademias a nivel nacional en donde se imparte programas de formación para el trabajo, investigación aplicada, innovación y desarrollo tecnológico.

La formación para el trabajo y el uso de las herramientas como parte integral del desarrollo humano y cultural de la humanidad, ha permitido el avance y la evolución de las herramientas dando origen a nuevas formas de trabajo que generalmente van ligadas al avance la ciencia y la tecnología, de allí que los procesos de innovación evocan nuevas formas hacer las cosas y de realizar un trabajo específico, por esta razón el SENA desde sus programas de fortalecimiento de la investigación, desarrollo tecnológico e innovación, buscan mejorar y descubrir nuevos procesos que permitan enriquecer los programas de formación orientados desde los centros de formación, así como los de innovación desde los Tecno Parques y TecnoAcademias a Nivel Nacional.

En razón de lo anterior, el SENA propone este reto en micro nano y biotecnología como un concurso de investigación, desarrollo tecnológico e innovación, una propuesta que impactó a 559 personas entre las cuales están 408 aprendices de formación titulada, 33 talentos, 9 gesto-res de los Tecno Parques, 62 instructores, 6 expertos externos y 41 aprendices de las TecnoAcademias, el concurso se planteó dos tipos de retos, uno equivalente a un 50% de la evaluación donde se desarrollaron 17 proyectos que apuntan a sectores industriales como los de energía, textiles, cosméticos, medio ambiente, agrícola, biotecnología vegetal, materiales y alimentos. El 50% restante fue evaluado con la primera prueba de habilidades técnicas y tec-nológicas en micro, nanotecnología y biotecnología conocidas hasta el momento en Latinoa-mérica, pruebas que contenían retos técnicos, de operación, conocimiento de procedimientos, herramientas, buenas prácticas de laboratorio y escritura de reportes, pruebas realizadas contra reloj y realizadas bajo condiciones similares a la de un laboratorio real; retos similares se reali-zan en otras áreas técnicas en competencias internacionales como WordSkills (Competencia internacional de habilidades técnicas y tecnológicas www.worldskills.org). Para estas pruebas, se acondiciono una celda de trabajo similar a los ambientes de laboratorio típicos de la indus-tria, adicionalmente las instalaciones de entrada se decoraron con objetos y módulos interacti-vos alusivos a la micro, nano y biotecnología, como un nano túnel, una capsula de conteo de átomos del cuerpo y módulos interactivos con microscopios.

Este libro contiene algunos artículos con resultados de este concurso, evento en el que el SE-NA propone retos innovadores que invitan al mundo del trabajo a reconocer el desarrollo de los técnicos y tecnólogos en áreas de las tecnologías emergentes en Colombia, así como de presentar propuestas de evaluación y medición de estas habilidades en el mundo que deja ver que el SENA propicia innovación de talla internacional.

Editor:Darwin D. Rodriguez P.

MSc. Ingeniería Servicio Nacional de Aprendizaje—SENA

Comité Editorial: Alba G. Avila B. Ph.D.

Universidad de los Andes.

Luz America Malagon G. SENA– Grupo SENNOVA

Fernando Pastrana MD, MSc, PhD Candidato Universidad de los Andes.

David Ayala BS Microbiología

Universidad de los Andes.

SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE—SENA.

DIRECCIÓN GENERAL.

Alfonso Prada Gil Director General del SENA

Gina Maria Parody D´Echeona

Directora General de SENA (2013—2014)

Mauricio Alvarado Hidalgo Director de Formación

Profesional

Natalia Ariza RamírezDirectora de Formación

Profesional (2013—2014)

Emilio Eliecer Navia Zuñiga Coordinador del Grupo de Ges-tión Estratégica de la Investiga-ción, Desarrollo Tecnológico e

Innovación—SENNOVA

Carlos Eusebio Lugo SilvaCoordinador del Grupo de Ges-tión Estratégica de la Investiga-ción, Desarrollo Tecnológico e Darwin Dubay Rodriguez Pinto

Gestor y Líder de Concurso.

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Invitados Especiales:

La Ing. Laura Toledo es egresada de la Universidad Tecnológica Nacional, Argen na. Realizó una especiali-zación en Ges ón de la vinculación y la transferencia cien co-tecnológica brindada por la Universidad Na-cional del Litoral en el mismo país. Luego de trabajar dentro del sector privado en mul nacionales de rubroscomo embalajes, autopartes y línea blanca, se incorporó a la Fundación Argen na de Nanotecnología en2011. Desde entonces es responsable del Programa de Inversión en Emprendimientos Nanotecnológicos dela FAN. Se ha desempeñado como evaluadora de proyectos de innovación nacionales e internacionales. Ac-tualmente lleva adelante la ejecución de proyectos de vinculación público-privados nanciados conjunta-mente por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Produc va de la República Argen na y la UniónEuropea.

Palabras acerca del Primer Concurso de Micro, Nano y Biotecnología 2013 2014.

Haciendo referencia al alto nivel de los par cipantes resultan destacables las capacidades adquiridas, tanto por los aprendices como los talentos y sus instructores, en términos de contenidos técnicos, teóricos, prác -cos y comunicacionales.

Asimismo, la inicia va es altamente valorable como polí ca de inclusión y desarrollo social al haber par ci-pado proyectos llevados a cabo a lo largo y a lo ancho de Colombia, demostrando el alcance integral y fede-ral que posee el SENA. El haber desarrollado un concurso basado en micro, nano y biotecnología es el re ejo de una Nación que desempeña un rol vanguardista a nivel regional. Las tecnologías transversales son promi-sorias alrededor del mundo y debe ser un orgullo para Colombia el haber incursionado, exitosamente, en ac vidades de este po. Vale agregar que tal éxito no hubiera sido posible sin el notable compromiso y profe-sionalismo del equipo del SENA.

Par cularmente, agradezco la oportunidad de haberme invitado a par cipar como jurado de un evento de esta envergadura. Ha sido un honor para mí poder compar r esta inicia va de ges ón innovadora que pre-mia a aquellos que, con dedicación y empeño, asumen la responsabilidad de trabajar cada día para brindar a la sociedad en su conjunto, nuevas soluciones tecnológicas.

PhD. Alba Graciela Avila Bernal es Ingeniera eléctrica y Física, Maestría en ingeniería, Doctor en Física.Directora de la línea de micro y nanotecnología del Centro de Microelectrónica de la Universidad de los An-des. Profesor Asociado Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes.Inves gación en Modelamiento de MEMs, NEMs, transporte eléctrico y térmico a nano escalas Microscopiade barrido STM y AFM; Caracterización térmica y eléctrica de nano materiales y nano estructuras; Educaciónen Nanotecnología.

Palabras acerca del Primer Concurso de Micro, Nano y Biotecnología 2013 2014.

El Primer Concurso de micro, nano y biotecnología 2013-2014, posiciona a través del Sena a Colombia como líder en la región. Un liderazgo que apunta a formar recurso humano desde temprana edad en proyectos de inves gación. El ambiente del concurso dejo la experiencia de trabajo en equipo, de competencia y con am-plio espectro de fortalezas que en áreas como nano, bio y micro y programas como la TecnoAcademia y los Tecno Parques han desarrollado. Es impresionante tener en un solo lugar un grupo tan interdisciplinario y mu -edad de jóvenes, instructores, inves gadores, empresarios que estuvieron inmersos en desarrollo de proyectos como los presentados en este concurso; a la par reconocer retos innovadores de competencias técnicas desde la formación de jóvenes que están en la educación secundaria. Espacios como estos deben dárseles con nuidad y fortalecerse con las experiencias que demandan la construcción y el desarrollo de un concurso como este.

Como inves gadora ex endo mi felicitación al SENA por el impacto que ha tenido en fomentar y visibilizar el avance de nanotecnología en Colombia. Sin duda el recurso humano que forman será el engranaje y las ""manos" que muchos centros y en dades de inves gación integren en sus equipos y proyectos.

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Contenido

VIDEO INTERACTIVO Y EXPLICATIVO DEL PRIMER CONCURSO DE MICRO, NANO Y BIOTECNOLOGÍA 2013 –2014.

CAPITULO 1:Modi cación de tejidos de algodón para aplicaciones compe vas en la industria tex l.

CAPITULO 2: Determinación del proceso de tratamiento de aguas residuales con métodos de electrocoagula-ción y degradación foto catalí ca con nano par culas de dióxido de tanio (TiO2), para ser imple-mentados en la zona de Cazucá.

CAPITULO 3: Transformación de tex les con propiedades de control de temperatura con técnicas de microtecnología.

CAPITULO 4: Caracterización de la pared celular de diferentes especies del genero Guadua, para la extracciónde la nano celulosa en Pitalito, Huila—Una Nueva opción para materiales nano estructurados.

CAPITULO 5: Nanocompuestos de arcillas para protección ultravioleta en tex les.

CAPITULO 6: Aislamiento de Lactobacillus sp del rumen como alterna va probió ca para bovinos.

CAPITULO 7: Desarrollo de un biofer lizante en arroz a base de cianobacterias.

CAPITULO 8: Determinación preliminar de metabolitos de alto valor agregado (ácido lác co, ácido acé co,etanol) en una bebida funcional de panela fermentada con ké r de agua na vo.

CAPITULO 9: Estudio agroecológico de incidencia de compuestos bioac vos de la Familia Loranthaceae en lananoestructura del hongo Hemileia vastatrix en Pitalito-Huila.

RECONOCIMIENTO.

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VIDEO INTERACTIVO Y EXPLICATIVO DEL PRIMER CONCURSO DE MICRO NANO Y BIOTECNOLOGÍA

2013 - 2014

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Modificación de Tejidos de Algodón para Aplicaciones Competitivas en la Industria Textil

Análisis comparativo de propiedades funcionales en textiles modificados con nanoparticulas de plata versus textiles modificados con nanoparticulas de oxido de cinc.

Elsa Yadira Lancheros Colorado Centro de Manufactura en Textiles y Cuero Servicio nacional de aprendizaje - SENA

Bogotá, Colombia eylancheros@misena.edu.co

Diana Julieta Martínez Calderón Centro de Manufactura en Textiles y Cuero Servicio nacional de aprendizaje - SENA

Bogotá, Colombia dianitasantafe@gmail.com

José Libardo Molina Ojeda Centro de Manufactura en Textiles y Cuero Servicio nacional de aprendizaje - SENA

Bogotá, Colombia jolimoo@misena.edu.co

Gabriel Steeven Castañeda Beltrán Centro de Manufactura en Textiles y Cuero Servicio nacional de aprendizaje - SENA

Bogotá, Colombia gscastaneda5@misena.edu.co

Abstract The growing demand for textiles exhibiting new

properties requires production processes engineered with emerging technologies (specifically nanotechnology) resulting in products of increased value that deliver a competitiveadvantage for textile sector. This report presents a comparative analysis of the performance of 100% cotton textiles with respect to antimicrobial properties, UV protection and hydrophobia, as a result of the application of nanoparticles of silver compared with the application of nanoparticles of zinc oxide as an alternative to the process of impregnation currently employed in the industry. The results suggest that impregnation with zinc oxide nanoparticles may be a viable alternative to the use of silver in the functionalization of cotton fabrics. Scaling industrial level requires adjustments of the work presented in both the control of the synthesis and the impregnation process.

Index Terms Nanotechnology, cotton, antimicrobial, UV protection, hydrophobicity, silver nanoparticles, zinc oxide nanoparticles.

I. INTRODUCTION En Colombia la industria textil genera el 1,3% del PIB total y cuenta con más de 100 años de tradición, el país está posicionado como un productor y exportador importante de materiales utilizados en la confección de origen natural como algodón, lana, cuero y pieles, entre otros [1]. La relevancia de la empresa textil a nivel nacional e internacional y la creciente investigación en nanomateriales, han permitido la intervención de textiles a escala molecular, obteniendo tejidos inteligentes, a los cuales a través de estímulos físicos y químicos se les han alterado algunas de sus

propiedades, dotándolos de características específicas con el fin de satisfacer las necesidades del consumidor, representando un aumento en la fabricación de prendas innovadoras con propiedades hidrofóbicas, termoreguladoras, antibacteriales, entre otras [2]. Para dichos propósitos, se han intervenido las fibras textiles directamente desde su elaboración o a manera de impregnación, como es el caso de nanoacabados a base de óxido de cinc como protectores UV, o a base de plata utilizados en la elaboración de tejidos con propiedades antibacteriales [3]. Las nanopartículas de plata se han venido implementando en los textiles de uso médico, ropa deportiva, ropa de cama, etc, por las cualidades mencionadas anteriormente y la necesidad de control bacteriano en dichos tejidos [4], sin embargo la obtención de nanopartículas de plata suele tener un elevado costo, motivo que sugiere su reemplazo por otras con comportamiento similar pero de menor valor para facilitar su producción a nivel industrial. El óxido de cinc (ZnO) es un aditivo de muchos productos conocidos, inclusive pinturas, que se caracteriza por su acción antimicótica, además de sus propiedades astringentes y queratoplásticas. El óxido de Cinc es utilizado en prácticas terapéuticas en la curación de quemaduras y heridas leves por la industria farmacéutica y cosmetológica en ungüentos antisépticos, talcos para bebe, enjuagues, etc.[5]. Por estas cualidades el óxido de cinc puede ser una alternativa a la impregnación de nanopartículas de plata en los tejidos de uso médico, también por su bajo costo y su fácil adquisición. El objetivo de esta investigación es comparar el efecto de la impregnación de tejidos 100% algodón con nanoparticulas de plata versus impregnación con nanoparticulas de óxido de cinc, respecto al comportamiento hidrofobico, protección UV y

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antimicrobiano del tejido, con el fin de proponer acabados de óxido de cinc como una alternativa mas económica y de menor impacto ambiental ideales para conferir propiedades funcionales en tejidos de importancia para la industria textil. La investigación y el mejoramiento de las características de los textiles es prioridad para el laboratorio del Centro de Manufactura en Textiles y Cuero del SENA Regional Distrito Capital, por lo tanto este estudio descriptivo es realizado con el fin no sólo de investigar el comportamiento de las nanopartículas de óxido de cinc frente a las nanopartículas de plata en la impregnación de tejidos, sino también como instrumento para promover, la investigación, el acercamiento a la nanotecnología, la familiarización con técnicas y manejo de los equipos disponibles en el centro y el desarrollo de tejidos inteligentes para la industria textil del país con la participación activa de los aprendices SENA.

II. METODOLOGÍA El análisis planteado contempló el desarrollo de tres etapas:

(1) síntesis de nanoparticulas e impregnación simultanea de tejidos de algodón, (2) síntesis de nanoparticulas de óxido de cinc y posterior impregnación y (3) pruebas semi-cuantitativas, para determinación de actividad antimicrobiana, hidrofobicidad, protección UV y efecto del lavado. El ensayo se llevó a cabo para dos tratamientos: nanoparticulas de plata y nanoparticulas de óxido de cinc, teniendo como variables el tipo de tejido y los tiempos de impregnación.

Los textiles probados fueron, algodón 100%, tejido plano tafetán APT (100 a 160g/m2) y algodón 100%, tejido doble punto APT (80 a 120g/m2). Se prepararon un total de 13 muestras de 40 cm2 por cada tipo de tejido, con el fin de contar con el área necesaria para realizar de forma independiente y por duplicado la determinación de propiedades, evitando que la manipulación de la muestra para una determinación afectara las condiciones de la misma para las otras determinaciones.

A. Sintesis de nanoparticulas de plata e impregnación de tejidos La obtención de tejidos de algodón impregnados con

nanoparticulas de plata se realizó mediante el proceso simultaneo de síntesis y recubrimiento planteado por Shams et al. (2011). [6]. La síntesis de nanoparticulas de plata consiste en la reducción química de una sal metálica, AgNO3, mediante la acción de un monómero como agente reductor, en este caso se empleó dextrosa, este método se denomina síntesis verde por su compatibilidad con el medio ambiente [7]. Inicialmente las muestras fueron colocadas en una funda de malla 225 de nylon e introducidas en agua destilada por dos minutos, las muestras húmedas se colocaron en contacto por cinco minutos con una solución de dextrosa al 0.117 M mediante agitación mecánica. Una solución de nitrato de plata 0.15 M fue incorporada lentamente al montaje en constante agitación, finalizada la adición del nitrato de plata se permitió el curso de la reacción y la impregnación de las muestras por un periodo de cuatro o diez minutos. Las muestras impregnadas fueron centrifugadas por cinco minutos a 120 rpm y secadas a 100ºC

por 20 minutos, luego fueron lavadas con agua destilada y nuevamente secadas por quince minutos.

B. Sintesis de nanoparticulas de óxido de cinc e impregnación de tejidos [8,9]. El proceso de sintesis se realizó mediante la reacción de

cloruro de cinc e hidróxido de sodio. A una solución de cloruro de cinc 2.054 M en agua destilada a 88ºC y en agitación constante, fue adicionada gota a gota, una solución de hidroxido de sodio 4.42 M, manteniendo las condiciones de reacción por diez minutos. El precipitado formado se separó de la solución mediante una hora de sedimientación y descarte del sobrenadante. El sedimento fue lavado cinco veces con 250 mL de agua destilada para eliminar el exceso de cloruro de sodio producto de la reacción. La peptización del sedimento se realizó por 10 minutos en alcohol isopropilico en ultrasonido a temperatura ambiente, y mediante centrifucación a 6000 rpm por 15 minutos se colectaron las particulas. Finalmente se realizó un tratamiento térmico a las particulas en horno a 250ºC por 5 horas.

El tratamiento de las muestras de textil se realizó mediante agitación magnética en una solución 5% p/p de partículas de cinc en alcohol isopropilico según el tiempo de impregnación establecido a 40 ºC.

C. Determinación de propiedades en tejidos modificados. Se realizó observación de las muestras tratadas por

microscopio electrónico de barrido JSM 6010 JEOL, para determinar la presencia y distribución de las nanoparticulas y análisis espectrográfico de su composición con el detector de energía dispersa, de igual forma se realizaron las pruebas descritas a continuación para las muestras impregnadas, antes y después de un proceso de lavado acelerado [10], con solución jabonosa de detergente WOB AATCC 1993 sin blanqueadores ópticos por cincuenta minutos a 30ºC.

Protección UV: La determinación de esta propiedad se

realizó por el método in vitro, comparando el perfil de absorbancia, transmitancia y reflectancia de los tejidos sin modificar y los que fueron sometidos a impregnación con los dos tratamientos propuestos [8,11]. Las mediciones se realizaron por triplicado en espectrofotómetro UltraScan Vis en el rango de 360 a 400 nm y 10 nm de intervalo de reporte.

Actividad antimicrobiana: esta propiedad fue determinada cualitativamente por el método de difusión en agar [12]. Staphylococcus aureus subsp. aureus ATCC® 25923™ y Candida albicans ATCC® 10231™ fueron utilizados como microorganismos prueba, 0.1 μL de un cultivo de 24 horas en caldo tripticasa soya de cada cepa fue inoculado por siembra masiva en superficie de agar nutritivo, para bacterias y de agar sabouraud para levaduras. Dos muestras de aproximadamente 1 cm2 del textil de prueba y una del textil control (sin impregnación), se colocaron sobre el agar previamente inoculado, permitiendo una íntima interacción. El tiempo de incubación fue de 48 horas a 28°C.

7

Hidrofobicidad: un volumen de 25 μL de agua destilada a 21ºC fue adicionada sobre la superficie de los textiles prueba y del textil control; se tomó fotografía de la gota formada sobre el textil para calcular el ángulo de contacto entre la línea base de la gota y la tangente del borde de la misma [13, 14].

III. RESULTADOS Finalizados los procesos de síntesis de partículas e

impregnación de textiles mediante las metodologías establecidas en el capitulo II, se observó que las muestras tanto de tejido plano tafetán como tejido punto doble adquirieron una apariencia diferente en textura y color. En el caso de las muestras impregnadas con plata, el color difiere según el tipo de textil, el tejido plano se tornó color amarillo – café y el doble punto color gris, sin percibirse cambio en la textura ni diferencias según el tiempo de impregnación. Las muestras modificadas con ZnO se aprecian color rosa pálido, con textura arenosa y evidente falta de homogeneidad del recubrimiento, estas características no dependen del tiempo de impregnación.

A. Caracterización por SEM de tejidos con y sin impregnación de ZnO. La caracterización por microscopio electrónico de barrido

de los tejidos con y sin modificación se realizó con voltaje de aceleración 5 kV y 2.5 kV respectivamente. Se evidenció la presencia de partículas de ZnO en las dos clases de tejidos ensayados, las partículas no tienen morfología definida, su distribución en las fibras es heterogénea y se presenta como aglomerados. Se estableció un tamaño promedio de 213 nm, medición afectada por la aglomeración de las partículas que dificulta su delimitación (Fig.1).

Fig. 1. Micrografía SEM, Textiles sin y con ZnO. A. Tejido doble punto sin tratar, B. Tejido doble punto tratado, C. Tejido plano tafetán sin

tratar, D. Tejido plano tafetán tratado.

Las fibras de tejidos tratados por diez minutos se observan en su mayoría mejor recubiertas que el caso de las tratadas por 4 minutos. Finalmente el análisis por EDS confirmó la presencia de ZnO en las partículas observadas.

B. Caracterización por SEM de tejidos con y sin impregnación de Ag. Se intentó la caracterización por detección de electrones

secundarios en muestras impregnadas con plata a diferentes condiciones de los parámetros de resolución del microscópio, pero solo fue posible detectar una partícula de aproximadamente, 128 nm en una de las muestras de tejido plano. Por tanto se realizó análisis de composición por energía dispersa utilizando la herramienta de mapas, lo que permitió corroborar la presencia de plata en las muestras de tejido plano tafetán (Fig. 2).

Fig. 2. Mapa análisis de composición por EDS, muestra tejido plano tafetán,

tratada por cuatro minutos.

Las muestras de tejido doble punto no presentaron plata para ninguno de los tiempos ensayados, a pesar de que la impregnación se realizó simultáneamente en el mismo montaje con las muestras de tejido plano.

C. Determinación de protección UV Definida la transmitancia de un tejido como la trasmisión

de radiación ultravioleta a través de un textil [15], las mediciones de este parámetro indican que de los tejidos ensayados sin tratamiento, el tejido de punto doble permite mayor trasmisión de radiación UV en el rango 360 nm a 400 nm (Fig. 3)

SEI 2.5kV SS49 x550 20μm

SEI 2.5kV SS50 x600 20μm SEI 5.0kV SS50 x1800 10μm

A B

C D

SEI 5.0kV SS47 x550 20μmSEI 2.5kV SS49 x550 20μmSEI 2.5kV SS49 x550 20μm

SEI 2.5kV SS50 x600 20μm SEI 5.0kV SS50 x1800 10μm

A B

C D

SEI 5.0kV SS47 x550 20μm

8

10

15

20

25

30

35

360 370 380 390 400

TDP Control

TPT Control

Longitud de Onda (nm)

% T

rans

mita

ncia

Fig. 3. Espectro de transmitancia de textiles sin tratar.

De igual forma se observó que tanto las partículas de plata como las de óxido de cinc, se comportan como un agente de protección contra la radiación UV (en el rango analizado) al ser impregnados en textiles de tejido plano reduciendo de forma notoria la transmitancia del tejido (Fig. 4).

-3

1

5

9

13

17

21

25

360 370 380 390 400

Longitud de onda (nm)

% T

rans

mita

ncia

TPT ControlTPT + AgTPT + ZnO

Fig. 4. Espectro de transmitancia comparativo de tejido plano sin tratar y tejido plano modificado con Ag y ZnO (Tiempo impregnación: 4min).

La tabla I relaciona el porcentaje promedio de transmitancia determinado para textiles modificados con plata (tejido plano) y óxido de cinc (tejido plano y doble punto). Se observa que el comportamiento de este parámetro presenta menor variación a lo largo del rango de medición ensayado para el tratamiento con plata, por el contrario cuando el tratamiento se realiza con ZnO el porcentaje de transmitancia aumenta de forma considerable a medida que se acerca a los 400 nm, lo que indica que a mayor longitud de onda el efecto protector de este tratamiento puede verse reducido.

Los valores de transmitancia obtenidos para el tejido de punto doble impregnado con plata, corroboran la ausencia de ésta, ya que son muy altos comparados a los encontrados para el mismo tratamiento en el tejido plano, a pesar de ser menores

frente a los obtenidos para el textil sin tratar (Datos no suministrados).

TABLE I. PORCENTAJE PROMEDIO DE TRANSMITANCIA DE TEXTILES MODIFICADOS

360 370 380 390 400

Plano Tafetán Control 19,37 20,76 22,16 23,39 24,48Plano Tafetán (Ag-4min) 0,32 0,32 0,29 0,25 0,25Plano Tafetán (Ag-10min) 0,41 0,37 0,33 0,30 0,27Plano Tafetán ( ZnO-4min) 0,12 0,15 0,68 2,12 3,66Plano Tafetán ( ZnO-10min) 0,06 0,13 0,49 1,70 3,11Doble Punto Control 17,77 24,3 29,96 32,51 33,39Doble punto (ZnO-4min) 1,39 1,64 3,02 6,45 9,88Doble punto (ZnO-10min) 2,05 2,38 4,47 9,42 13,89

Longitud de Onda (nm)Tejido

Respecto a los parámetros de absorbancia y reflectancia se puede considerar al primero como un componente que contribuye en la determinación de protección contra radiación UV de un tejido, teniendo en cuenta que la parte de luz incidente en el textil que es absorbida por éste aumenta con los tratamientos realizados en los tejidos de prueba; caso contrario sucede con la reflectancia, parámetro para el cual los valores disminuyen comparado con el textil sin modificar, aunque sigue existiendo este componente.

D. Determinación de actividad antimicrobiana El método cualitativo utilizado para la comprobación de

actividad antimicrobiana de los textiles a prueba, es una técnica rápida y sencilla de estimación aproximada [16], mediante la observación directa de áreas de inhibición de crecimiento. De esta forma se confirma que la impregnación de plata para los dos tiempos ensayados en textiles tejido plano presenta actividad bacteriostática frente Staphylococcus aureus, al igual que la impregnación con óxido de cinc tanto en tejido plano como de punto (Fig. 5). Las áreas de inhibición para el tejido de punto impregnado con plata no fueron evidentes para ninguno de los dos tiempos corroborando su ausencia en el textil.

Fig. 5. Actividad bacteriostática en cepas de Staphylococcus aureus. A.

Textil control, B textil con ZnO, C Textil con Ag

9

Adicionalmente se observó que ninguno de los tratamientos tiene efectividad contra Candida albicans, bajo las condiciones ensayadas.

E. Determinación de hidrofobicidad La prueba de mojabilidad evaluada en los textiles control y

prueba mediante el cálculo del ángulo de contacto por el método de la gota en reposo [17], mostraron un comportamiento similar para los dos tipos de tejidos en los diferentes tratamientos, en todos los casos el ángulo determinado fue superior a 90° (tabla II). De este modo se considera, que es la fuerza de cohesión la que predomina entre el líquido y la superficie del textil, retardando que el líquido moje el sólido [18] y haciéndolo hidrófugo.

TABLE II. ÁNGULOS DE CONTACTO POR TEJIDO

Tejido Tratamiento Ángulo de contacto (°)

Plano Tafetán

N.A 122.8

Ag - 4 min 130,024

Ag - 10 min 133,93

ZnO- 4 min 130,223

ZnO - 10 min 124,005

Punto Doble

N.A Penetración total del agua

Ag - 4 min 144,053

Ag - 10 min 128,882

ZnO- 4 min 131,747

ZnO - 10 min 127,48

Aunque los ángulos de contacto no superan los 150° para

considerar que los tratamientos proporcionan características de superhidrofobicidad a los textiles [14], si se observa un comportamiento más hidrófugo especialmente en el tejido punto doble, para el cual la falta de tratamiento permite la penetración del líquido de forma inmediata (Figura 6).

Fig. 6. Prueba de la gota en reposo. A. Tejido Punto doble (Ag-4min), B.

Tejido plano (Ag-10min).

IV. CONCLUSIONES Fue posible obtener textiles modificados con plata por el

método simultáneo de síntesis e impregnación para tejidos planos tipo tafetán, al igual que textiles impregnados con partículas de óxido de cinc sintetizadas vía reducción química, tanto tejido plano como de punto, aunque con dificultad para obtener el tamaño deseado.

Se demostró de forma cualitativa propiedades de actividad bacteriostática frente Staphylococcus aureus, en tejidos planos de algodón impregnados con plata al igual que aquellos modificados con ZnO, resultado de importancia ya que al inhibir el desarrollo de bacterias en los tejidos no solo se protegen las características propias del textil, también protege al usuario de posibles infecciones y el desarrollo de mal olor debido al metabolismo de microorganismos como es el caso de la bacteria S. aureus[19]. Para el caso de tejidos de punto doble tratados con plata las áreas de inhibición de crecimiento bacteriano fueron muy incipientes, resultado de la falta de impregnación, aunque aquellos tratados con ZnO presentaron áreas de inhibición bien definidas. No se obtuvo actividad inhibitoria frente a levaduras.

El comportamiento de los tejidos como protectores contra radiación UV requiere de un análisis más detallado que abarque la totalidad del espectro de radiación UV-A (315 – 400nm), debido a su importancia teniendo en cuenta que es la radiación UV que penetra en mayor medida a la superficie terrestre. Aunque se puede concluir que los acabados utilizados confieren en mayor o menor grado protección contra radiación con longitud de onda entre 360 nm y 400 nm, comportamiento demostrado con la disminución del porcentaje de radiación trasmitida a través del textil y sutil incremento de la absorción de la misma por éstos.

De igual forma se pudo observar que los tratamientos tanto de óxido de cinc como de plata mantienen las condiciones de hidrofobicidad del textil, caso del tejido plano; o le proveen mayor resistencia a la absorción de líquidos como en el textil doble punto.

Mediante el análisis de los resultados obtenidos para cada una de las propiedades caracterizadas se pueden plantear acabados textiles con óxido de zinc en un futuro cercano como alternativa de las partículas de plata.

Todo lo anterior debe estar ligado a realizar modificaciones en los procesos de síntesis a nivel del laboratorio, que permitan ejercer control sobre el proceso de crecimiento de las partículas con el fin de obtener recubrimientos homogéneos, no aglomerados y de tamaño nanométrico.

V. TRABAJOS FUTUROS El presente proyecto constituye no solo un avance

importante en el acercamiento a la investigación por parte de los aprendices, los instructores y la institución en general, también es el inicio de una serie de trabajos de investigación para estandarizar las metodologías desarrolladas con el fin de buscar una mejor relación costo-beneficio, entre la academia y la industria. Entre los trabajos que se plantean para avanzar en la implementación de aplicaciones desarrolladas a nivel laboratorio, están: pruebas cuantitativas de actividad antimicrobiana frente a un espectro de microorganismos más amplio, pruebas con diferentes metodologías de impregnación asociadas a técnicas de teñido y estampación, montaje de las pruebas descritas en otros materiales para buscar nuevos mercados y buscar alternativas ambientalmente amigables para su aplicación en metodologías existentes.

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AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a la Doctora Sonia

Enciso Mosquera, subdirectora del Centro de Manufactura en Textiles y Cuero y la instructora Andrea Reyes Meneses por su constante apoyo. De igual forma agradecen la colaboración del Tecnoparque Colombia Nodo Bogotá y el soporte técnico de los instructores Carlos Quintero, Juan Evangelista Soriano y Jhon Suárez.

REFERENCES [1] Ministerio de comercio industria y turismo. (2012).

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Determinación del proceso de tratamiento de aguas residuales con métodos de electrocoagulación y degradación fotocatalítica con nano partículas de

dióxido de titanio (TiO2), para ser implementados en los hogares de la zona de Cazucá.

Ing. Química July Alexandra Rincón Chacón Centro Industrial de Desarrollo Empresarial CIDE SENA Soacha, Alexandra.rch@misena.edu.co Tel.: +57 (051) 5461600 IP: 18557

Es. Gerencia Recursos Naturales Nelly Patricia Lozano, Centro Industrial de Desarrollo Empresarial CIDE SENA Soacha, Nellyplp@misena.edu.co Tel.: +57 (051) 5461600 IP: 18554

Aprendiz 1: José Jonathan Velandia Olaya Aprendiz 2: Brayan Sneider Garzón Sánchez Aprendiz 3: Joaquín Rubén Hernández Betancourt Aprendiz 4: Daniel Sneyder Ramírez Torres Aprendiz 5: Ingrid Julieth Soacha Ríos Aprendiz 6: Jefferson Daniel Calvache Sandoval Centro Industrial y Desarrollo Empresarial de Soacha CIDE autopista Sur Transversal 7 # 8 – 40, Entrada 3, Soacha, Colombia Tel.: +57 (051) 5461600 IP: 18557

Abstract— Nowadays researchers are looked different alternatives of remediation of the most influent environmental problems, for instance, the final disposition of grey waters as product of the homes consumes; for this research has been taken Cazuca's zone houses as a population. This article presents a technological compact development from the field of the Nanotechnology, on fact, its objective the sustainable and innovative development of a prototype of treatment plant which contains different phases, as the electrocoagulation and degradation photo-catalytic with nanoparticles of Dioxide of Titanium (TiO2). It consists of an alternative to degrade the pollutants across the coupling stage: firstly, the application of a potential difference and secondly, the degradation was using nanoparticles of dioxide of titanium as photocatalyst. This joins in a wastewater treatment plant of produced by the systems of wash in the homes of Cazuca’s zone, so that these can be re-used. In this way, an important solution is provided for one of the most problematic topics in this zone, which is the recovery of the water sources, also, a protection method of the aquatic ecosystems of the zone of influence. En la actualidad se buscan diferentes alternativas de remediación de los problemas ambientales más influentes, como lo es la disposición final de aguas grises producto del consumo de hogares tomando como población de estudio la zona de Cazucá en Soacha Cundinamarca. Teniendo como objetivo el desarrollo sostenible e innovador de un prototipo

de planta de tratamiento que contienen diferentes fases fundamentales, como lo es electrocoagulación y degradación fotocatalítica con nano partículas de dióxido de Titanio (TiO2), en este artículo se presenta un desarrollo tecnológico compacto desde el campo de la Nanotecnología. Consiste en una alternativa para degradar los contaminantes a través del acoplamiento de etapas: primero la aplicación de una diferencia de potencial y segunda etapa es la degradación usando nanopartículas de dióxido de titanio como fotocatalizador, este se incorpora en una planta de tratamiento de aguas residuales producidos por los sistemas de lavado en los hogares de la zona de Cazucá, de modo que éstos pueden ser reutilizados, proporcionando una solución importante para uno de los temas más fuertes de la zona, como en la recuperación de las fuentes de agua y por lo tanto, el mismo como un método de protección de los ecosistemas acuáticos de la zona de influencia.

Keywords—electro flocculation, wastewater treatment nanoparticles supported TiO2, photocatalyst, plant wastewater, Wastewater

I. INTRODUCCIÓN Para la conservación del medio ambiente es indispensable plantear soluciones innovadoras y de fácil implementación en zonas d e mayor impacto. Es por esta razón q u e este proyecto se desarrolla en la zona de Cazucá del municipio de Soacha, teniendo como

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objetivo el estudio las aguas grises que constituyen el 80% del total de agua residual que terminan en los ríos que cruzan las zonas urbanas, a consecuencia de la ausencia de redes de alcantarillado y construcción de barrios subnormales. Generando finalmente como resultado la recepción de las aguas provenientes de conexiones erradas, que deterioran el medio ambiente y convirtiéndose en una fuente de microorganismos patógenos que afectan directamente la salud de la comunidad de Soacha. [21] por tal motivo, se decidió trabajar con métodos para la eliminación eficiente de los contaminantes de tipo químicos, físicos y biológicos, que alteran la calidad de esté recurso. Los métodos escogidos tienen como característica común ser sostenibles. Entre los que se encuentra la fotocatálisis [3] y electrocoagulación [4]. La primera de estas técnicas, utiliza foto catalizadores con capacidad de generar potenciales Redox (reducción- oxidación) más favorables para el tratamiento de la contaminación de fuentes hídricas. Esta técnica, ha tenido gran acogida en el ámbito investigativo e industrial. Debido a que se cataloga como una alternativa de degradación de contaminantes en fases acuosas, con versatilidad en el uso de tratamiento de mezclas complejas de contaminantes. En esta técnica, se resalta el proceso de fotodegradación, fenómeno de absorción de la radiación electromagnética y absorción de contaminantes en la superficie del fotocatalizador o sustrato. Es entonces, como se genera y recombinan los portadores que destruyen los contaminantes para finalmente mineralizarlos [2]. La segunda técnica, es la electrocoagulación la cual es una proceso electroquímico para la eliminación de contaminantes del agua residual. Este método es eficiente en la eliminación de sólidos en suspensión en la que se puede emplear diferentes electrodos de materiales conductores. En este proceso se forman coagulantes asociados a las reacciones de óxido-reducción que se lleva a cabo entre los electrodos y el medio acuoso. [9] Para el desarrollo de este proyecto se tuvo como objetivo general determinar el proceso de transformación de aguas grises, utilizado electrocoagulación y degradación fotocatalítica, con nano-partículas de dióxido de titanio (TiO2), para ser implementados por medio de una planta en los hogares de la zona de Cazucá. II.METODOLOGIA El proyecto es desarrollado en tres fases, y tiene como propósito el optimizar el proceso de tratamiento de aguas residuales en los hogares de la zona de Cazucá; g e n e r a n d o c o m o resultado una planta de tratamiento de aguas residuales portables que utilice técnicas innovadoras, desarrollado por un equipo de trabajo del programa Tecnoacademia Cazucá que se puede ver en la Imagen 1. Primera fase Como parámetros de inicio del procesos tomo indicadores que se emplean para el análisis en los tratamientos de aguas, con la medición del porcentaje de remoción y degradación de los contaminantes presentes en el agua gris, para esto en la primera fase se inició con establecer protocolos de trabajo en el laboratorio, aplicables a la caracterización de aguas como: parámetros microbiológicos con la medición de unidades formadoras de colonia de microorganismos mesófilos y coliformes; parámetros químicos con medición de concentración de nitratos y fosfatos, y parámetros fisicoquímicos como turbiedad, color, pH, conductividad y demanda biológica de oxigeno (DBO3). Con el fin de tener la información requerida para poder evaluar el agua antes y después del proceso de tratamiento y de esta forma se identificó la eficiencia del prototipo desarrollado.

Segunda fase: El diseño de experimentos nos permitió instaurar los parámetros para cada uno de los proceso como se puede ver en el diagrama 1, en donde fueron establecidas condiciones de implementación por medio de la triangulación de datos bibliográficos, ensayos empíricos, variación de parámetros de entrada y evaluación de las mejores condiciones de trabajo con la que diseño el prototipo de la planta compacta. Estableciéndose constantes en la unidad experimental, en donde se realizó tres repeticiones, con la finalidad de obtener un análisis eficiente, y posterior identificación de los parámetros de mejora del prototipo. De esta forma, comprobado cada una de las etapas a una escala de laboratorio, con indicadores en la determinación del tiempo óptimo de retención y el porcentaje de degradación, para lo que se estableció en las siguientes etapas de tratamiento: Etapa de degradación con electrocoagulación: se enfatiza en el

principio en que las partículas que se hallan en suspensión dentro del agua, con un carácter eléctrico, se hacen recolectora de iones de carga opuesta, formando agregados más grandes llamados “flocs”, los cuales por su mayor peso sufren un proceso de sedimentación debida a la fuerza de gravedad. Esto permitirá generar remoción de material orgánico, como de otros contaminantes [6],

pa de degradación con fotocatalizador utilizando nano partículas de dióxido de titanio TiO2, las cuales tiene un rango de tamaño de 21 nm-30 nm (ver anexo, ficha técnica) se genera una oxidación avanzada que permite degradar contaminantes disueltos y de difícil degradación

de separación donde algunos componentes del agua gris pueden ser retirados transfiriendo hacia un sustrato sólido, quedando física o químicamente enlazados a la superficie del adsorbente Este material se emplea en sistemas de lecho fijo, el cual consiste en una columna donde el adsorbente (carbón activado) se deposita en su interior como un lecho y el líquido que atraviesa la columna en sentido ascendente, horizontal o descendente llevando a cabo el proceso de filtración.

III. DESARROLLO Se da inicio a la construcción del prototipo de planta compacta de tratamiento de aguas grises con la adecuación de cuatro tanques de forma cilíndrica, el primero destinado para la fase de alimentación y sedimentación, el segundo electrocoagulación, la tercera degradación con fotocatálisis y el cuarto filtración con carbón activado. El prototipo que fue utilizado para el estudio de laboratorio es construido en hojas de acrílico (polimetilmetacrilato) calibre cuatro milímetros (4 mm) material seleccionado por tener las características de resistencia a la intemperie y a productos químicos, que permite el mecanizado y termo formado para desarrollo de prototipos. Las dimensiones efectivas de la planta son en altura 75 cm con una base de 20,5 cm y un radio de 10,5 cm, con un capacidad de 0.24 L/min, que se encuentran en permanente circulación entre sus cuatro compartimientos con una conexión entre tanques por medio de codos y tubería de poli- cloruró de vinilo (PVC); finalmente, el último tanque de construcción estructural de filtro de carbono se realizó en empack N (Nylon) empleado por la versatilidad del material. Su diseño fue trabajado en software de diseño Solidwords representado en la imagen 2.

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Imagen 1. Equipo de trabajo semillero de investigación programa Tecnoacademia Cazucá SENA.

Imagen 2. Diseño digital de planta de tratamiento compacta elaborado en Soliword. 1. Unidad de Sedimentación

En esta unidad se lleva a cabo la alimentación del sistema manualmente con un volumen de cuatro punto cinco ( 4.5) litros en 20 minutos de agua gris provenientes del procesos de lavado en lavadora y limpieza de pisos, con el propósito que en este tanque se lleve a cabo el proceso de sedimentación de las partículas de mayor peso hacia el fondo del tanque, este se encuentra construido en forma cilíndrica con un radio 10,5 cm y una altura 20 cm , su base se diseñó con una inclinación de treinta (30 grados), con la finalidad principal de generar un almacenamiento de los lodos obtenidos de esta fase. 2. Unidad de electrocoagulación

Esta unidad tiene una capacidad de 4.1 Litros desde la fase de sedimentación, por medio de una válvula de mariposa de PVC y el sistema de tubería, que alimenta un tanque dispuesto con un arreglo de un ánodo y un cátodo que son conectada a placas de metal

conductoras de Aluminio (Al) y Hierro (Fe), el primero comportándose como ánodo y segundo como cátodo llevándose a cabo el siguiente proceso representado por las reacciones 1,2,3, primero los iones precursores de metal para la producción de coagulantes se liberan en la fase acuosa a través oxidación del electrodo de sacrificio, que para el procesos es el ánodo [24] .En el segundo paso, los iones del metal generados a partir de la primera etapa se hidroliza para formar hidróxidos metálicos insolubles y poli hidróxidos. [25] Y finalmente, la desestabilización de los contaminantes que están en la suspensión de partículas [26] generan un rompiendo de la emulsión y la agregación de las fases desestabilizadas dan lugar para formar flóculos junto con hidróxidos metálicos y poli hidróxidos [1]. Liberación de Iones de Aluminio del ánodo de sacrificio Al Al3+

(aq) + 3e- (1)

Hidrolisis del agua por corriente eléctrica

2H2O O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e- (2)

En la zona entre el cátodo y el ánodo se forma los flocs de hidróxido de aluminio Al3+

(aq) +3 H2O Al (OH)3 +3H+(aq) (3)

3. Unidad de degradación Fotocatalítica

El desarrollo de la unidad de proceso fotocatalítico fue construida contando con la presencia de un agente semiconductor como lo es el TiO2, el cual es el semiconductor más utilizado para aplicaciones medioambientales, posee gran estabilidad química frente a ácidos, bases fuertes, no es peligroso, alta porosidad, baja densidad, es abundante en la naturaleza, es inocuo y su costo es bajo [17,60]; también reduce la actividad de virus, presente en tres formas poliméricas., rutilo broquita y anatasa siendo esta ultima la que presenta mayor actividad fotocatalítica, como consecuencia de las diferentes estructuras de red, en la tabla 1., se hace una descripción específica del empleado en el desarrollo de este proyecto, el cual será fijado en un sustrato de arcilla natural de venta comercial: Fotocatalizador Tamaño de

partícula (nm)

Composición fase cristalina

Área superficial (m3/g)

Degussa P25 70/30 80% anatasa 20% rutilo

50+/-15

Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas de dióxido de Titanio, tomado de fuente Geres R,Whole D, Spiller,Scheider,Gschinurpfel, C Y Shulz-Exloff G 1997 Photocatalytic properties of Titanium Dioxide. 3.1 Mecanismo de degradación fotocatalítica El mecanismo se lleva a cabo, por medio de procesos de oxidación avanzada (PAOs) [18] basado en procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de los

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7. Baño ultrasonico, calcinación

6. Impregnacion de la arcilla natural activada con tio2

6 I i d l ill t l

5. Elaboracion de pelles (forma cilindrica de la arcilla tratada)

5 El b i d ll (f ili d i

4.Medio acido

3. Activacion de arcilla

2. Decantación separacion solidos insolubles y centrifugación

2 D t ió i lid

1. Purificacion de arcilla

contaminantes, involucrando la generación y uso de especies transitorias como radicales hidroxilo (HO·), los cuales son los encargados de la oxidación de la materia orgánica y de los contaminantes inorgánicos, por medio de fotocatálisis heterogénea que sigue el mecanismo que se encuentra descrito en el diagrama 1.

Diagrama 1. Mecanismo de fotocatálisis con dióxido de titanio [23] Imágenes elaboradas por la facilitadora de diseño de video juegos Diana Marcela Acosta 3.2 Fijación de TiO2 en Arcilla Este catalizador debe ser fijado en un sustrato, el escogido para este proceso las arcillas, que son silicatos de aluminio y magnesio hidratado que tienen una estructura laminar. Consisten de un material granuloso muy fino, formado por partículas de tamaño inferior a

arcillas permiten la adsorción de cationes; en este artículo se muestra como se trabajó con la modificación de las propiedades físicas y químicas de una arcilla natural mediante la intercalación de moléculas de TiO2, la fotodegradación se convierte en un proceso con ventajas sobre otros métodos de degradación, debido a que los

catalizadores utilizados son económicos, estables y recuperables [19]. Como consecuencia de estos factores, las arcillas presentan un valor elevado de área superficial activa, pueden interaccionar con diversas sustancias, en especial compuestos polares, en base a esto se estableció un protocolo para purificar y activar e impregnar la arcilla con TiO2 el qué se describe en el diagrama 2 y en la Imagen23.

Imagen 2. Equipo de trabajo semillero de investigación programa Tecnoacademia Cazucá SENA Diagrama 2. Descripción del proceso de Purificación, Activación e impregnación de arcilla con TiO2 [19] 3.3 Caracterización Después de este proceso de impregnación se lleva a un proceso de moldeado, en este caso se trabajó con esferas de diámetro aproximado de 5 mm las cuales se someten a proceso de calcinación a 1000ºC por1 horas, procedimiento con el cual se busca la solidificación y fijación del TiO2 sobre la superficie de la esfera, este procedimiento fue caracterizado por medio de microscopia electrónica de barrido SEM JEOL ver imagen 5, tomándose

Proceso de fotocalísis se llevava a cabo por medio de la presencia de la absorción de energia radiante UV 380 nm) , un catalizador semiconductor Tio que sera fijado en arcilla, y un medio oxidante (O2).

Incia un proceso de absorción de fotones del UV por parte del dióxido de titanio generando pares electrón/hueco sobre la superficie del catalizador desde la banda de valencia hasta la banda de condución, generación de especies redox adsorbidas en la partícula del semiconductor.

Se producen entonces simultáneamente reacciones de oxidación y de reducción en la superficie del semiconductor, permitiendo la reduccion de los contaminates .

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imágenes en donde se puede ver la morfología del TiO2 soportado en arcilla como en la Imagen. 3 como también, la muestra de arcilla sin dióxido de titanio en la Imagen. 4. Otro análisis empleado fue el de espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), que se encuentran los informes respectivos como anexo 1, obtenido con la colaboración del laboratorio de textiles del complejo sur, SENA.

Imagen.3 Microscopia electrónica de barrido Dióxido de Titanio fijo en

arcilla a 5 μm.

Imagen.4 microscopia electrónica de barrido arcilla a 5 μm. En donde se puede determinar la presencia de TiO2 en 60% de composición en la muestra, por medio de la técnica basada en la captación de los fotones de alta energía que emite cada elemento al ser bombardeado por el haz primario, siendo este tipo de señales específico de cada elemento de la superficie de la muestra y es captado por un detector y luego traducida cada señal en un pulso específico, que es conducido a un sistema que compara esta información con un banco de datos que corresponde a los diferentes elementos de la tabla periódica , El software permite la realización gráfica del espectro de picos de energía correspondientes a cada uno de los elementos que constituyen el área estudiada, pudiendo conocer, de manera semicuantitativa, el porcentaje de cada uno de ellos. [22]

Imagen 5. caracterización en microscopia electrónica de Barrido SEM de muestras de fijación de Dióxido de Titanio en arcilla. 3.4. Diseño y experimentación para la unidad de Fotocatálisis Se realiza un ensayo a escala laboratorio para poder evaluar el proceso de degradación fotocatálica que tiene la fijación de TiO2 en los peles, para esto se contó con un reactor de 100 ml con luz UV en un arreglo de leds y en presencia de oxígeno. Así con estos resultados poder escalar la planta de tratamiento de aguas grises. Para evaluar el proceso se usa como indicador la degradación del colorante Azul de metileno (AM) seleccionado por ser un colorante presente en la ropa y que se disuelve en el agua de las lavadoras. Como primer paso se preparó una solución stock de 100 ppm con la que se realizaron diluciones de 10, 5, 1 y 0.5 ppm, con la finalidad de establecer la concentración de trabajo; Se escoge la concentración que se encuentre más cercana a la línea graficada del coeficiente de correlación con un valor R=0,9937, como se puede ver en la Gráfica 1. La concentración de trabajo seleccionada es de 5ppm determinada gráficamente por ser paralela a la recta, este comportamiento es típico de soluciones concentradas ya que la ley de Lambert-Beer cumple su linealidad solo a bajas concentraciones. Se evaluó la degradación dentro del reactor con la medición continua hasta obtener la degradación completa del azul de metileno que se da en 70 minutos; la degradación fue medida en absorbancia con el colorímetro a un rango de 660 nm. Gráfica.1 Representación gráfica curva de calibración del azul de metileno

y = 0,0586x + 0,0572 R² = 0,9937

Abs

concentracion ppm

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Obteniendo como resultados una degradación en la concentración del azul de metileno de 46% en el tiempo de trabajo representado por la Gráfica 2. Gráfica.2. Representación gráfica de la degradación fotocatalítica de azul metileno 5 ppm, con Tio2 fijado en arcilla. Con los resultados se escaló la unidad de la etapa de fotocatálisis de la etapa de tratamiento. 3.5 Unidad de filtración con carbón activado

La unidad de filtración con carbón activado se diseñó con una altura de 15 cm y conservando la línea de diseño de la planta con un base de radio de 10.25 cm a la cual ingresa el flujo de agua proveniente de la unidad de degradación con TiO2; El material de fabricación seleccionado fue empack N (Nylon). La estructura obtenida se llenó con carbón activado (02+40 mesh), una de sus partículas fue caracterizada por medio del Microscopio Electrónico de barrido SEM (Jeol) del Laboratorio de Nanotecnología de Tecnoacademia, de la cual se obtiene la imagen 6, donde se puede observar el tamaño de partícula que registra morfología antes del proceso de filtración con poros de tamaño menor (>500 y 200 ) donde se hace la absorción del material. En la Imagen 7, se puede ver el carbón activado utilizado en el proceso de filtración donde se puede observar la saturación de los poros a comparación con las Imagen 6. Imagen .6 carbón activado antes de pasar por el proceso de filtración en microscopia electrónica de Barrido SEM A 500, (μm), tomado con alto vacío, aplicando un voltaje de 10 Kv. Imagen .7 carbón activado después de pasar por el proceso de filtración en microscopia electrónica de Barrido SEM a 200 (μm) micras, tomado con alto vacío, aplicando un voltaje de, 15 Kv.

IV. RESULTADOS Los resultados presentados a continuación son obtenidos de las pruebas realizadas al prototipo de planta de tratamiento de aguas grises donde fueron ensambladas las cuatro etapas anteriormente descritas, partiendo de la hipótesis planteada,” La remoción en el prototipo es superior al 60% en la concentración de contaminantes presentes en las agua grises”. Se parte de la toma de parámetros de entrada para cada etapa como lo son: la turbidez que se define como la dificultad del agua para trasmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, coloidales o muy finos presentados en unidades NTU (Unidades Nefelométricas de Turbidez),color por medio de la unidad de absorbancia en rango de 610 nm, variación de conductividad, pH, demanda biológica de oxigeno (DBO3), nitratos, fosfatos, cantidades de mesófilos, y cantidades de mesófilos, y coliformes presentes en la muestra con concentraciones variables de acuerdo a aguas grises, representando por tres repeticiones en condiciones constantes podemos ver algunas representaciones gráficas de esto en donde se puede observar el comportamiento de esta variable con respecto a la fase en la que fue tratada. Las aguas grises tienen diferentes tipos de contaminaste donde la concentración se puede medir a través de indicadores como la turbiedad que en el agua que representa los residuos en suspensión, y el color que mide la concentración de residuos de diluidos en el agua, la reducción en estos indicadores permiten verificar la eficiencia del tratamiento. Los resultados permiten observar que la planta de tratamiento presenta una eficiencia de reducción en los parámetros medidos, como en el agua tratada por el prototipo genera una remoción que llega hasta del 99.94% en solidos suspendidos medidos por turbiedad (NTU) y reducción de color por medición indirecta de solidos disueltos y suspendidos en un 92.97% en Asb a 610 nm.

Gráfica.3 Representación gráfica del pH tomado en cada una de las etapas de tratamiento.

pH

pH en cada unidad de tratamiento

Abs

orba

ncia

660

nm

Tiempo (minutos )

17

Gráfica.4 Representación gráfica de la conductividad.

Los resultados permiten observar que la planta de tratamiento presenta una eficiencia de reducción en los parámetros medidos, como en el agua tratada por el prototipo genera una remoción que llega hasta del 99.94% en solidos suspendidos medidos por turbiedad (NTU) y reducción de color por medición indirecta de solidos disueltos y suspendidos en un 92.97% en Asb a 610 nm. Se puede Observar en la Gráfica 3 una importante reducción de la conductividad iniciando en 1000 uS/cm y llegando hasta 223 uS/cm. Factor importante de la eficiencia en el tratamiento debido a que nos indica la eliminación de materiales conductores dentro de las aguas grises y acercando el valor en calidad del agua obtenida posterior al tratamiento. Se puede observar eficiencias importantes en las unidades de tratamiento como la electrocoagulación que reduce hasta 46% de remoción en turbiedad y la asociación fotocatálisis y filtración con una remoción 53. 94%. (Ver gráficas 4, 5 y 6)

Gráfica.5 Representación gráfica de la medición del color en absorbancia medida en un rango de 610 nm.

Gráfica.6. Representación gráfica de la turbiedad NTU en las etapas de tratamiento. En cuanto a la reducción de los mesófilos y colíformes en la planta, podemos ver una reducción en mesófilos superior a 4200 UFC/100 ml equivalente a una inicial superior a 5000UFC/100 ml tomada en el tanque de sedimentación y un conteo final al proceso de filtración de 1800 UFC/100 ml y una eliminación completa de colíformes obtenido por conteo en siembra por filtración por membrana. Es de destacar que las aguas grises poseen muy bajo conteo de colíformes que no supera las 100 UFC/100 ml. Los resultados de DBO3 es una medida indirecta de la materia biodegradable presente en el agua destacando que paso de ser de 360 mg/ l O2 a 0.212 mg /l O2 dándose una reducción muy importante dentro del tratamiento de aguas y estandarizando el agua dentro de las condiciones admisibles a ser potabilizada. La reutilización del agua es muy difícil y requiere un gran esfuerzo técnico y económico, los resultados de esta investigación son de gran importancia debido a que representa la posibilidad de tratar el agua en la fuente de origen y poder ser reutilizada dentro de los hogares, esto genera un impacto importante dentro la zona de Cazucá, donde las vertientes de aguas grises tiene impactos negativos en los sistemas hídricos de la zona. La calidad necesaria para ser reutilizada: en el parámetro turbiedad debe estar en el rango de 0-5 NTU, en las mediciones obtenidas la planta presenta una reducción de 99% y con la concentración final en turbiedad es de 0.0 NTU, la concentración de coliformes no debe ser mayor de 200 UFC/100 ml con el tratamiento de la planta la presencia de colifórmes al final del tratamiento es de 0.0 UFC/100 ml, En DBO3 la concentración permitida esta 0 – 30 mg /l O2 la de la obtenida en la planta después del tratamiento se obtuvo una concentración 0.212 mg /l O2. Los resultados de los indicadores medidos del prototipo muestran, que este es eficiente para la reutilización del agua como riego, sistemas sanitarios y lavados de pisos. Dentro de la zona de Cazucá permitirá generar una reducción en el impacto causado por el deficiente manejo de los residuos líquidos urbanos en la zona. De la misma forma este prototipo puede ser empleado en el tratamiento de diferentes organizaciones urbanas.

Conductividad uS/cm

probeta 10X

Comportamiento Conductividad despues de cada tratamiento

Colo

r 61

0 nm

Abs

Medición Color en Abs 610 nm

Turb

ieda

d N

TU

Medición de la turbiedad NTU

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V. CONCLUSIONES El método planteado para la obtención de la fase experimental, permitió hacer observación de un sistema integrado para plantas compactas y estableció los criterios de entrada, que se mantuvieron constantes en la evaluación. Permitiendo reconocer la eficiencia en el tratamiento y generar las modificaciones para la mejora del prototipo. De esta forma se pudo obtener los diseños para el prototipo que mantuvo los resultados eficientes para el tratamiento de aguas grises. La evaluación en serie del tratamiento busco determinar la eficiencia se tiene en total de la planta y mostrar la complementación de los tratamientos, donde se parte del principio de emplear métodos que permitan primero remover material de mayor tamaño y peso hasta métodos que remuevan materiales de menor tamaño y peso. La agrupación de los métodos de sedimentación, electrocoagulación degradación con TiO2 y filtración genera remociones importantes en los parámetros evaluados que llego a ser del 99% y las concentraciones finales en los parámetros se encuentran dentro de las normas para ser reutilizadas sin riesgo a la población. La investigación nos refleja que se puede tener como alternativa, utilizar la arcilla como soporte para fijación TiO2, mostrando eficiencias en la oxidación del azul de metileno hasta porcentajes superiores a 40% para la degradación de color que es uno de los contaminantes más difíciles de disminuir en el tratamiento de aguas grises.

V. TRABAJOS FUTUROS Mejoras en el prototipo de planta que conduzca a ser eficiente dentro de los hogares con sistemas de recolección y almacenamiento de agua sin tratar y agua tratada. Con este prototipo se buscara sacar la patente para la comercialización. Desarrollo y evaluación de nuevos sustratos para soporte de TiO2 que conduzca al desarrollo de nuevos métodos de tratamiento en la descontaminación de agua, aire y suelo. VI. AGRADECIMIENTOS Brindamos nuestros sentidos agradecimientos al equipo de la tecnoacademia nodo Cazucá, que siempre nos brindaron toda su colaboración y apoyo en la ejecución del proyecto, y a todos los gestores de Tecnoparque nodo Cazucá en especial, Lina Bolaños desde la parte de diseño y Oscar Robayo y Juan Carlos Sandoval desde la parte de Electrónica .

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Transformación de Textiles con propiedades de control de temperatura por técnicas de microtecnología

Ballesteros Luis Miguel1, Gutiérrez Johana2, Isaza Julián3, Gutiérrez Sebastián3, Londoño Marta1

1 Grupo de Investigación en Ingeniería Biomédica, Escuela de Ingeniería de Antioquia – Universidad CES, Medellín, Colombia. 2 Tecnoparque nodo Medellín, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Medellín, Colombia.

3 Centro Tecnológico de Gestión Industrial, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Medellín, Colombia.

Resumen - Los textiles inteligentes son materiales prometedores para brindar condiciones de confort y seguridad, especialmente en condiciones de calor excesivo. En este proyecto se exploraron diferentes técnicas de integración de micro-hidrogeles sobre un textil comercial, buscando brindar propiedades innovadoras a los textiles , con el fin de aportar elementos diferenciadores en la industria textil reconocida en Colombia a través de técnicas de microtecnología. Los micro-hidrogeles se integraron empleando presión y se validó a través de pruebas de microscopia óptica, hinchamiento y lavado, confirmando la permanencia exitosa al textil luego de ser sometidos a condiciones de proceso de lavado convencional.

Palabras clave: micro-hidrogeles, textil inteligente, sensación de confort, temperatura corporal.

Abstract - Intelligent textiles are promising materials for bringing comfort and safety conditions, especially in excessive heat conditions. In this project, micro-hydrogels integration techniques were explored over a commercial textile, bringing innovative properties to the garment, in order to provide a distinguish elements in the textile industry recognized in Colombia trough micro technology techniques. The integration of micro-hydrogels was done by pressure and validated by optic microscopy, swelling and soaking tests confirming the successful permanence into the textile after being subjected to conventional laundering process.

Keywords: micro-hydrogels, intelligent textiles, comfort sensation, corporal temperature.

I. INTRODUCCIÓN

La piel es un sistema natural que mantiene la integridad del cuerpo humano actuando como barrera contra peligros ambientales como el frio, calor, químicos entre otros[1], sin embargo es muy sensible y necesita una protección extra proporcionada por las prendas de vestir [1], [2].

Particularmente, en el sector deportivo se ha notado una disminución en el rendimiento físico y una alta probabilidad de padecer deshidratación debido a la cantidad de líquidos perdidos al transpirar, inducidos por el aumento en la temperatura corporal en el momento de la actividad [3], [4]. La industria deportiva ha tratado de solucionar estos efectos utilizando fibras naturales de algodón para favorecer la ventilación de la piel [5]acompañados de fibras sintéticas, las cuales no tienen la facultad de permitir el intercambio de calor [1].

en un material potencial para la elaboración de textiles a gran escala en una ciudad como Medellín que basa gran parte de su economía en esta industria.

II. METODOLOGÍA

A. Selección y caracterización del textil

Para la selección del textil se tuvo en cuenta las propiedades elásticas, flexibles, de bajo peso y de secado rápido de las prendas deportivas comerciales [8]. Se seleccionaron 4 tipos de telas deportivas comerciales y se caracterización mediante un microscopio óptico (Nikon) de luz transmitida y reflejada, por el cual se observaron los poros y el entramado de las telas. Para determinar el tamaño de poro se empleó el software estadístico NIS Instrument.

Los criterios utilizados para la selección fueron los siguientes:

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Tamaño de poro: homogéneo y definido que permitiera el almacenamiento del micro-hidrogel correcto. Entramado: de comportamiento organizado y definido que proporcionara un espacio apto para el almacenamiento de los micro-hidrogeles.

B. Obtención de los micro-hidrogeles

La obtención de los hidrogeles de alcohol polivinílico (PVA) se logró mediante un proceso físico que consistió en someter las soluciones preparadas a ciclos repetidos de congelamiento descongelamiento.

Los micro-hidrogeles se obtuvieron siguiendo el procedimiento definido por [9]. Brevemente, se preparó una solución de polivinil alcohol (SIGMA –ALDRICH) al 10% p/v, y se adiciono buffer fosfato (pH 7.4) con agitación y temperatura constante. A la solución se le agregó gota a gota 100mL de aceite de silicona (Protokimica, Colombia) mientras se agitaba, a temperatura ambiente, luego, se sometió el sistema a 6 ciclos de congelamiento/descongelamiento. Finalmente la solución se filtró, adicionando acetona grado analítico (ABC LABS, Estados Unidos) y se recogieron los micro-hidrogeles formados [10]

C. Hinchamiento de micro-hidrogeles

Con el fin de corroborar el ciclo de hidratación del hidrogel, se realizó una prueba de hinchamiento, en la que se seleccionó un aglomerado de micro-hidrogeles, se les adicionó una gota de agua y durante 75 minutos se hizo seguimiento periódico cada 5 minutos al diámetro del aglomerado el al cual se verificó usando la fórmula empleada por Londoño [10].

Siendo: dmax el diámetro máximo y dmin el diámetro mínimo de los micro-hidrogeles.

D. Integración de los micro-hidrogeles al textil.

El textil seleccionado en el numeral A (1x1) cm, se colocó sobre un portaobjetos y se añadió una pequeña cantidad de micro-hidrogeles. Para una correcta integración con el textil, se adiciono (20-100) μL de agua desionizada y se esperó por 1 minuto hasta que hidrogel presentara una textura adherente. Con un segundo portaobjetos, se ejerció presión sobre los micro-hidrogeles previamente hidratados sobre el textil, se dejó secar a temperatura ambiente y se observó en el microscopio óptico (Carl Zeiss,Alemania).

E. Verificación de la integración

Con el fin de facilitar la observación de los micro-hidrogeles después de realizadas las pruebas, se tiñeron utilizando un colorante natural [11]. Y se recrearon las condiciones de lavado a las que se someten los textiles practicando las siguientes pruebas [1]

Prueba de inmersión :Se realizó con el fin de verificar que los hidrogeles no se desprendieran del textil. Para esto, se sumergió el trozo de tela modificado en una caja de Petri llena de agua durante 5 minutos, pasado el tiempo de inmersión se retiró el textil.

Prueba de permanencia Se realizó para verificar la capacidad de permanencia de los micro-hidrogeles al textil sometiéndolo a un flujo de agua constante por un periodo de tiempo determinado.

Prueba de lavado: Simulando las condiciones de una lavadora comercial, se sometió al textil integrado a una prueba de lavado. Se colocó un beaker de 250 mL con l00 mL de agua sobre una plancha magnética y se añadió la tela modificada agitándola a 800 rpm durante 5 minutos.

Las pruebas fueron realizadas por triplicado y se verificaron en el microscopio óptico.

III. RESULTADOS

A. Selección del textil

Se procedió a observar los textiles a través del microscopio, y se pudo determinar la diferencia de cada uno, ya que, los tamaños de poro y la conformación de los entramados generan características únicas que benefician o perjudican la posterior integración de los micro-hidrogeles. Por tal motivo, se utilizó un software estadístico con el fin de determinar el promedio de diámetro de poros de cada uno de los textiles (Tabla 1). Teniendo en cuenta lo reportado por Li y colaboradores [12] por la naturaleza de los micro-hidrogeles y su tendencia a formar aglomeraciones, es necesario disponer de tamaños de poros adecuados (aproximadamente 1000um) para una posterior integración al textil. Por tal motivo se decidió seleccionar el textil 3 (Figura 1), prenda a base de poliéster con un entramado organizado, definido y con poros homogéneos que lo hacen la prenda más apta para una posterior integración de los micro-hidrogeles sobre el textil.

Tabla 1. Cuantificación promedio de los textiles promedio del diámetro de poro de los textiles.

Textil Promedio de diámetro

1 – poliéster 891.81μm 2 – poliéster 106.09 μm

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3 – poliéster 972.51 μm 4 – algodón 836.82 μm

B. Hinchamiento del micro-hidrogel

El porcentaje de hinchamiento obtenido en esta prueba fue de 81.54% (Figura 2), comportamiento propio de los hidrogeles [10], [13]. Sin embargo, el porcentaje de hinchamiento obtenido en esta prueba es mucho menor a los reportados por Londoño [9], quien alcanzó un porcentaje de hinchamiento del 250% haciendo el seguimiento a un solo micro-hidrogel. Esto puede ser debido a la aglomeración de los micro-hidrogeles, ya que al hincharse las partículas internas del aglomerado no pueden expandirse libremente por las restricciones en su periferia.

C. Evaluación del textil modificado

Una vez teñidos los hidrogeles (Figura 3), se realizaron las pruebas

Prueba de Inmersión: A través del microscopio óptico se pudo confirmar la presencia de micro-hidrogeles en el textil, ya que se pueden comprobar la presencia de es tos no solo en los poros, sino también en el entramado del textil (Figura 4). Esto es debido a la textura de los micro-hidrogeles ya que la tensión superficial provoca la adherencia con más facilidad no solo a los poros del textil sino también a las fibras.

Figura 1. Microscopía óptica del textil seleccionado (20X)

a) b)Figura 2. Comportamiento de hinchamiento del micro-hidrogel (5X), a) sin

hidratación, b) con la presencia de agua

Prueba de permanencia de los micro hidrogeles al textil: Las prendas, en general son sometidas a condiciones climáticas tortuosas como la lluvia, granizo etc. Por tal motivo, al someter al textil a flujos de agua constante se pudo evidenciar dos comportamientos. El primero de remoción, generado por la eliminación de los hidrogeles al aplicar una corriente de agua, causados por la tensión superficial y los enlaces débiles formados en la periferia del textil. Y el segundo de permanencia, debido a que los hidrogeles en el proceso de integración se situaron en las fibras internas del textil, causando una mayor adhesión del micro-hidrogel generando una resistencia superior al flujo de agua utilizado en el experimento y causando así que los hidrogeles no se removieran del textil, sin embargo no todos los micro hidrogeles permanecieron en el textil, esto es debido a

.Prueba de lavado: Al simular las condiciones de lavado al textil en una lavadora, y observando su comportamiento posterior en el microscopio óptico se pudo observar que los aglomerados de micro-hidrogeles permanecían en el textil Fig. 5, con estos resultados se puede observar la viabilidad de este tipo de telas modificadas para una posterior comercialización.

IV. DISCUSIÓN

La integración de micro-hidrogeles al textil fue exitosa y puede ser un potencial innovador para fabricar textiles con propiedades de control de temperatura. Después de las pruebas de lavado convencionales se comprobaron dos comportamientos en la permanencia de los hidrogeles en el textil. Este textil con microhidrogeles puede proponerse para elaboración de prendas que generen sensación de frescura. Se deben adelantar pruebas en condiciones reales para fortalecer este estudio.

Figura 3. Micro-hidrogeles en el proceso de teñido a) antes de la coloración b) después del finalizado el proceso de coloración.

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Figura 4 Textil con micro-hidrogeles integrados en las fibras luego de prueba de lavado (50X)

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Caracterización de la pared celular de diferentes especies del género Guadua, para la extracción de nanocelulosa en Pitalito, Huila

Una nueva opción para los Biomateriales Nanoestructurados

Autores Segunda afiliación. Esp. BLANCO, Carlos. Ing. Agroecólogo. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructor, carlosblancoro@misena.edu.co. 311509020, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000543560, Pitalito-Huila. M.Sc. GASCA, Jemid. Biólogo. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructor, jemigascavargas@misena.edu.co 3133762125, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000015802, Pitalito-Huila. Esp. PATIÑO, Lina. Microbióloga. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Asesora Tecnoparque, lfpatino40@misena.edu.co, 3156307253, Pitalito-Huila. M.Sc. SANDOVAL, Claudia. Bióloga. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, clsandoval08@misena.edu.co, 3002709376, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000710679, Pitalito-Huila. M.Sc. SILVA, Yesenia. Química/Gestión de la Innovación. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, yeseniasilva@misena.edu.co, 3133864062, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000521760, Pitalito-Huila. TOVAR, Margarita. Ing. Física. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, margarita.tovar@misena.edu.co, 3207537292, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000659657, Pitalito-Huila.

Autores Tercera afiliación. VARGAS, Gustavo. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. GOMEZ, Karen. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. MUÑOZ, Marly. Centro de Gestión y desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RAMIREZ, Jhininson. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RAMOS, María Lilí. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RENGIFO, Solangie. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RIVERA, Jeferson. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RODRIGUEZ, Yesica. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. ROJAS, Diego. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. TOBAR, Yesika. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila.

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Abstract

Genus Guadua belongs to the Bambusoideae gramineae subfamily. It can be found in the humid tropical forests, near the rivers sides. Its morphological characteristics allow high resistance and flexibility, providing uses as a construction material. Its structural composition is characterized by different fibers and vascular bundles that structure tissues such as parenchyma. Guadua is an ideal material for cellulose extraction; therefore the objective of this project is the characterization of cellular ultra-structures from cellular walls of Guadua in Pitalito - Huila, in order to obtain cellulose through different procedures and to characterize final products that could be useful as nano-structured materials. Also, vegetal micro-propagation methods will be implemented to be adapted under nursery conditions, aiming to increase raw material conservation for further extractions.

Keyword: Guadua, Cellular wall, Alcalinization, Hydrolisis, Electron microscopy, Atomic force microscopy.

I. Introducción

Las especies del género Guadua se conocen popularmente como guadua o tacuara. Pertenece a la subfamilia de las gramíneas Bambusoideae. Habita en la selva tropical húmeda en las riberas de los ríos. Es propia de las selvas de sudestes venezolanas, extendiéndose por las selvas de las Guyanas. Se encuentra en Brasil, Colombia, Guyana, Perú, y Surinam [1].

Debido a la composición química de sus fibras naturales, la guadua presenta alta resistencia y flexibilidad. Representando gran potencial económico, de ahí sus usos en construcción, protección de cuencas, riberas de ríos y quebradas; elaboración de muebles y artesanías, fabricación de laminados y aglomerados.

Un estudio previo de microscopía óptica en Guadua angustifolia Kunth, ha evidenciado características especiales de variación en los haces vasculares entre cada nodo (culmo) en cuanto a tamaño, forma, distribución y número [2]. Esta variación es relacionada con el espesor de la pared de cada culmo, con una concentración más alta de los haces vasculares hacia la periferia, un 40% de fibra, 51% parénquima y tejido vascular 9% en promedio y a la vez es independiente de la edad del culmo. Las características anteriormente descritas confieren a la guadua la particularidad flexibilidad y resistencia [2].

La composición química de las fibras naturales varía en función del tipo y origen. Ellas contienen principalmente diferentes proporciones de celulosa y hemicelulosa (60 – 80 %) y de lignina (5 – 20 %) [3]. La celulosa es el principal componente de la pared celular de las fibras naturales. Por tanto, la guadua al estar compuesta de muchas fibras de haces vasculares, permite la extracción de celulosa con menor dificultad. La celulosa es un polímero natural y representa cerca de un tercio de los tejidos vegetales que regenera

mediante fotosíntesis. Anualmente, se producen en todo el mundo aproximadamente 1000 toneladas de celulosa por medios naturales a partir de recursos naturales diferentes a la guadua [4].

En la industria, la celulosa es utilizada para la construcción de nanocompositos, ya que es una alternativa a materiales convencionales empleados en el sector del empaque alimentario, además de otros usos en los recubrimientos de películas de celofán ya que se incorporan fácilmente. Gracias a sus excelentes propiedades como las cualidades biodegradables y biosostenibles [5]. En medicina los biopolímeros de celulosa es un material prometedor en la construcción de Biomembranas para la medicina, como lo son en el uso tratamientos de diálisis, en pacientes con problemas renales [6].

Estudios de ultra estructuras por microscopía electrónica en otras especies, han permitido conocer la existencia de diferencias en la condensación de moléculas de hemicelulosas, lignina y microfibrillas de celulosa, y engrosamiento de la pared celular de especies vegetales, la cual puede modificarse en respuesta a factores ambientales[7]. Por tanto, el estudio de ultraestructuras en la Guadua pretende identificar una especie con características particulares que podrían representar una materia prima potencial para la obtención de nanocelulosa a partir de guadua de la región de Pitalito, Huila, para su futura utilización como refuerzo de matrices materiales biodegradables.

De esta manera, el objetivo de este trabajo es realizar caracterización de ultraestructuras celulares de la pared celular en diferentes especies del género Guadua en la región del municipio de Pitalito para obtener celulosa a partir de fibras mediante diferentes procedimientos químicos, con el fin de dar valor agregado a proyectos de desarrollo municipal - que pretenden plantar el guadal más grande de Colombia contribuyendo a fortalecer el eje ambiental con la reforestación de guadua.

Por lo cual el presente documento hace referencia a los avances obtenidos hasta la fecha, con la participación de actores quienes ejecutan las actividades de investigación aplicada por la modalidad de formación e innovación por proyectos. Los resultados preliminares del proyecto pretenden mostrar de su viabilidad como estudia para continuidad de su ejecución, liderada por aprendices e instructores vinculados al proyecto tecnológico –Uso Sostenible y Conservación de la Biodiversidad- en los diversos ambientes de aprendizaje del Centro de Desarrollo Sostenible Sur Colombiano- en Pitalito, Huila.

II. Metodología y Resultados

Para evaluar la relación se seleccionaron al azar en el bambuzal existente en el tecnoparque Agroecológico Yamboró, vereda Aguadas del municipio de Pitalito, Huila.

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1. Herborización y Fijación de Material Vegetal

Durante el trabajo de campo, donde se realizó colecta del material vegetal se dio inicio a procesos de identificación y de herborización del material colectado Figura 1.

Figura 1. Herborización de material de campo

de Guadua angustifolia Kunth.

La fijación se realizó con glutaraldehído al 2%, de tejidos de hojas infectadas y de tejidos conductores, con el fin de preservar la morfología y la composición química de las células y los tejidos. Así también para producir la muerte de las células, de manera tal que las estructuras que éstas conforman en el estado vivo, se conserven con un mínimo de modificaciones en las subsiguientes etapas del análisis.

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de Biodiversidad –Cabina extracción de gases-, Aérea rural municipio de Pitalito, Huila.

2. Preparación del material vegetal

Para la obtención de cortes finos es indispensable que el tejido este previamente endurecido: Con el fin de endurecer los tejidos se usaron las técnicas más frecuentes que se empleadas en métodos de inclusión.

El tejido se impregnó en parafina dado que ésta es una sustancia hidrofóbica, llevando a cabo un proceso previo: Los tejidos fijados fueron previamente deshidratados durante una hora en etanol de concentración (v/v) diferente (50%, 70%, 80%, 90%, 96% y 100%). Posteriormente se pasaron por solventes de polaridad intermediarios como el xileno, el benceno o el tolueno (conocidos como agentes aclarantes). Finalmente fueron sumergidos en parafina fundida (56 - 60°C) y se dejaran solidificar constituyendo bloques o tacos histológicos para observación por microscopia de óptica [8].

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de biodiversidad –Cabina extracción de gases-.

3. Cortes

Los tejidos fueron cortados en láminas delgadas de una micra para posibilitar su observación con el microscopio de barrido electrónico. Dichos cortes se realizaron con bisturí Nº 3.

4. Análisis de los tejidos.

El análisis de las fibras de guadua se realizó por microscopia óptica y microscopia electrónica de Barrido, con el fin de observar la composición de sus paredes celulares a nivel nano [9].

Se realizaron respectivas observaciones en microscopia óptica a 10X, 50X y 100X y también empleando Microscopio óptico Carl Zeiss Axio Lab A1.-. Que permitió ver los resultados previos de procesamiento de la muestra (Figura 2). Para así posteriormente mejorar detalles de cotes para los posteriores análisis de paredes celulares de fibras de guadua. Figura 2. Registro fotográfico de avance de proyecto en Histología. A. cortes de material vegetal (2cmx2cm aprox.) B. Soluciones preparadas para deshidratación de vegetal. C. Material de Guadua incluido en parafina. D, Observaciones realizadas donde se detalla la pared celular – 100X- las flechas la pared celular. E y F, histología de guadua a 50X donde se notan paredes celulares de guadua.

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de nanotecnología -Microscopio electrónico barrido EVO HD15, Microscopio óptico Carl Zeiss Axio Lab A1.

E F

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5. Extracción de nanocelulosa mediante hidrólisis

Para lograr la elucidación de extracción de la celulosa previamente es necesario realizar los siguientes procedimientos descritos a continuación y los cuales se han realizado parcialmente dado a la limitante de materiales. La caracterización del material de ensayo, Análisis proximal y extracción e identificación de nanocelulosa [10; 11].

La caracterización las ultra estructuras del material vegetal y del producto obtenido por hidrólisis será realizado, ya que no se tienen limitantes de reactivos para la extracción química de la nanocelulosa.

6. Micropropagación in vitro de plántulas.

Establecer clones vegetales mediante cultivo in vitro de plántulas de Guadua, obtenidos de explantes, donde se emplearon modificaciones del medio de Murashige-Skoog [12]. Para permitir la conservación de especies de características únicas que proporcionen reservas de materia prima ante futuras extracciones [13, 14]. Se partió de plantas jóvenes de aproximadamente 50 cm de altura, de las cuales se le realizaron cortes en los entrenudos de aproximadamente 5cm. Para el proceso de esterilización se procedió haciendo desinfección del material vegetal de la siguiente manera:

Se lavó inicialmente con agua y jabón, haciendo cepillados, para luego realizar dos cambios con extran y agua esterilizada, destilada en un volumen de 1/1. Cada cambio por 5 minutos.

Se realizó dos cambios en 100 ml de agua destilada estéril + 1 gota de tween 80 (1/1000), Cada cambio por 5 minutos. También se utilizó en 100 ml de Hipoclorito de Sodio 5.25 % + 1 gota de tween 80 (1/1000) constante agitación durante 5 minutos.

Finalmente se enjuago con agua destilada estéril 3 veces. Para la Preparación del medio de cultivo se utilizaron los siguientes reactivos -macro/micro nutrientes, hormonas y reguladores de crecimiento- mostrados en la tabla 1. Los resultado de los primeros ensayos mostraron un activación metabólica a las siguientes dos semanas de realizado la siembra de los diferentes explantes vegetales como se observa en la figura 3. Evidencio un buen rendimiento con las condiciones mostrados en cuanto a la preparación de medios y cultivo en laboratorio para establecimientos de bancos de una especie con características únicas de pared celular.

Figura 3. Registro fotográfico de avance de proyecto-micropropagación. A. Siembre de explantes de guadua. B. y C. Activación de meritemos. La flecha indica los primeros primordios después 2 semanas. Tabla 1. Composición del medio de cultivo.

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de micropropagación vegetal-biotecnología Cabinas de Flujo laminar Class II. Vivero

III. Resultados Preliminares

Los avances del proyecto a la fecha de acuerdo a los resultados esperados, mostraron un avance de aproximado del 25% según lo establecido en el cronograma de actividades, dado alas limitaciones de accesorios, equipos y materiales. El avance obtenido fue significativo, dado que los resultados obtenidos en cuanto a la histología vegetal y multiplicación de

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microplántulas de guadua mediante biotecnología vegetal, permite justificar la viabilidad del estudio para su continuidad a futuro. Donde se pudo evidenciar que los protocolos que se comenzó a trabajar, mostraron resultados viables que permiten ser mejorados para dar continuidad al proyecto (Figura 2 y 3). En cuanto al análisis de tejidos se lograron imágenes de la pared celular de guadua donde se puede visualizar en los cortes, estructuras de la pared celular, pero es pertinente afirmar que existen limitaciones en cuanto a los cortes finos requeridos para analizar las imágenes a escala nano (Figura 2). Los análisis químicos se han visto fuertemente limitados a la disponibilidad de los materiales de formación, que son indispensables para ejecutar los análisis bromatológicos, extracción e identificación de la nanocelulose.

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Nano compuestos de arcillas para protección ultravioleta en textiles

Ruy Sebastián Bonilla Osorio, Department of Materials, University of Oxford sebastian.bonilla@materials.ox.ac.uk,

(+44186) 528-3097, Mobile (+44787) 496-1011, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001403817, Oxford, United Kingdom.

Andrea del Pilar Reyes Meneses

Instructor

SENA - Centro de Manufactura en Textiles y Cuero e-mail: apreyesm@misena.edu.co

Teléfonos de contacto: 3008247711 4swCiudad: Bogotá, D.C.

Hernán Mauricio Barrera Nova

Talento SENA-

Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información,

Tecnoparque Colombia Email: mauro_b0812@hotmail.com.

Teléfonos de contacto: 3184636125, Ciudad: Bogotá D.C.

Laura Lorena Cortez, Aprendiz,

Centro de Manufactura en Textiles y Cuero (CMTC), Tecnólogo en Diseño para la Industria de la Moda y

Confección, E-mail: Moldesmaster@gmail.com, larag@misena.edu.co ,

Teléfono de contacto: 3104769342, Ciudad: Bogotá D.C.

Omar Bolívar Asesor de Proyectos

SENA - Centro de Manufactura en Textiles y Cuero e-mail: omarbolivar@misena.edu.co

Teléfonos de contacto: 5960050Ext 14946 Ciudad: Bogotá D.C.

Laura Natalia Espinel

SENA - Centro de Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información,

Talento Tecnoparque Colombia

E-mail: lana102@live.com Teléfono de contacto:32043272049

Ciudad: Bogotá D.C.

Liliana Margarita Ocampo Instructor

SENA – Centro de Manufactura en Textiles y Cuero Email: lmocampo35@misena.edu.co Teléfono de contacto: 3006154677

Ciudad: Bogotá, D.C

Abstract—.The increasing environmental effects of greenhouse gases and ozone layer depletion have raised our awareness of the negative effect of ultraviolet radiation (UVR) in humans. Effective protection has been strongly recommended by organizations around the world including the World Health Organization and the Environmental Protection Agency. Textiles used for clothing and protection not always provide a sufficient reduction of UV radiation. The aim of this study was to evaluate the potential of a nanocomposite clay embedded with titanium dioxide nanoparticles as a textile coating film for UV protection.

El aumento del efecto de los gases invernadero y la disminución de la capa de ozono, ha incrementado la preocupación del efecto negativo de la radiación ultravioleta en humanos. La Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA), junto con otras entidades alrededor del mundo, ha recomendado de manera enfática la importancia de la protección efectiva contra la radiación ultravioleta en el sol. Los textiles usados en ropa y protección, no siempre proveen una suficiente reducción de la radiación UV. Este proyecto explora el potencial de un nano compuesto de arcilla y nano partículas de dióxido de titanio, como película de recubrimiento que podría brindar al textil un alto grado de absorción ultravioleta.

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Keywords— Clay, Coating, Environmental

effects, nanocomposite, Nanoparticles, Protection, titanium dioxide,,, Ultra Violet Radiation UV.

Introducción

El aumento en el consumo de combustibles fósiles tiene

como efecto un incremento de gases invernadero que terminan ocasionando una disminución en la capa de ozono, aumentando así la radiación ultravioleta y por ende la probabilidad de cáncer en la piel [1] [2].

Por lo anterior, es indispensable el desarrollo de nuevos materiales que sirvan de barrera anti solar. Durante siglos los textiles ha cumplido esta función, debido a sus características únicas como: apariencia, flexibilidad, resistencia mecánica, y textura, entre otras, sin embargo, estas propiedades no son suficientes, por lo cual es necesario funcionalizar fibras y textiles para aumentar la barrera de protección UV [3].

Los recubrimientos textiles con nano partículas de arcillas, son considerados acabados funcionales revolucionarios, que brindan propiedades como: agentes antimicrobianos agentes ignífugos, dureza, flexibilidad, resistencia, entre otros [4]. El dióxido de titanio es ampliamente conocido por sus propiedades de absorción de radiación UV, su capacidad de absorción se encuentra en la región de 280 a 400nm [5].

El objetivo principal de este trabajo fue obtener nano compuestos de arcilla, usados como acabados en dos tipos de textiles 100% algodón y comprobar su capacidad de absorción de radiación UV.

I. METODOLOGIA

a. Preparación de nanocompuestos de arcilla Para la preparación de nano compuestos de arcilla se utilizó Caolín, dióxido de titanio 98%(Fase Anatasa), Glicerina 98%, Látex y Metanol al 98%. Se prepararon cuatro mezclas de nano compuestos con diferente concentraciones de arcilla y de dióxido de Titanio (Ver Tabla .1) Tabla 1. Concentración de los compuestos empleados para la preparación de nanoarcillas.

Nanocompuesto Caolín(g) Dióxido de Titanio (g) 1 5 25 2 10 20 3 15 15 4 25 5

Una vez preparadas las muestras se agregaron 400ml de glicerina y se agitaron con motor con aspa superficial a 1000 rpm durante tres horas, posteriormente se adicionaron 300 ml

de látex, continuando con la agitación, cuando se completaron 5 minutos de agitación se retiraron de la mezcla en agitación 30 ml y se sirvieron en un Erlenmeyer, una vez se completaron 10 minutos de agitación se retiraron otros 30 ml y se sirvieron en otro Erlenmeyer y así sucesivamente hasta completar quince minutos de agitación, para un total de tres muestras con diferente tiempo de agitación (5, 10 y 15 minutos de agitación), las cuáles serían empleadas para la impregnación textil.

b. Impregnación textil

Para la impregnación textil se utilizó algodón 100% APT de diferente tejido y densidad, algodón punto sencillo de 80g/m2 por metro cuadrado y algodón doble punto de 120g/m2.Se cortaron probetas de 1 pulgada de diámetro, se realizaron tres réplicas por tiempo de agitación y por tipo de algodón, para un total de 60 muestras.

Con el fin de lograr una impregnación homogénea del textil, se utilizaron dos láminas de vidrio de 3mm de ancho, el textil fue puesto sobre una de las láminas, con una jeringa se agrego en el centro de la probeta 0.5ml de solución de arcilla, se le coloco encima la otra lámina de vidrio y una pesa calibrada de 450g, durante 5 min. Luego se retiraban los excesos de líquido y se sumergían las muestras en metanol al 98% durante 3 min, finalmente las muestras eran llevadas al horno a 35 C durante 30 minutos hasta su secado completo(Ver Figura 1).

Fig 1. Proceso de impregnación textil. a. Probetas de algodón con nanocompuesto de arcilla. b. Impregnación con láminas de vidrio y pesa. Remojo en metanol al 98%.d. Secado al horno.

a b

c.

d

31

c.Análisis de protección Ultravioleta

Con el fin de determinar la radiación ultravioleta bloqueada, reflejada o transmitida por los textiles modificados, se utilizó espectrofotómetro Ultrascan Vis (Hunter Lab), se realizaron tres mediciones de: Absorbancia, reflectancia especular y transmitancia total, con precisión de 10 nm, teja tipo esfera, en el caso de las muestras líquidas se usó celda de cuarzo con capacidad de 30ml. El blanco corresponde al textil impregnado con látex, glicerol y metanol. Así mismo se realizaron lecturas de la transmitancia para las muestras líquidas, como blanco se preparó una solución de glicerol, látex y metanol. Las lecturas se realizaron en el rango de 360-400nm, teniendo en cuenta que el equipo no analiza todo el espectro de radiación ultravioleta A (315-400). Todas las mediciones se realizaron previa calibración del equipo.

c. Caracterización de textiles usando Microscopia de barrido electrónico y Espectroscopia de energía dispersa.

Con el fin de verificar los acabados en los textiles y el tamaño de los nanocompuestos, se observaron las muestras usando microscopio JEOL JSM - 6000 LA, la resolución y magnificación varió con cada muestra. Este equipo cuenta con un detector EDS que permitió verificar la composición de las muestras. Debido a que las muestras no son conductivas, su observación en bajo vacío no fue posible. Por el contrario, alto vacio y voltajes de aceleración entre 5 y 8 kV fueron utilizados en este análisis.

II. RESULTADOS c. Análisis de protección UVA

Muestras líquidas Con el objetivo de evidenciar si los nanocompuestos de arcillas líquidas sirven como agente protector de radiación UVA, se realizaron mediciones de absorbancia y transmitancia usando celda de cuarzo de 30 mm. Los resultados muestran que el nanocompuesto dos es el que presentó la mayor absorbancia (0.21) a 360nm y 10 minutos de agitación y el nanocompuesto uno mostró el menor valor promedio de transmitancia (0.01%) y 15 minutos de agitación, evidenciando una relación directa entre la concentración de dióxido de titanio en la arcilla, el tiempo de agitación y la protección de la radiación UVA (Figura 2).

Fig. 2. Absorbancia y transmitancia de nanocompuestos de arcillas líquidos

Textiles impregnados

Como blanco o patrón, se utilizó una muestra de textil impregnado con látex y glicerol, realizando mediciones de absorbancia, reflactancia y transmitancia en dos textiles algodón punto sencillo y algodón punto doble.

Algodón punto sencillo

Los textiles recubiertos con nanocompuestos de arcilla con alta concentración de dióxido de titanio muestran una tendencia a aumentar la protección contra la radiación ultravioleta a diferencia de los textiles recubiertos con bajas concentraciones de dióxido de titanio, indicando que la concentración de dióxido de titanio influye en la capacidad de absorber la radiación ultravioleta, lo anterior confirma las propiedades foto catalíticas del dióxido de titanio como agente protector de radiación ultravioleta (Figura 3)

Figura 3. a y b. Porcentajes de transmitancia de algodón punto sencillo impregnado con nanocompuestos de arcillas. c y d. Absorbancias de algodón punto sencillo impregnado con nanocompuestos de arcillas.

Se esperaría que el nanocompuesto que registraría menor transmitancia fuese el uno, debido a que este presentaba la concentración más alta de TiO, sin embargo, esto no ocurrió, lo anterior podría ser explicado por varios factores como: no todas las muestras quedaron impregnadas homogéneamente, esto se

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pudo evidenciar en que las mediciones entre una réplica y otra eran diferentes y al analizar las muestras en microscopía de barrido se evidenciaron algunos espacios en la superficie de recubrimiento que podrían estar alterando las mediciones, también se pudo observar que cuando la concentración de Caolín y dióxido de titanio están en proporciones similares se evita la formación de material particulado, igualmente, a medida que el tiempo de agitación de los nanocompuestos aumenta, la transmitancia tiende a disminuir, favoreciendo la capacidad de protección del textil contra la radiación ultravioleta [6][7][8][9].

Con relación a la reflectancia el textil impregnado con nano compuesto uno fue el de menor reflectancia (14.4%) a 360nm y 15 min y el mismo nanocompuesto registró mayor reflectancia (67.64%) a 400nm y 15 minutos de agitación, En general los valores de reflectancia muestran una tendencia a aumentar con el tiempo de agitación y la longitud de onda, lo anterior evidencia la característica del dióxido de titanio como agente inorgánico que tiene la capacidad de reflejar los rayos UVA [10] (Figura. 4).

Fig. 4. Porcentaje de reflactancia Algodón Punto Sencillo impregnado con nanocompuesto de arcilla uno.

Algodón punto doble

El textil impregnado con nanocompuesto tres registró el menor porcentaje de transmitancia (0.35%) a 360nm y 10 minutos de agitación y el textil impregnado con nanocompuesto uno fué que registró mayor porcentaje de transmitancia (28.9%) a 400nm y 5 minutos de agitación, en cuanto a la absorbancia, el menor valor lo registró el nanocompuesto uno (0.54) a 400nm y 5 minutos de agitación y el mayor valor lo registró el textil impregnado con nanocompuesto tres (2.49) a 360nm y 10 minutos de agitación, los valores de transmitancia versus absorbancia muestran una relación inversa (Figura 5).

Fig. 5 a y b. Porcentajes de transmitancia de algodón punto doble impregnado con nanocompuestos de arcillas. c y d. Absorbancias de algodón punto sencillo impregnado con nanocompuestos de arcillas.

Con relación a la reflactancia, los resultados son diferentes a los del algodón punto sencillo, ya que el textil impregnado con nanocompuesto dos fue el de menor reflactancia (14,87%) a 360 nm y 10 minutos de agitación y el textil impregnado con nanocompuesto uno presentó el mayor valor de reflectancia (68.15%) a 400nm y 15 min de agitación (Figura 6).

Fig. 6. Porcentaje de reflactancia Algodón Punto Doble impregnado con nanocompuesto de arcilla a. Textil impregnado con nanocompuesto uno. b. Textil impregnado con nanocompuesto 2.

A diferencia de los resultados encontrados en el algodón punto sencillo, el algodón punto doble recubierto con nanocompuesto uno, transmite menor radiación UVA , estos resultados concuerdan con el esperado, es decir que a mayor concentración de TiO2 menor transmitancia y altas reflactancias, lo anterior puede ser explicado no solamente por la capacidad del dióxido de titanio, sino también relacionado con los principales factores que influyen en la efectividad contra la radiación ultravioleta son: la densidad del tejido y el peso de los textiles, entre más cercanas y más pesadas sean las fibras menos radiación pasará a través del textil, es el caso del algodón doble punto (120g/m2), mientras que el algodón punto

a

a b

c d

b

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sencillo la densidad es (80g/m2) por lo que se esperaba que transmitiera mayor radiación ultravioleta [11][12].

Caracterización morfológica

Con el fin de corrobar la homogeneidad del recubrimiento textil se obtuvo micrografías electrónicas a una escala de l00μm.

Fig. 7. Micrografía electrónica de barrido de textil algodón 100% tejido doble punto. a. sin recubrimiento. b. con recubrimiento de nanocompuestos de arcilla.

Como se observa en las micrografías los nanocompuestos de arcilla recubren las fibras, sin embargo, no lo hacen de manera homogénea factor que pudó afectar la variación en la capacidad de absorción de radiación ultravioleta [12].

Tamaño de los nanocompuestos

En ambos tejidos (punto sencillo y punto doble) se encontraron nanopartículas cuyo tamaño varió entre 662nm y 972nm, a medida que disminuía el tiempo de agitación, el tamaño de la nanopartículas era mayor (Ver Figura 4).

Fig. 8. Micrografía electrónica de barrido de textiles de algodón 100%. a y b. Algodón punto sencillo, recubrimiento con nanocompuesto 3, tiempo de agitación 5 minutos. c y d. Algodón punto doble recubierto con nanocompuesto 1, tiempo de agitación 15 minutos.

Análisis composicional básico de los nanocompuestos de arcilla

Los mapas composicionales obtenidos en el análisis de espectroscopia de energía dispersa (Figura 9), evidencia la presencia de dióxido de titanio y otros elementos inorgánicos como el Bario, Potasio y Silicio entre otros, propios de arcillas de origen tecto y del Caolín cuya composición es

principalmente aluminio silicatos hidratados, la presencia de otros minerales no asociados puede ser atribuida a la pureza de la muestra, lo anterior confirma la formación de nanocompuestos de arcilla y la presencia de nanopartículas de dióxido de titanio [10].

Fig. 9. Mapa composicional análisis de espectroscopia dispersa de rayos x (EDS) a. Tejido punto sencillo recubierto con nanocompuesto 1, tiempo de agitación 15 minutos. b. Tejido punto doble recubierto con nanocompuesto 1, tiempo de agitación 15 minutos.

III. CONCLUSIONES

Este trabajo ha estudiado el potencial de un nanocompuesto de particulas de TiO2 como pelicula protectora contra radiación ultravioleta en textiles.

Aquí se encontró que la homogeneidad del recubrimiento influencia la capacidad de absorción de radiación UV.

Los recubrimientos en textiles de algodón punto sencillo con nanocompuestos de arcillas aumentan la capacidad de reflejar los rayos ultravioleta A, cuando la longitud de onda es de 400nm.

Se comprobó que el algodón doble punto transmite menor radiación ultravioleta que el algodón punto sencillo, lo anterior relacionado con la densidad del tejido que se constituye en un factor determinante en la protección contra la radiación ultravioleta.

El tiempo de agitación durante el proceso de preparación de los nanocompuestos de arcillas influye en la dispersión de las arcillas y por ende en la capacidad de protección ante radiación Ultravioleta A.

a b

a b

c d

a

b

1.07 μm

1.080 μm

0.82 μm

0.662 μm 0.82 μm

0.82 μm

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IV. TRABAJOS FUTUROS

Como análisis complementario se propone realizar pruebas de actividad antimicrobiana de nano compuestos de arcillas.

Es necesario realizar trabajos complementarios en la síntesis de nanocompuestos de arcillas, ya que el tamaño de los nanocompuestos obtenidos es más cercano a la microescala.

Se recomienda realizar ensayos de impregnación textil con foulard o rasquetas para garantizar una distribución homogénea del nano compuesto o un mejor acabado.

Se recomienda realizar pruebas de lavado a los textiles con y sin impregnar para comprobar la estabilidad de los nanocompuestos, así mismo podrían realizarse pruebas de flamabilidad.

V. AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren manifestar sus agradecimientos a:

Dra. Sonia Enciso Mosquera, Subdirectora del Centro de Manufactura en Textiles y Cuero, por el respaldo en la ejecución de este trabajo.

Elsa Yadira Lancheros por la asesoría técnica en Microscopia Electrónica de Barrido y la compañía en la ejecución de este trabajo.

Juan Evangelista Soriano por la medición de reflectancia en las muestras textiles.

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Aislamiento de Lactobacillus sp del rumen como alternativa probiótica para bovinos.

Cartagena Bolívar, Colombia, octubre de 2014

Barrios J. R.

Ingeniero Agrónomo Líder de la Investigación

Fuentes L.L Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Hueto A. P Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Mendoza M. P Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Miranda L.S Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Paredes A. E Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Perez C.L Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Velasquez C.J Biotecnologia industrial

SENA- Agroempresarial y Minero

Morris L.F. Microbiólogo en alimentos, Toxicólogo M.Sc.

Asesor.

Abstract— This research is for an ongoing project aimed at the isolation and identification of microorganisms with potential probiotic food that helps reduce enteric disease in cattle, and the subsequent pollution of its derivatives. The project is carried out under ambient conditions in the laboratory of Biotechnology SENA Regional Agribusiness and mining Bolívar; bacteria of the genus Lactobacillus sp were isolated in selective medium MRS (Man, Rogosa and Sharpe), then proceeded to their identification by macroscopic, microscopic and biochemical tests; Finally the process of biomass production was performed in laboratory scale. Resumen— La presente investigación corresponde a un proyecto en curso encaminado al aislamiento e identificación de microorganismos con potencial alimenticio probiótico que ayude a reducir las enfermedades entéricas en los bovinos, y la subsiguiente contaminación de sus derivados. El proyecto se lleva a cabo bajo condiciones ambientales, en el laboratorio de Biotecnología del SENA Agroempresarial y minero Regional Bolívar; se aislaron bacterias del genero Lactobacillus sp, en medio de cultivo selectivo MRS (Man, Rogosa y Sharpe), luego se procedió a su identificación a través pruebas macroscópica, microscópica y bioquímicas; por último se realizó el proceso de producción de biomasa a escala de laboratorio.

I. INTRODUCCIÓN

En Colombia la producción ganadera es uno de los sistemas de mayor importancia en la economía del sector rural, según Vergara 20101, aporta cerca del 4% del PIB (Producto interno bruto), en el Caribe Colombiano este

sistema enfrenta dificultades que disminuyen la productividad de carne y leche, se aumentan las tasas de morbilidad y mortalidad en el periodo seco debido principalmente a la disminución de alimentos recurriéndose en este periodo a la suplementación con forrajes de corte, bloques multinutricionales, probióticos, entre otros2.

Los probióticos son definidos por la FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) como microorganismos vivos que administrados en adecuadas cantidades ejercen un efecto beneficioso sobre el huésped.3. Un microorganismo probiótico efectivo debe poseer una serie de características entre las cuales se encuentran: no ser patógeno, ni toxico, debe ejercer efecto benéfico sobre la salud del animal, debe ser capaz de sobrevivir a la flora intestinal (rumen) y debe ser tecnológicamente utilizable4. Los principales géneros utilizados para tal fin son Lactobacillus sp y Bifidobacterium sp.

Los lactobacilos se encuentran en vegetales, humanos y algunos animales, entre ellos los bovinos, estos no son patógenos y tienen gran importancia industrial ya que se utilizan en la realización de fermentos lácticos. Son bacilos, Gram positivos, fermentan azucares para producir ácido láctico y son anaerobios facultativos5.

El uso de probióticos representa una nueva visión en la industria alimenticia, al contemplar una tecnología de producción limpia. Este proyecto va encaminado al aislamiento de microorganismos del contenido ruminal como alternativa probiótica para alimentación bovina,

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disminuyendo el impacto generado durante las épocas de sequía. Los resultados que se presentan corresponden al proceso de aislamiento, caracterización, y estandarización de un medio para producción de biomasa de Lactobacillus sp a escala de laboratorio.

II. METODOLOGÍA

A. Aislamiento de bacterias probióticas

1) Toma de muestras: El muestreo se llevó a cabo en una planta de beneficio situada en Arjona- Bolívar, donde se tomaron muestras representativas directamente del contenido ruminal de los bovinos luego del sacrificio; empleando materiales estériles como cucharillas de acero inoxidable, frascos tapa rosca, neveras de conservación y los respectivos elementos de protección personal; las muestras fueron selladas herméticamente, rotuladas con parafilm siguiendo una cadena de custodia hasta el laboratorio de Biotecnología del SENA localizado en la ciudad de Cartagena-Bolívar para su respectivo análisis.

TABLA I

TOMA DE MUESTRAS DEL TRACTO DIGESTIVO DEL RUMIANTE

N° orden Muestras (Parte del estómago)

Temperatura (°C)

1 Libro 39.5 2 Libro 40,3 3 Libro 38.8 4 Panza 40.7 5 Panza 39.6 6 Panza 39.9

Las muestras se conservaron a temperatura de 4 °C para luego hacer el aislamiento de los microorganismos con potencial probiótico. Las muestras obtenidas se analizaron en medios de cultivos no selectivos para confirmar la variedad de la flora microbiana del rumen, haciendo énfasis en los microorganismos de interés.

2) Aislamiento microbiológico: Para el aislamiento se

tuvieron en cuenta las 6 muestras tomadas en diferentes partes del animal. Para ello se utilizó medios de cultivo selectivo. Agar MRS (Lactobacillus) (S.A, 2010) y Agar TPY para Bifidobacterium sp

3) Siembra de las muestras: Se llevó a cabo la siembra por diluciones en medio de cultivo Agar Plate Count, utilizando 1g de muestra por cada 9 ml de agua peptonada. Luego se procedió hacer las diluciones cada una de ellas con 9.9 ml de agua peptonada más 0.1ml de la solución madre, se realizó la siembra en las diluciones 10-5 y 10-7 por duplicado, tomando 1 ml de las mismas para hacer la siembra en profundidad en Agar Plate Count. Cada una de las muestras sembradas se incubaron a 35 °C/48 h. Al finalizar el periodo de incubación se procedió hacer recuento de UFC, determinando los diferentes tipos de morfologías presentes en el contenido ruminal.

El tratamiento de las seis muestras se realizó independientemente, pero se aplicó la misma metodología a

todas las muestras; Para el proceso de aislamiento se inició con la activación de los microorganismos, tomando 10g de muestras por cada 50 ml de agua peptonada al 1%, se hizo una homogenización de la muestra y se procedió a incubar a 35 °C / 6-12 h. Después de haber pasado el tiempo de incubación se procedió a realizar el aislamiento por la técnica de estrías o agotamiento en un medio selectivo para Lactobacillus sp, (Agar MRS) A partir del aislamiento se llevó a incubar en condiciones de anaerobiosis por 44 °C/48-72h en el Baño Serológico. Para la obtención de cultivo puro se procedió hacer siembras sucesivas con sus respectivas caracterización macro y microscópica. B. Estandarización de un medio para producción de biomasa

Para el proceso de producción de biomasa se emplearon dos medios alternativos, melaza de caña y lactosuero estudiando el comportamiento de Lactobacillus sp bajo condiciones ideales en un biorreactor, teniendo en cuenta los requerimientos de temperatura 38 +/-2 ºC; pH 5,5 - 6,2; °Brix 8 - 12; ausencia de luz y anaerobiosis, se adiciono urea como fuente de nitrógeno y tiamina para asimilación de carbohidratos. Luego se realizaron pruebas para cuantificar la biomasa obtenida, por métodos de recuento en cámara de Neubauer y conteo en placa.

1) Preparación de pre-inoculo: Para la preparación del pre-inoculo se tomó el 10% del volumen total del medio de producción, en este caso se tomó un volumen de 250 ml, equivalente a 25 ml del volumen del pre-inoculo, teniendo en cuenta los requerimientos de pH y temperatura de los microorganismos para la obtención de una mayor cantidad de biomasa. (Ver tabla III).

TABLA III PARÁMETROS PARA CRECIMIENTO ÓPTIMO

Cepa

Parámetro Lactobacillus sp

pH 5.5-6.2 Temperatura °C 30-40

2) Preparación del medio de producción:

Se utilizó melaza de caña, para observar el comportamiento y crecimiento del Lactobacillus sp, los parámetros tenidos en cuenta fueron los siguientes:

°Brix: 8-10 Temperatura: 38 - 40°C RPM8: 80-100 Se tomaron diferentes volúmenes de melaza de caña: 100, 70 y 50 ml para la conformación de los medios de producción se le realizaron varias diluciones con el fin de obtener los grados °Brix necesarios y bajar su viscosidad para un crecimiento óptimo por parte del microorganismo, a continuación se presentan las diluciones realizadas, los grados °Brix y pH obtenidos (ver tabla IV):

TABLA IV

DILUCIONES PARA OBTENCIÓN DE 100-70-50 ML DE MELAZA

37

Se agregó 0,06 g/l de tiamina para la asimilación de carbohidratos por parte de Lactobacillus sp y 0,4 g/l de urea.

El segundo medio evaluado fue lactosuero a el cual se le determino el comportamiento de Lactobacillus sp, teniendo en cuenta los parámetros de temperatura de 30-40°C, °Brix 7,3 y pH inicial 4,60 Para ello se ajustó el pH con NaOH al 5N, obteniendo un pH optimo de 6,6 y con agitaciones de 80-100 RPM.

4) Montaje de biorreactores A continuación en la fig. 1 se presenta los montajes

realizados para el proceso de producción de biomasa:

Fig. 1 Montaje para producción de biomasa. (Melaza-Lactosuero).

Fuente: Autor 2014

Los montajes están constituido cada uno por 4 Erlenmeyer de 500 ml, agregando 225 ml de medio de producción; melaza de caña y lactosuero con 25 ml de inoculo de Lactobacillus sp. Los biorreactores poseen una salida hermética para toma de muestras; se colocaron en un agitador con base en la parte superior para sujetar los Erlenmeyer y mantener una agitación constante y adecuada para el proceso de producción de biomasa. A partir del volumen inicial de 500ml, se procedió a escalar a 7 litros a partir del sustrato de mayor rendimiento. Utilizando como muestra control 1 sustrato estéril por cada medio producción.

5) Fermentación: para realizar el proceso de fermentación

se calcularon los parámetros de trabajo, que permitieron establecer los volúmenes, el número de muestreos, toma de muestra y duración total de la fermentación.

IV. RESULTADOS

A. Identificación macroscópica Se realizó la caracterización macroscópica de las cepas Lactobacillus sp, observando colonias blancas, cremosas y con elevación. En la figura 1 se observa los crecimientos en medio de cultivo Agar MRS.

Fig. 1 Crecimiento de Lactobacillus sp Fuente: Autor 2014

B. Identificación microscópica

Para la observación de Lactobacillus sp, se procedió a realizar la prueba microscópica empleando la técnica Tinción de Gram. Se observó morfología bacilar, en algunas especies algo flexionados, con longitud y grosor variado, Gram positivos. En las figuras 4 se pueden observar las morfologías obtenidas:

Fig. 4 Morfología de Lactobacillus sp.

Fuente: Autor 2014

C. Pruebas bioquímicas Para llevar a cabo la identificación bioquímica de

Lactobacillus sp, se realizaron cuatro pruebas: hidrolisis de gelatina, prueba de catalasa con peróxido de hidrogeno, tinción de esporas y determinación de burbujas o producción de CO2 en caldo MRS. En la Tabla VIII se muestran los resultados obtenidos:

TABLA VIII

PRUEBAS BIOQUÍMICAS

Microorganismo

Pruebas bioquímicas Hidrolisis en gelatina

Catalasa Tinción de

esporas

Producción de CO2

Lactobacillus sp NO NO NO SI

Los resultados confirman que la bacteria aislada fue Lactobacillus sp, ya que coinciden con la descripción en la literatura: “no formadores de esporas, Inmóviles, catalasa negativos, no licuan la gelatina, su temperatura óptima de crecimiento es de 30-40 °C”7. D. Proceso de fermentación

1) Conteo en cámara de Neubauer: Se determinó la cantidad aproximada de células microbianas contenidas en el inoculo de Lactobacillus sp, el resultado obtenido se muestra en la figura 6, presentada a continuación:

Fig. 6 Recuento en cámara de Neubauer

En el conteo realizado se estimó aproximadamente 2.950 células por cm3.

2) Medición de parámetros para fermentación: para llevar

Concentración melaza

Agua destilada (mL)

pH °Brix

100 950 5,82 9,9

70 600 5,72 10,7

50 500 5,83 10,2

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a cabo esta etapa se utilizó la concentración de 70 ml para evaluar la obtención de biomasa en el caso del sustrato de melaza, ya que presentaba las mejores condiciones para el crecimiento; se tomó 5 mL de muestra de cada biorreactor con el fin de realizar pruebas para determinar los °Brix, el pH y la temperatura, con una duración de 48 horas. Los parámetros de °Brix y pH fueron tomados al comienzo y final de cada medio de producción. A continuación se muestra en la tabla IX y X los resultados obtenidos:

TABLA IX

PARÁMETROS DE FERMENTACIÓN MELAZA

Temperatura (°C) 38

°Brix pH INICIO 10,7 5,75 FINAL 9 5,58

TABLA X

PARÁMETROS DE FERMENTACIÓN LACTOSUERO

Temperatura (°C) 38

°Brix pH INICIO 7,4 6,6 FINAL 6,8 4,5

Al comparar las tablas podemos observar que los

parámetros al inicio y al final de la fermentación permanecen prácticamente constantes en el proceso; aunque con el medio de lactosuero se obtuvo mayor crecimiento y por ende aumento de biomasa, el escalado a 7 L se realizó con el medio de más rendimiento en este caso el de mejor resultado fue el lactosuero, utilizando un biorreactor con paletas para la agitación del medio.

3) Estimación de biomasa: para realizar el conteo

estimado de biomasa en los medios alternativos, se emplearon los métodos de recuento en Neubauer y conteo en placa. Los recuentos fueron llevados a cabo al comienzo y final del proceso, dando como resultado un conteo estimado de 756 x 108 células/ml. Con lo cual se confirmó que el medio lactosuero es el más viable para producción de biomasa de Lactobacillus sp.

V. CONCLUSIONES Se realizó el aislamiento e identificación de bacterias

nativas del contenido ruminal de bovinos de la zona norte de Bolívar, obteniendo la cepa aislada del género Lactobacillus sp, teniendo en cuenta sus características microscópicas y macroscópicas, y mediante pruebas bioquímicas.

En la etapa de identificación y aislamiento no fue posible aislar las cepas de Bifidobacterium sp, pues al realizar las siembras y los repiques, en condiciones anaerobias y con medios selectivos (TPY), se obtuvieron crecimientos y morfologías diferentes a la presentada por Bifidobacterium sp, para realizar este aislamiento se propone realizar nuevamente un muestreo y repetir el procedimiento llevado a cabo para su obtención.

En el proceso de fermentación se pudo obtener crecimiento y por ende una mayor cantidad de biomasa en el medio alternativo lactosuero, la será utilizada para la producción del suplemento probiótico.

A partir de los resultados de la presente investigación se ha obtenido biomasa de Lactobacillus sp, para la construcción del prototipo se tomara dicha biomasa y se realizara un proceso de filtración, la biomasa será inoculada al medio de fermentación que en este caso será miel de campano, hasta alcanzar una concentración mínima de 1x108 UFC/mL.

VI. TRABAJOS POSTERIORES

A continuación se presentan las investigaciones que se realizaran posteriormente:

Identificación y aislamiento de Bifidobacterium sp. Proceso estandarizado para producción de miel de

Campano. Caracterización física, química, nutricional y

microbiológica del suplemento probiótico. Evaluación técnica, estadística y económica del

suministro del suplemento alimenticio probiótico en vacas paridas.

RECONOCIMIENTOS

Sinceros agradecimientos al SENA por permitir que los

jóvenes puedan emprender una carrera investigativa y brindarnos las herramientas necesarias, a la Subdirectora del centro Agroempresarial y Minero de Bolívar Bibiana Pinto Tovar, por apoyarnos en el desarrollo de la investigación, y al personal del Laboratorio de Biotecnología Industrial por apoyar el desarrollo del proyecto.

REFERENCIAS

[1] W. Vergara. La ganadería extensiva y el problema agrario. El reto

de un modelo de desarrollo rural sustentable para Colombia. Revista Ciencia Animal N° 3. 2010, p. 45-53.

[2] FAO. Buenas practicas agropecuarias (BPA) en la producción de ganado de doble propósito bajo confinamiento con caña panelera como parte de la dieta. 2012, p. 45-51.

[3] G. Bucio, B. Ramos, C. Bautista, E. Aranda, F. Izquierdo. Aislamiento, identificación y caracterización de bacterias acido lácticas para la elaboración de queso crema tropical. Universidad y Ciencia. 25(2), 2009, p. 159-171.

[4] G. Bucio, B. Ramos, C. Bautista, E. Aranda, F. Izquierdo. Aislamiento, identificación y caracterización de bacterias acido lácticas para la elaboración de queso crema tropical. Universidad y Ciencia. 25(2), 2009, p. 159-171.

[5] Moreno. L. Aislamiento y selección de Lactobacillus sp con potencial probiótico a partir de pan de abejas. Tesis. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2012.

[6] MAST GROUP sitio web. [Online] Disponible: http://www.mastgrp.com/IFUS/IFU402_SPA.pdf

[7] Moreno. L. Aislamiento y selección de Lactobacillus sp con potencial probiótico a partir de pan de abejas. Tesis. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2012

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DESARROLLO DE UN BIOFERTILIZANTE EN ARROZ A BASE DE CIANOBACTERIAS

Efecto de la inoculación de cianobacterias sobre el crecimiento de plantas de arroz

Vanegas Guerrero Javier* Hernández Benítez Ruth Elena**

Colorado Gómez Mario Andrés*** Rodríguez Serna Fredys Guillermo****

Peralta Sarmiento Nubellys María, Causil Lozano María Elena

Torres Bravo Daimer Antonio

Abstract- This work was performed in order to determine the effect of inoculation of cyanobacteria growth on rice plants. Cyanobacteria were obtained from sampling conducted in the rice fields and the municipalities of Fonseca Dibulla Guajira department. To achieve this aim, an experimental study was carried out through the identification of the species present in soils of paddy fields. The strains were cultured in BG-11 medium free of combined nitrogen. The most abundant and highest growth rate was kind cyanobacteria Arthrospira sp, which was grown in bioreactors under laboratory conditions in Terrazul and SENA Foundation. To determine the growth promoting activity of cyanobacteria in rice plants 4 experimental plots with seed of the variety Fedearroz 2000, which is the most widely grown in the region, which has been substantiated as Kennedy, Choudhury, Kecskés were performed (2004), Ladha and Reddy (2003), Pereira, Ortega, Barrientos, Moya, Reyes, Kramm (2009), Innok, Chunleuchanon, Boonkerd and Teaumroong, (2009). Prasanna, Jaiswal and Singh (2008), among others. The batches used were 1 m2 in the center seat Acuicola Agribusiness and Riohacha, which were inoculated in different treatments and compared against a witness.

Keywords— (cyanobacteria, biofertilizer, rice, culture)

Resumen – Este trabajo se realizó, con el objetivo de determinar el efecto de la inoculación de las cianobacterias sobre el crecimiento de plantas de arroz. Las cianobacterias se obtuvieron del muestreo realizado en los campos arroceros de los municipios de Fonseca y Dibulla del departamento de la Guajira. Para alcanzar este propósito, se realizó un estudio de tipo experimental, a través de la identificación de las especies presentes en los suelos de los arrozales. Las cepas se cultivaron en medio BG-11, libre de nitrógeno combinado. La especie más abundante y de mayor tasa de crecimiento fue la cianobacteria Arthrospira sp, la cual se cultivó en biorreactores bajo condiciones de laboratorio en la Fundación Terrazul y el SENA. Para determinar la actividad promotora de crecimiento de cianobacterias en las plantas de arroz se realizaron 4 parcelas experimentales con semillas de la variedad Fedearroz 2000, que es la más cultivada en la región, el cual ha sido fundamentado según, Kennedy, Choudhury, Kecskés, (2004), Ladha y Reddy (2003), Pereira, Ortega, Barrientos, Moya, Reyes, Kramm, (2009), Innok, Chunleuchanon, Boonkerd y Teaumroong, (2009). Prasanna, Jaiswal y Singh, (2008), entre otros. Los lotes utilizados fueron de 1 m2

en el centro Agroempresarial y Acuicola sede Riohacha, los cuales se inocularon en diferentes tratamientos y comparados frente a un testigo

**Dr Biotecnología. Biólogo Profesor Universidad Antonio Nariño,. Investigador activo. Correo electrónico javanegas100@uan.edu.co Bogotá *Ingeniera Química Estudiante Msc Gerencia de proyectos de investigación y desarrollo. Líder de investigación. Instructora de Biotecnologia. Centro Agroempresarial y Acuícola SENA Regional Guajira, Investigador activo. Correo electrónico. ruthelenahb@misena.edu.co Riohacha. ***Biólogo Marino, Instructor de acuicultura, Centro Agroempresarial y Acuícola SENA Regional Guajira, Investigador activo correo electrónico.. mariocol@misena.edu.co. Riohacha. **** Aprendiz Tecnólogo en Control Ambiental. Investigadores activos Centro Agroempresarial y Acuícola Regional Guajira

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INTRODUCCIÓN

Los cereales son de los cultivos más importantes en el mundo para alimentación humana, animal y como materia prima en numerosas industrias. El arroz es el segundo cultivo de ciclo corto de mayor importancia económica y social en el país, con alrededor de 460.000 ha sembradas para el año 2011 con una producción cercana a los 2´900.000 ton, valores que en su conjunto representan el 4% del PIB agropecuario y alrededor del 5% del empleo del sector agrícola nacional. El Tratado de Libre Comercio (TLC) con los Estados Unidos plantea nuevos retos para el desarrollo del arroz en el país toda vez que en un periodo de 19 años se llevará a cabo la desgravación arancelaria completa para el arroz importado desde los Estados Unidos. Rafael Hernández Lozano, gerente General de Fedearroz, afirmó que los arroceros disponen de seis años para mejorar la productividad, o el pacto bilateral podría llevar a la quiebra al sector arrocero. Hernández resaltó la importancia de disminuir los costos para incrementar la producción si se quiere competir con el mercado estadunidense, en Colombia producir una tonelada de arroz cuesta alrededor de 444 dólares, mientras que en Estados Unidos dicho valor no supera los 265 dólares (El Nuevo día, 2012). Igualmente, el cultivo intensivo de arroz ha conducido a un deterioro constante de las propiedades físicas y químicas del suelo (Fedearroz, 2000). Esto ha incrementado el uso de fertilizantes inorgánicos los cuales representan el 20% de los costos de producción (Fedearroz, 2012) y cuyo precio, en especial la fertilización nitrogenada, ha duplicado su precio en la última década debido a la fluctuación del precio del petróleo (USDA, 2012). Los fertilizantes nitrogenados presentan una baja asimilación (50%), lo que genera problemas ambientales como la eutroficación de aguas, la producción de gases de invernadero como N2O, NO y NH3 como lo mencionan (Kennedy et al., 2004; Adesemoye et al., 2009) y problemas en salud humana que van desde enfermedades respiratorias hasta la generación de enfermedades cancerígenas según, (Ladha y Reddy, 2003). Por otra parte, el crecimiento de la demanda alimenticia por el arroz ha sobrepasado el crecimiento de la producción del arroz en las últimas décadas, esto ha

conducido a la disminución de reservas de arroz y limitaciones de exportación del grano por lo que es necesario aumentar la producción mundial por área sembrada, como lo plantea (Seck et al., 2012)

Una estrategia para aumentar la competitividad del

sector arrocero es la incorporación de biofertilizantes de cianobacterias. Esta estrategia es ambientalmente amigable ya que permite reducir la aplicación de fertilizantes nitrogenadas hasta en un 50% según, (Prasanna et al., 2012; Pereira et al., 2009), aumentar la asimilación de nutrientes en la planta, incrementar entre el 15-20% la producción de grano de arroz bajo condiciones de campo según, (Innok et al., 2009) y mejorar la calidad del suelo así como lo mencionan (Jha y Prasad, 2006; Roger y Kulasooriya, 1980). Igualmente, el uso de cianobacterias permite la captación de gases de invernadero como el CO2 y la producción de O2 dice (Herrero y Flores, 2008) y hacer bioprospección de nuestros recursos biológicos. Esta estrategia aún no ha sido implementada en nuestro país como una alternativa del manejo de la fertilización en este cultivo a pesar de los numerosos reportes en países asiáticos como lo plantea (Hashem, 2001) y algunos países de Suramérica (Pereira et al., 2009).

Sharma et al., 2011, dice que el potencial de las

cianobacterias como biofertilizantes en arroz obedece a su capacidad para fijar N2 (síntesis de azucares por fijación de CO2, producir una gran variedad de metabolitos secundarios como vitaminas, antibióticos y antifúngicos, múltiples mecanismo de promoción como la solubilización de fósforo según, (Rai y Sharma, 2006), producción de sideróforos y reguladores de crecimiento (Prasanna et al., 2008), mínimos requerimientos nutricionales para su crecimiento, rápidas tasas de crecimiento y exigentes condiciones de luminosidad como las del trópico afirman (Herrero y Flores, 2008), alta competitividad por la tolerancia a altas temperaturas, radiación UV, desecación, estrés salino y hídrico , lo que le permite mantener una alta diversidad y abundancia en agroecosistemas como el arroz. (Mishra y Pabbi, 2004) aseguran que incluso, la aplicación de cianobacterias de forma consecutiva permite mejorar la calidad del suelo y el establecimiento de estas en cultivos como el arroz. Área de estudio

Este trabajo se desarrolló principalmente en la zona

sur del departamento de la Guajira, en los municipios de

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Fonseca y Dibulla, donde los cultivos herbáceos extensivos han crecido por lo menos en los últimos 30 años, los cuales son lugares estratégicos que presentan las condiciones para el crecimiento de cianobacterias y la producción de arroz. El caribe norte representa el 6.8% de la superficie sembrada de arroz, el 7.0% de la producción nacional y reporta rendimientos promedios de los últimos 10 años de 4.6 ton ha-1, muy inferiores a los reportados para la zona central de 6.2 ton ha-1 según (Fedearroz, 2012).

Este tipo de brechas en superficie sembrada y

rendimiento de grano se podrían disminuir con la implementación de cianobacterias ya que además de las características descritas tienen la capacidad de decrecer entre un 25-30% la salinidad de los suelos como lo plantea (Thomas, 1977 ), mejorar el contenido de materia orgánica, la capacidad de retención de agua y la erosión del suelo . (Choudhury y Kennedy, 2004) lo que podría permitir expresar el mayor potencial de producción de las cultivariedades de arroz o el establecimiento de cultivariedades de alto rendimiento según, (Minhas y Grover, 1999).

Cianobacterias fijadoras de nitrógeno. Las cianobacterias son procariotas pertenecientes al Phylum Cyanobacteria, poseen un sistema fotosintético muy similar a los eucariotas. Pueden ser unicelulares, existir como colonias o formar filamentos. Por lo general, las cianobacterias filamentosas tienen células especializadas llamados heterocistos, células redondas y con aspectos de estar más o menos vacías, que se encuentran distribuidas regularmente a lo largo del filamento o en un extremo del mismo y su función es la fijación de nitrógeno a través de la enzima nitrogenasa. De un 5 a 10% de células, pueden convertirse en heterocistos según, (Garbisu et al., 1999; Franco, 2004). Muchas cianobacterias, poseen la doble capacidad de fijarcarbono y nitrógeno ya que los toman de la atmósfera en donde se encuentran en forma de gases CO2 y N2, esta característica les permite desarrollarse sin problema en suelos pobres en nitrógeno. Otra gran ventaja que presentan las cianobacterias, es que tiene una amplia distribución, desde los fríos ambientes de la Antártica y el Ártico, hasta en áridos y cálidos desiertos del planeta. Se conoce que los agregados de cianobacterias, contribuyen a cementar los suelos en una capa que resiste al viento y la fuerza de arrastre del agua, proporcionan

una excelente retención de la humedad y son una fuente de materia orgánica . En suelo descubierto de vegetación las cianobacterias ayudan a la protección y estabilización de agregados disminuyendo la erosión de suelos. Las cianobacterias son de gran importancia ecológica, ya que actúan como colonizadoras de suelos quemados, erosionados y degradados donde se desarrollan a partir de sales, agua y luz como lo plantean (Iglesias y Montero, 2005). Según García (2005) las cianobacterias pueden actuar como:

Biofertilizantes de arrozales, por inoculación con helechos flotantes como Azolla conteniendo la cianobacteria Anabaena la cual proporciona una fijación simbiótica de nitrógeno.

Bioestimulantes obtenidos de extractos líquidos de Spirulina o de microalgas.

Estructurador de suelos, por aplicación de microalgas vivas.

Biofertilizante, por inoculación al suelo de cianobacterias fijadoras de nitrógeno de manera no simbiótica.

Las técnicas de fertilización empleando cianobacterias más conocidas en el mundo son dos: la simbiosis Azolla-Anabaena y con cianobacterias vivas inoculadas al suelo. En 1972 Venkataraman denominó a esta técnica algalización, basada en la inoculación de cianobacterias fijadoras de nitrógeno. Biofertilizantes un beneficio para la agricultura

Dada la prioridad de aumentar las respuestas de la agricultura para la alimentación humana disminuyendo el uso de agroquímicos, las investigaciones se han orientado hacia el desarrollo de nuevas biotecnologías. La ciencia moderna nos ha permitido comprender de qué manera ocurren procesos como el de aprovechar las bacterias del suelo para convertir el nitrógeno atmosférico en nitrógeno asimilable para las plantas y ha facilitado el desarrollo tecnológico que ha hecho posible la introducción de nuevos productos a la agricultura y a la biotecnología. En la era actual, en que se pone énfasis en el manejo responsable del suelo y en la sostenibilidad medioambiental, el uso de inoculantes constituye un aspecto verdaderamente promisorio (Mark et al., 2002). Estos beneficios a más de ser esenciales para el funcionamiento de ecosistemas naturales, consisten en un

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importante recurso para el manejo sustentable de los sistemas agrícolas (FAO, 2007). La necesidad de los productores agrícolas de elevar al máximo su producción y de mejorar la calidad de su producto sumado al elevado costo de la fertilización, presentan a la inoculación o biofertilización, como una herramienta útil que puede complementar al sistema productivo según, (Ghosh, 2002; Medina y León, 2004). La gran variedad de especies bacterianas que pueden utilizarse para la elaboración de inoculantes es tan abundante como los beneficios que se pueden obtener con su utilización (Cossoli et al., 2008). Los biofertilizantes facilitan la captación de nutrientes, producen fitohormonas que favorecen el enraizamiento, protegen a la planta frente a patógenos, degradan sustancias tóxicas y mejoran la estructura del suelo (Vessey et al., 2003 Padhi y Swain, 2001). Se conoce un gran número de bacterias de vida libre o asociativa que se destacan por su potencial como biofertilizantes (Morte et al., 2004; Santillana, 2006). Los fertilizantes biológicos son biopreparados basados en microorganismos propios del suelo o de las plantas, pero en tasas de población mucho más altas de lo que normalmente se encuentran en la naturaleza, estos cultivos microbianos son multiplicados artificialmente a nivel de laboratorio inicialmente, para ser probados en diferentes especies de plantas en el invernadero, usando diferentes concentraciones celulares para encontrar la más efectiva, midiendo parámetros tales como biomasa seca, altura de planta, área foliar, entre otros, y en caso de obtener resultados positivos se realizan ensayos en campo para que posteriormente pueda ser producido a escala industrial, plantean (Ghosh, 2002; Medina y León, 2004). En esta investigación se propagaron las cianobacterias en el laboratorio y fueron probadas sobre plantas de arroz a nivel de parcelas experimentales. En una segunda etapa estas cepas serán evaluadas a nivel de campo. Fijación Biológica de Nitrógeno

El nitrógeno gaseoso representa aproximadamente el 80% de la atmósfera terrestre. El nitrógeno es una de las claves globales de la producción agrícola, se estima que de 150 a 200 millones de toneladas de N2 son requeridas cada año por las plantas dentro de los sistemas agrícolas, para producir el alimento mundial, alimento para

animales y productos para la industria. Para cumplir en parte esta demanda 100 millones de toneladas de nitrógeno son fijadas anualmente vía industrial mediante el proceso de Haber Bosch. (Unkovich et al., 2008).

METODOLOGÍA

Se realizó una determinación cualitativa y cuantitativa de las cianobacterias presentes en muestras de agua de los cultivos de arroz del departamento de la Guajira para su posterior aislamiento y propagación.

1. Caracterización agrícola de fincas arroceras de la Guajira.

Antes de realizar los muestreos se realizaron entrevistas a agricultores de los municipios de Dibulla y Fonseca en el Departamento de la Guajira para caracterizar los cultivos arroceros de estas zonas. Esta zona es de clima cálido y seco, con precipitaciones promedio de 1.000 mm y temperaturas superiores a 24 ºC, lo cual hace que el clima sea deficiente en agua debido a los elevados valores de evapotranspiración. Estas fincas manejan cultivos de tipo arroz secano. Para Dibulla se cultivan unas 500 ha de arroz y para Fonseca unas 3000 ha.

2. Muestreo Se muestrearon 6 lotes arroceros del departamento de la Guajira, en los municipios de Dibulla y Fonseca. (Ver figura 1). Primer muestreo: se muestrearon 3 lotes arroceros en el municipio de Dibulla. De cada lote se tomaron 3 muestras integradas de plantas de arroz entre 40-55 días después de emergencia. Estas plantas fueron arrancadas de raíz y el exceso de suelo se eliminó por agitación suave (Ver figura 1). En el segundo muestreo se visitaron 3 fincas en el municipio de Fonseca. Las muestras se obtuvieron por raspado del sustrato, según la metodología descrita en (Hashtroudi et al., 2013). Igualmente se tomaron 3 muestras de agua superficial de 250ml en tres puntos de cada finca según se indica en (Pereira et al., 2009) (Ver figura 2).

Figura1. Muestreo en cultivo de arroz

Figura2. Muestreo por raspado

Fuente: Elaboración propia

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3. Aislamiento y conservación Las cianobacterias utilizadas en este estudio se obtuvieron de muestras de tapetes microbianos de los cultivos de arroz.

El material colectado en campo se resuspendió en 30 ml de medio liquido BG 11 con 100 g/ml de ciclohexamida, los cultivos se dejaron en incubación por un periodo de 7 días bajo fotoperiodo 12:12 y la iluminación de 200 Em-2s-1. Como menciona Hashtroudi, et al., 2013) según describe (Stanier et al., 1971; Andersen y. Kawachi, 2005). Igualmente se realizaron montajes para observaciones en el microscopio a escala de 40X (Ver cuadro 1).

Fuente: Elaboración propia

La especie más abundante y de mayor tasa de crecimiento fue purificada y caracterizada morfológicamente mediante claves taxonómicas. Esta especie fue identificada como Arthrospira sp. Los cultivos mono-axénicos de las cianobacterias se

conservaron en 6 cajas de Petri y 6 medio líquido en tubo de ensayo según describe (Day, 2007).

4. Propagación.

Posterior al aislamiento de la Arthospira sp, se escaló mediante el incremento progresivo de medio de cultivo Zarrouck (1966). Se partió de un volumen de 0,5 ml, hasta alcanzar un volumen 30 l una alta densidad celular de 0,9 Abs a 680 nm. Este proceso tuvo una duración de 30 días. Cultivo en Erlenmeyer: Se inocularon 10ml de muestra en un matraz de 250 ml que contenía 100 ml de medio de cultivo durante 8 días hasta una densidad óptica de 0,9 Absorbancias (680 nm) bajo condiciones controladas de luz y fotoperiodo. La temperatura de cultivo, osciló entre los 26 a 30 °C, el pH estuvo entre los 9 a 10,5 y la salinidad se situó en 4%. Los cultivos permanecieron a una distancia de 15-20 cm de las lámparas fluorescentes de 80 W. El cultivo llego a su máxima producción a los 12 días de cultivo.

Cultivo en fotobiorreactores de un litro: Los cultivos de Arthrospira sp se realizaron en fotobiorreactores de un litro a partir de 500 ml de medio de cultivo a una temperatura de 30 ± 2 °C, con aireación constante, fotoperiodo de 16:8 h y pH 9,5. La iluminación se suministró por lámparas fluorescentes laterales que proporcionaron la misma intensidad de luz a todos los cultivos. Cultivo en fotobiorreactores de 30 Litros: Los inóculos de un litro se depositaron en un fotobiorreactor de 30 l en una proporción de 50% de inóculo y 50% de medio de cultivo. Los botellones fueron mantenidos en la zona de cultivos outdoor oscilando entre 30 - 35 °C, con aireación constante, fotoperíodo de 12:12 h y con pH entre 9,5 – 10,5. (Ver cuadro 2. Proceso de escalado). El proceso de escalado se realizó en el laboratorio de la Fundación Terrazul.

a.Gloeocapsa sp.

b. Arthrospira sp.

c. Rivularia sp. d. Rivularia sp.

e. Arthrospira sp. f. Nodularia sp.

Cuadro 1. Aislamiento de cianobacterias

44

5. Mantenimiento de cepas monoalgales de

Arthrospira sp La manera más común para conservar cultivos de

microalgas es mantener estos continuamente bajo condiciones ambientales controladas. Rutinas de subcultivos en serie es llevado a cabo usando técnicas asépticas, que consiste en transferir un inoculo de la fase exponencial final dentro de medio fresco esterilizado. Esto origina cultivos metabólicamente activos que pueden ser usados en tiempos cortos. Por lo tanto, las cepas están dispuestas en tubos de ensayo con capacidad de 20 ml en medio de cultivo Zarrouck con un pH entre 9 a 10 a una temperatura de 25 ºC. Se cultivan a una distancia de 15-20 cm de las lámparas fluorescentes de 80 W, proporcionando un nivel de iluminación de la superficie de cultivo de 5 250 lux.

6. Actividad promotora de crecimiento de la

cianobacterias en parcelas experimentales.

Los aislamientos fueron evaluados a nivel de parcelas experimentales para determinar la actividad promotora de crecimiento vegetal en plantas de arroz. Para ello se realizaron dos experimentos en parcelas de un tamaño de 1 m2. Las semillas de la variedad Fedearroz 2000 fueron embebidas en agua por 24h. A los 15 días de sembradas las semillas se hicieron los siguientes tratamientos: Tratamiento 1: La parcela inoculada con 800 ml Arthrospira sp fresca a una concentración de 0,9 g/l. Tratamiento 2. Esta parcela recibió el mismo manejo del tratamiento 1 pero no fue inoculada. Parcela Testigo. Tratamiento 3: La parcela 3 no inoculada fue fertilizada con UREA a una concentración de 10%. Tratamiento 4: La parcela 4 fue inoculada con Arthrospira sp inactiva a una concentración de 0,9 g/l. La cepa fue inactivada al someter la biomasa a 90ºC por 5 min. Las inoculaciones se hicieron de forma directa en el suelo. La parcela testigo no tenía cianobacterias. Las parcelas experimentales se desarrollaron en las instalaciones del Centro Agroempresarial y Acuícola sede Riohacha. El Sistema de riego empleado fue estático, para mantener la humedad en el cultivo. A los 45 días de crecimientos se determinó el peso seco de raíz y vástago. La altura de las plantas se realizó semanalmente. Se analizó una muestra compuesta de 3 plantas respetando la proporcionalidad del peso de cada planta, en cada una de las parcelas. En las figuras 4 y 5 se muestra el crecimiento en cada una de las parcelas. La Tabla I muestra los pesos secos de las parcelas que determinan la promoción de crecimiento de las plantas de Arroz. Ver figura 3.

.

a. Cultivo en tubo inclinado

b. Culivo en placa

c.Escalamiento a erlenmeyer

d.Cultivo en erlenmeyer

e. Cultivo en fotobiorreactor de 1

Litro

f.Cultivo en fotobiorrectoers de 30

Litros

Figura 3. Parcelas experimentales

Cuadro 2. Proceso de escalado de la cyanobacteria Arthrospira sp.

Fuente: Fundación Terrazul 2013

Fuente: Elaboración propia

45

RESULTADOS Y DISCUSIONES Identificación de cianobacterias

Se identificaron cuatro especies de cianobacterias, basado en sus descripciones microscópicas y aspectos morfológicos (Cuadro 1). El género más frecuentemente aislado e identificado fue Arthrospira sp con 65% (Figura b y e), seguido de Rivularia sp 21% (Figura c y d), Gloeocapsa sp 9% (Figura a) y Nodularia sp 5% (Figura f).

Crecimiento en parcelas experimentales

Luego de realizar una breve descripción de cada uno de los tratamientos que se le hicieron a las plantas de arroz para evaluar su crecimiento con y sin la cianobacteria en estudio, se identificaron criterios de comparación como se muestra en el figura 4 y 5.

Se logró establecer con este estudio las ventajas y desventajas de cada uno de los tratamientos y la facilidad de obtener un método de comparación más

fácil, no destructivo. También se pudo observar que las parcelas con Arthrospira frescas tuvieron un cambio de color, las plantas se tornaron amarillas. Las parcelas con urea y la que se inoculo con Arthrospira inactiva lograron mantener su color verde y con mayor crecimiento que la parcela testigo. Ver Tabla I.

Tabla I. Mediciones de los parámetros de crecimiento vegetal. Tratamientos: control sin inocular, con urea, con Arthrospira fresca y Arthrospira Inactiva

Parcela Testigo Parcela con urea Parcela inoculada con Arthrospira fresca

Parcela inoculada con Arthrospira Inactiva

Parámetros S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3

Raíz (cm) 8,0 7,0 7,0 10,0 8,0 8,0 8,0 10,0 7,0 8,0 5,0 10,0

Tallo (cm) 20,0 21,5 19,0 34,0 39,0 30,0 18,0 21,0 19,0 18,0 17,0 16,0

Peso húmedo (mg) 256,7 243,1 207,9 786,2 811,4 486,9 777,6 639,1

352,8 342,3 281,5 238,0

Peso seco (mg) 154,0 138,2 82,4 174,9 136,4 92,4 292,2 163,9 64,0 66,6 46,6 20,8

Peso seco con respecto al testigo % 40,1 9,2 -26 134 31,3 -48,7 -46,7 -62,7 -83,3

S: Semanas. La parcela testigo no tenía cianobacteria, ni estaba fertilizada. La parcela con Arthospira inactiva consistió en aumentar la temperatura a 95ºC.

Figura 4. Crecimiento promedio semanal de las plantas de arroz en diferentes concentraciones

46

En la figura 5. Se muestran los resultados de los ensayos realizados con los diferentes tratamientos dados a las parcelas experimentales. De modo general, no hubo un crecimiento significativo comparado con la parcela testigo o control sin inocular, aunque es necesario tener en cuenta para la continuidad de la siguiente etapa, la interacción planta – microorganismo para describir con mayor exactitud el beneficio de cada tratamiento en particular.

CONCLUSIONES No existen evidencias que soporten que la inoculación

de la Arthospira en plantas de arroz promueva su crecimiento vegetal bajo las condiciones de este ensayo. Desconocemos sì el tiempo de evaluación fue muy corto, sì la concentración del inoculante fue el adecuado, sì la fertilización puede determinar el efecto de la inoculación.

Es necesario desarrollar más experimentos para

modular la respuesta del inoculante frente a la promoción de crecimiento del arroz.

Es necesario evaluar nuevos aislamientos para

determinar su potencial en la promoción de crecimiento vegetal en arroz.

RECOMENDACIONES Con el objeto de continuar con el desarrollo de un

biofertilizante, es necesario seguir con algunos de los aislamientos, mezclas o consorcios como promotores de crecimiento vegetal como futuros inoculantes, es importante establecer que mecanismos de acción están involucrados en la promoción de crecimiento vegetal de los consorcios no definidos y las cepas aisladas, por lo que se recomienda evaluar sí la producción de reguladores de crecimiento como giberelinas y citoquininas u otro mecanismo en particular podrían estar interviniendo en la promoción de crecimiento vegetal.

En este trabajo se encontró que las inoculaciones

individualmente no presentaron efecto en la promoción de crecimiento. En este sentido se podría establecer sí algunos mecanismos de promoción de crecimiento como la producción de reguladores de crecimiento vegetal cambian cuando el microorganismo actúa individualmente o en mezcla.

En general, el aislamiento y los tratamientos

evaluados en campo no mostraron promoción de crecimiento por lo que se recomienda el desarrollo de una formulación que confiera más estabilidad y permanencia al inoculante en campo. Igualmente, es necesario determinar un plan de manejo integral del inoculante que incluya la combinación de la fertilización inorgánica y orgánica para suplir las demandas nutricionales de la planta y mejorar indicadores de calidad de suelo según la cultivariedad y tipo de suelo que se piense emplear.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por el SENA a través del Concurso de Nano, Micro Biotecnología 2013 -2014. Agradecemos a la Fundación TERRAZUL por el escalamiento de la cianobacteria. Igualmente a los aprendices Peralta, Torres y Rodríguez por su apoyo técnico durante los ensayos .

REFERENCIAS DAY JG. (2007). Cryopreservation of microalgae and

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Figura 5. Comparación de las mediciones de los parámetros de crecimiento vegetal vs

tratamiento

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48

Determinación preliminar de metabolitos de alto valor agregado (ácido láctico, ácido acético, etanol) en una bebida funcional de

panela fermentada con kéfir de agua nativo. Gaviria Maria Isabel1, Guzman Ruth Marleny2, Muñoz Laura Jassiel3.

I. Ingeniera biológica, Tecnoparque Sena nodo Medellín. isabelita867@misena.edu.co II. Aprendiz Sena Centro Tecnológico de Gestión industrial (CTGI). ruthguzman667@gmail.com

III. Ingeniera de Alimentos, Grupo de Investigación Bioali, Universidad de Antioquia. laurajassiel1583@gmail.com

Resumen Los gránulos de kéfir son un consorcio microbiano

constituido por bacterias ácido lácticas, bacterias ácido acéticas y levaduras embebidas en exopolisacáridos; El kéfir de agua se utiliza como inóculo para fermentar agua de panela obteniendo una bebida carbonatada, alcohólica y acida. Objetivo: determinar los metabolitos de alto valor agregado (ácido láctico, ácido acético, etanol) en la bebida fermentada de panela con kéfir de agua nativo por las técnicas de cromatografía gaseosa y cromatografía liquida de alta resolución. Métodos: para la determinación de metabolitos se utilizó: cromatografía líquida de alta eficiencia y cromatografía gaseosa. Para la observación de grupos microbianos se utilizó tinción de Gram. Resultados: Se obtuvo fermentaciones con contenidos de: Ácido láctico: 643.2407115 (ppm), ácido acético: ND y etanol: 0.45264318 (%v/v). Conclusión A un tiempo de 48 horas a las condiciones de fermentación utilizadas en este experimento se puede decir que el bioproceso es incompleto.

Abstract The kefir grains are a microbial consortium of lactic acid bacteria, acetic acid bacteria and yeasts embedded in exopolysaccharide; Kefir water is used as inoculum to ferment sugar water getting a carbonated, alcoholic and acidic drinks. Objective: To determine the high-value metabolites (lactic acid, acetic acid, ethanol) in the fermented drink kefir native brown sugar with water by the techniques of gas chromatography and high resolution liquid chromatography. Methods for determination of metabolites was used: high efficiency liquid chromatography and gas chromatography. For the observation of microbial groups Gram stain was used. Results: Fermentations were obtained with contents of: lactic acid: 643.2407115 (ppm), acetic acid and ethanol ND: 0.45264318 (% v / v). Conclusion In a time of 48 hours the fermentation conditions used in this experiment can be said that the bioprocess is incomplete.

Palabras claves: kéfir, consorcio microbiano, acido láctico, bebida funcional.

I. INTRODUCCIÓN

Los gránulos de kéfir de agua son una comunidad microbiana conformada por una estructura exopolisacárida donde conviven en simbiosis diversos microorganismos (bacterias ácido lácticas, bacterias acéticas y levaduras) que crecen y fermentan mejor en un ambiente microaerófilo o anaerobio [1]. Los metabolitos producidos en la fermentación tienen aplicaciones industriales importantes; el ácido láctico es usado como acidulante conservante en la industria alimentaria y otras numerosas aplicaciones en industrias farmacéuticas, del cuero y textiles [2]. El etanol es usado en

la elaboración de bebidas alcohólicas, como solvente químico industrial, en la industria cosmética, como agente desinfectante en aplicaciones médicas y como combustible [3]. A pesar de las múltiples aplicaciones en diferentes industrias, el gránulo de kéfir impacta directamente el sector alimenticio en donde ha sido usado desde hace varios años de forma empírica y recientemente con mayor tecnología para conservar por más tiempo bebidas como la leche y algunos extractos de frutas, encontrando que además otorga beneficios adicionales a la salud del tracto digestivo, como su efecto antagónico comprobado contra bacterias de los géneros Salmonella sp y Shiguella sp, unos de los principales patógenos en alimentos [4]. Por lo anterior, en conjunto entre Tecnoparque SENA nodo Medellín y el grupo de Biotecnología de alimentos de la Universidad de Antioquia se han venido desarrollando varios proyectos en el tema de productos fermentados con kéfir e incluso el aprovechamiento de la biomasa como cultivo starter (iniciador) o suplemento biológico. El presente trabajo tiene como objetivo principal establecer una caracterización preliminar mediante el uso de técnicas cromatográficas, de los principales metabolitos producidos durante la obtención de una bebida funcional probiótica a base de panela; se usó la panela como sustrato debido a su carácter tradicional y alto valor nutritivo, que la hace uno de los productos de mayor consumo en todos los estratos socioeconómicos y representa una oportunidad de llevar un producto con mayor valor agregado y carácter probiótico a un amplio sector de consumidores.

Fig 1. Gránulo kéfir de agua visto al estereoscopio

49

II. METODOLOGÍA

Microorganismo Los gránulos de kéfir de agua utilizados en el presente

estudio fueron proporcionados por el grupo de investigación BioAli (Biotecnología en Alimentos: grupo de investigación adscrito a la Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia). Los gránulos se reactivaron tomando 700g de estos y se llevaron a 2 litros de solución de panela al 10% p/p dejando fermentar por 24 horas en frasco hermético de vidrio con escape de gas a temperatura ambiente (25°C).

Se observaron los diferentes grupos microbianos mediante la técnica tinción de Gram en un microscopio de fluorescencia marca CARL ZEISS en campo claro a 50x, haciendo seguimiento durante la fermentación a 4 litros.

Medio de cultivo

Para obtener una bebida de carácter tradicional pero con mayor valor agregado, se usó panela en polvo adquirida en empresa de la ciudad de Medellín; esta fue empleada en cada uno de los experimentos, diluyéndose con agua potable a una concentración de 103,83 g/L.

Ensayos de fermentación

Ensayos a 4 Litros

En estudios previos se determinó que la producción de los principales metabolitos de interés en matraz era estimulada por cultivos estáticos debido al carácter anaerobio del consorcio microbiano; por tal razón, para determinar la estabilidad del cultivo se realizaron 12 corridas en estático usando un recipiente a escala de 4 litros sellado herméticamente con escape de gas para propiciar una atmosfera anaerobia sin agitación y a temperatura ambiente, durante un tiempo de fermentación de 48h. La concentración inicial de biomasa e n peso húmedo fue de 90 g/L (9% p/v); la panela usada como sustrato se agregó a una concentración de 10,4 %p/v. En este paso, y dado que el diseño experimental se trata de un simple monitoreo de las variables respuesta (pH final, Brix final) al mantener constantes el pH inicial y Brix inicial, se hará solo un cálculo de media y varianza. Con los resultados obtenidos en este ensayo, se propondrá un diseño experimental con concentración de fuente de Carbono como factor con varios niveles de estudio y el contenido de los diferentes metabolitos (Acido láctico, acético y Etanol) como variables respuesta, lo cual nos permitirá ajustar los datos a un modelo de optimización según las características organolépticas de la bebida deseada (mayor o menor contenido alcohólico y capacidad astringente).

Teniendo clara la estabilidad del cultivo frente a la condiciones de fermentación, se realizó una cinética de crecimiento acoplada a la producción de metabolitos en

volumen de 4 litros y a las mismas condiciones experimentales del ensayo anterior; se tomaron muestras cada 24h durante 4 días para monitoreo de los metabolitos de interés por cromatografía y producción de biomasa.

Ensayos a 11 litros Se usó un biorreactor New Brunswick modelo Bioflo con volumen de trabajo a 11 litros; se mantuvo la cantidad de inóculo y fuente de Carbono a 9% p/v y 10,4% p/v respectivamente; se usó la mínima agitación del sistema (50 rpm) para garantizar la mezcla de nutrientes y se monitoreó la producción de los principales metabolitos de interés (Acido láctico, acético y Etanol) por medio de cromatografía.

Métodos analíticos

El seguimiento a la producción de biomasa en 4litros se realizó mediante análisis de peso seco, filtrando el grano del recipiente y secándolo a una temperatura de 60°C por 24h.

Las técnicas cromatográficas fueron usadas con el fin de caracterizar preliminarmente la bebida obtenida y enfocar el posible mercado. La producción de ácido láctico y ácido acético fue determinada por el método de cromatografía liquida de alta eficiencia con Cromatógrafo Thermo Scientific Accela 600 con columna C18, mediante el método descrito por S. De Baere [6]. La producción de etanol fue determinada por cromatografía gaseosa Shimadzu modelo GC-2014. El seguimiento de la fermentación se realizó mediante la medición de pH con un potenciómetro marca HACH y grados Brix con un refractómetro automático marca ATAGO.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Ensayos a 4 litros

De la tabla 1 se puede inferir que a las 48h de fermentación se dá una producción de ácidos considerable, dado el descenso de pH, aunque este se estabiliza en un valor promedio de 3,42 el cual aún es tolerable por los microorganismos especialmente para las bacterias acéticas. Por lo contrario el consumo de azúcares de acuerdo a los grados brix indica que aún queda sustrato por metabolizar que puede ser biotransformado por otros grupos microbianos (levaduras y bacterias acéticas) en productos como etanol y ácido acético.

TABLA 1: SEGUIMIENTO GRADOS BRIX Y PH EN FERMENTACIÓN A 48H

corridas Ph inicial Ph final Brix inicial Brix final

1 4,81 3,55 9 4

2 4,77 3,5 9 6

3 4,68 3,47 9 6

50

4 4,53 3,51 9 4,7

5 4,57 3,4 9 6

6 4,43 3,44 9 6

7 4,77 3,46 9 4,7

8 4,6 3,45 9 6

9 4,72 3,4 9 6

10 4,87 3,34 9 4,7

11 4,47 3,33 9 6

12 4,79 3,33 9 6

13 4,58 3,36 9 5

14 4,48 3,4 9 4,7

15 4,61 3,29 9 6

16 4,65 3,48 9 6

Media 4,64 3,42 9 5,49

Varianza 0,018 0,0056 0 0,504

En cuanto a la cinética de crecimiento y producción de metabolitos, en la figura 2 se puede observar que el pico de máxima producción de biomasa (día 2) no está acoplado a los de máxima producción de Etanol, ácido láctico y acético que se da en el día 3; sin embargo se puede ver la producción continua de dichos metabolitos desde el día 1 cuando el microorganismo se encuentra en fase exponencial, indicando que pueden estar parcialmente acoplados al crecimiento. Los dos metabolitos de mayor producción son el etanol y el ácido acético. Se puede concluir que para el caso de una bebida funcional probiótica el tiempo óptimo de fermentación son dos días, ya que en ese momento se presenta la máxima concentración de microorganismos probióticos, así como una buena cantidad de ácido láctico y la cantidad de ácido acético es un poco mayor que la de etanol, otorgándole a la bebida una ligera acidez y capacidad astringente.

Fig 2. Datos de peso seco (-

) en el tiempo a 4litros.

En el análisis cromatográfico se encontró presencia de los picos representativos para Etanol y Ácido láctico (Figuras 3 y 4).

Fig.3cromatograma ácido láctico

Fig.4 Cromatograma Etanol

La producción de ácido acético no fue inicialmente

detectada debido a algún tipo de error experimental en el procesamiento de las muestras para cromatografía que se pudo superar en réplicas posteriores.

Por último se realizó un seguimiento mediante tinción de

gram durante los 4 días de la fermentación, encontrando diferencias marcadas entre del día cero y el día 2, en cuanto a los grupos morfológicos observados; en este sentido, el estado inicial del grano presenta mayor cantidad de bacilos y algunos cocos, morfologías típicas de las bacterias ácido lácticas y acéticas, mientras que a las 48h la predominancia de las levaduras es evidente y coincide con la máxima pendiente del tramo linear en la producción de etanol observada en la figura 2.

Fig.5: kéfir de agua vista al microscopio en BF a 50x. 0 horas.

51

Fig.6: kéfir de agua vista al microscopio en BF a 50x luego de 48h. Ensayos a 11 litros En la figura 7 se muestran los resultados del seguimiento

en la fermentación a 11 litros. Se puede observar que la cinética de producción de metabolitos se conserva con su pico en el día 3 así como la concentración de ácido láctico y acético (1000 ppm y 2000 ppm respectivamente); sin embargo la producción de etanol se incrementa en más de un 400%, indicando que el cambio de escala y probablemente la agitación aunque leve, pudieron tener influencia en que prevalezca la población de levaduras por encima de los demás géneros bacterianos, afectando principalmente a las bacterias ácido lácticas que son anaerobias. También se observa como la concentración de ácido acético empieza a incrementarse a partir del día 3, lo que coincide con el metabolismo de las bacterias acéticas que metabolizan el etanol para producirlo.

Estos resultados evidencian la necesidad de realizar un diseño experimental en pro de la optimización de una bebida con carácter no tan alcohólico y por ende de consumo en más grupos poblacionales, así como el establecer criterios de escalado confiables que permitan la aplicación industrial del proceso. Se aconseja realizar nuevos ensayos a nivel de 11 litros pero sin agitación, para mantener el equilibrio natural de los microorganismos en el gránulo.

Fig 7. Etanol ( ), ácido láctico ( ) y ácido acético ( ) en el tiempo a 11litros.

A pesar de que este contenido tan elevado de etanol no es

adecuado para los objetivos perseguidos por el presente

trabajo (obtener una bebida funcional) abren camino en la posible utilización del gránulo de kéfir en la producción de etanol con fines industriales. En la figura 8 se observa el cromatograma para el etanol con su pico característico a un tiempo de retención de 4,75 min.

Fig 8. Cromatograma de Etanol y área máxima encontrada a nivel de

biorreactor.

IV. CONCLUSIONES

Existen diferencias morfológicas marcadas a diferentes tiempos de fermentación, encontrando que a 4 litros el gránulo de kéfir inicia con un equilibrio entre sus poblaciones microbianas que rápidamente se desplaza hacia las levaduras.

La producción de etanol es la principal causa del descenso del pH en la fermentación, debido a que es el principal metabolito producido en el proceso.

La obtención de una bebida funcional basada en la fermentación de panela con kéfir de agua parece tener viabilidad técnica; sin embargo se requieren ensayos de optimización tanto a nivel de matraz como de bioreactor para optimizar la bebida en función del mercado y las características organolépticas deseadas por el cliente.

V. AGRADECIMIENTOS

A Tecnoparque - Sena nodo Medellín, al Centro tecnológico de gestión industrial Sena y al grupo de investigación BioAli por su amplia colaboración en el desarrollo de este trabajo formativo.

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Estudio agroecológico de incidencia de compuestos bioactivos de la Familia Loranthaceae en la nanoestructura del hongo Hemileia

vastatrix en Pitalito-Huila Una alternativa para el control de la roya en cultivos de café.

Autor Primera afiliación. Experta: PhD. SOLARTE, Carmen. Química. Universidad del Tolima, carsolarte@gmail.com, 3013061528, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000456381, Ibagué-Tolima.

Autores Segunda afiliación. Esp. ÁVILA, Carolina. Bióloga. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, cavilac@misena.edu.co. 3152939556, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001407033, Pitalito-Huila Esp. BLANCO, Carlos. Ing. Agroecólogo. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructor, carlosblancoro@misena.edu.co.311509020, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000543560, Pitalito-Huila. M.Sc. GASCA, Jemid. Biólogo. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructor, jemigascavargas@misena.edu.co. 3133762125, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000015802, Pitalito-Huila. Esp. PATIÑO, Lina. Microbióloga. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Asesora Tecnoparque, lfpatino40@misena.edu.co, 3156307253, Pitalito-Huila. M.Sc. SANDOVAL, Claudia. Bióloga. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, clsandoval08@misena.edu.co, 3002709376, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000710679, Pitalito-Huila. M.Sc. SILVA, Yesenia. Química/Gestión de la Innovación. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Instructora, yeseniasilva@misena.edu.co, 3133864062, http://201.234.78.173:8081/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000521760, Pitalito-Huila.

Autores Tercera afiliación. DIAZ, Juan Carlos. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. GOMEZ, Karen. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. PEREZ, Andrés. Centro de Gestión y desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tgo. Control Ambiental. Pitalito-Huila. MUÑOZ, Marly. Centro de Gestión y desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RAMIREZ, Jhininson. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RAMOS, María Lili. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RENGIFO, Solangie. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. RODRIGUEZ, Yesica. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. ROJAS, Diego. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila. TOBAR, Yesika. Centro de Gestión y Desarrollo Sostenible Surcolombiano-Aprendiz Tecnólogo en Gestión Sostenible de la Biodiversidad Vegetal, Pitalito-Huila.

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Abstract

Plants of Loranthaceae family are considered to be hemiparasites and have a negative incidence in the economy of coffee plantations. Scientific studies reported secondary metabolites existence with properties of interest for micro-organisms control. This project suggests developing an agro ecological study of the incidence of Loranthaceae extracts in Hemileia vastatrix nanostructure, a phyto pathogenic fungus that causes Roya disease in coffee plantations. Additionally mircopropagation methods will be explored in order to be adapted under nursery conditions where raw materials will be kept safe for further extractions.

Keywords: Loranthaceae, hemiparasite, antimicrobial, secondary metabolites, electron microscopy, Hemileia vastatrix.

INTRODUCCIÓN

Mundialmente, Colombia es considerada uno de los hotspots en biodiversidad. Colombia posee 54871 especies y es el segundo país con mayor diversidad de plantas. Donde las plantas de la familia Loranthaceae hacen parte. Las especies de esta familia son las principales plantas hemiparásitas de la flora tropical junto con otras familias dentro del orden Santalales. Su importancia económica radica en el hecho de considerarse les parasitas de especies de interés económico como cítricos, café, cacao, guamos, guayabos, aguacate, etc [1] la cual es removida de forma manual por los agricultores de los arbustos de café. En Colombia la familia Loranthaceae se encuentra representada con 10 géneros y alrededor de 51 especies [1]. Literatura científica han reportado presencia de metabolitos secundarios en este tipo de plantas hemiparásitas[2]. Los cuales son de sistema defensivo en las plantas. Este tipo de compuestos no han sido investigados en Colombia a partir de plantas de la familia Loranthaceae. Por consiguiente, la actividad química y biológica de estos, representan una fuente alternativa innovadora en el uso agroecológico para el control de otras especies fitopatogenas como el caso del hongo causante de la roya. El hongo Hemileia vastatrix, constituye el agente causal de la roya del cafeto, microorganismo del grupo de los Pucciniomycetes, con tres tipos de esporas; siendo las urediosporas capaces de infectar Coffea spp.; como: Coffea arabica, Coffea canephora y Coffea liberica [3]. H. vastatrix constituye la fitopatología de mayor importancia económica a nivel nacional; dado que el cultivo del café es considerado como el producto agrícola colombiano más importante en el comercio internacional; donde una mínima reducción en el rendimiento o un ligero aumento en los costos

de producción, pueden tener un gran impacto en los caficultores [4]. La roya del cafeto (Hemileia vastatrix), desde los comienzos del siglo XX fue una constante preocupación de los colombianos, hasta cuando arribó al Brasil en 1970. A partir de ese momento, Colombia tomó una serie de acciones orientadas a afrontar la eminente llegada del patógeno [5]. Desde entonces, fitopatologos y fitomejoradores trabajaron en la realización de nuevos cruces con progenitores resistentes al hongo H. vastatrix, con mezclas de la variedad Colombia. Originando diversidad genética de plantas de café. Sin embargo en los años 2007-2008, época de altas precipitaciones en el país, influyó para que la roya aumentara su incidencia de infección alrededor del 10% en café [6]. Lo que permitió ver que el hongo Hemileia vastatrix también originó una variabilidad genética; originando la llegada de una nueva estirpe; detectando un nuevo grupo de Hemileia vastatrix bastante heterogéneo de altos porcentajes en su polimorfismo. De esta manera el hongo H. vastatrix se ha adaptado a nuevos genotipos de cafeto resistentes [7]. Por tanto, el objetivo de este estudio es realizar un análisis preliminar de la relación planta hospedera-Hemiparásita, a nivel histológico y nanoestructural del hongo H. vastatrix, además de sus ambientes agroecológicos en plantaciones de café; realizando la evaluación de los metabolitos secundarios de la planta hemiparásita en el control de H.vastatrix . Con el fin de proporcionar un producto ecológico alternativo a fungicidas tradicionales (químicamente sintetizados), tóxicos que alteran la calidad del café y calidad de vida de los consumidores. Esta propuesta pretende realizar la por un lado la demarcha fitoquímica de los compuestos bioactivos -metabolitos secundarios- que presentan un alto contenido de taninos que se encuentran en depósitos intracelulares del tejido parénquimatico [2]. Entre ellos los taninos condensados como las proantocianidinas y antoncianidinas; y los hidrolizables que son polímeros heterogéneos, formados por ácidos fenólicos simples como el ácido gálico y azúcares simples [8], por otro lado ver la incidencia de los metabolitos secundarios en la estructura nanoestructuras celulares del hongo. Dado que Colombia representa el tercer país con mayor diversidad de la familia de loranthaceae. Se pretende estudiar la interacción agroecológica de metabolitos secundarios presentes en plantas de esta familia encontradas en el sur del Huila, con el fin de evaluarlos, como control biológico en microorganismos - H.vastatrix- [9,10]. Ya que estudios previos en microbiología han reportado que los ácidos tanínicos inhiben el crecimiento de microorganismos, Alterando su metabolismo donde la incidencia del efecto es notoria a nivel estructural. [11]. Lo que representaría una nueva fuente económica de la biodiversidad regional, generando un valor comercial a una planta no valorizada.

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El presente documento hace refencia a los avances preliminares obtenidos hasta la fecha, con la participación de actores quienes ejecutan las actividades de investigación aplicada por la modalidad de formación e innovación por proyectos. Liderada por aprendices e instructores vinculados al proyecto tecnológico –Uso Sostenible y Conservación de la Biodiversidad- en los diversos ambientes de aprendizaje del Centro de Desarrollo Sostenible Sur Colombiano- en Pitalito, Huila.

I. METODOLOGÍA

Procedimientos y Resultados

1. Estudio de la relación agroecológica de la planta hospedera/hemiparásita

realizaron guías de campo para el estudio etnobotánico y conocer la relación café-hemiparásita.

corregimiento Chillurco, vereda Danubio. Se visitaron dos fincas cultivadoras de café variedad Caturra y Castilla. Junto a los aprendices se realizaron dos parcelas de 100m2 por finca con el objeto de conocer relación planta hemiparásita/hospedera (Figura 1). Se hicieron entrevistas semi-estructuradas con el fin de conocer los usos que se les da a la planta hemiparásita de Loranthaceae. Hasta el momento se han registrado dos especies pertenecientes a la familia Loranthaceae presentes en el café (Figura 2) y la comunidad las reconoce como pajarito o matapalo.

Figura 1. a, b. Desarrollo de la parcela de 100m2 para determinar la influencia del pajarito en plantas infectadas con roya. c. Entrevista a cultivadores para conocer el uso de las plantas comúnmente llamadas pajarito. d. Café con roya.

Figura 2. a y b. Especies de la familia Loranthaceae comúnmente llamado pajarito o matapalo. c. Inserción del pajarito en una planta de café. Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de Biodiversidad, Aérea rural municipio de Pitalito, Huila.

2. Análisis de ultraestructuras

Fijación de Material Vegetal Durante la ejecución del presente proyecto se dio inició a establecer la estandarización de protocolos para el análisis y caracterización histológica, que permitirá establecer un patrón de una especie hemiparásita.

Preparación del material vegetal:

Para la obtención de cortes finos es indispensable que el tejido este previamente endurecido: Con el fin de endurecer los tejidos se usaron las técnicas más frecuentes que se empleadas en métodos de inclusión.

El tejido se impregnó en parafina dado que ésta es una sustancia hidrofóbica, llevando a cabo un proceso previo: Los tejidos fijados se deshidrataron por una hora en alcoholes de concentración diferente (50%v/v, 70%v/v, 80%v/v, 90%v/v, 96%v/v y 100%v/v). Posteriormente se pasaron por solventes de polaridad intermediarios como el xileno, el benceno y el tolueno (conocidos como agentes aclarantes). Finalmente fueron sumergidos en parafina fundida y se dejaron solidificar constituyendo bloques histológicos para observación por microscopia de óptica [12]. La parafina se eliminó en un solvente orgánico, de nuevo se incluyen en xilol, y la muestra se rehidrato haciéndola pasar por una serie de graduaciones de creciente de alcohol etílico hasta llegar a una solución 100% de agua. Ya rehidratado se tiño el tejido. Una vez teñido, se deshidrató de nuevo, para que pudiera fijarse de modo permanente el cubreobjetos.

Cortes del material vegetal preparado:

El material vegetal, fue cortado en láminas delgadas empleando un bisturí Nº3, para posibilitar su

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observación con el microscopio óptico y de barrido electrónico para así lograr analizar la relación entre la ultraestructura de la planta hospedera -hemiparásita. Se realizaron respectivas observaciones en microscopia óptica -Microscopio óptico Carl Zeiss Axio Lab A1 50X.-. Que permitió ver los resultados previos de procesamiento de la muestra. Para así posteriormente mejorar detalles de cotes para los posteriores análisis del tejido de la planta hemiparásita y la relación de los ases vasculares para establecer un análisis fisiológico que permita su propagación en laboratorio. La evaluación de las observaciones de estructuras de histología se realizó por microscopia óptica y de urediosporas de Hemileia vastatrix por microscopia electrónica, así como de ultraestructuras de los tejidos y hongos con presiones variables [13]. Seguimiento del proceso infectivo de plántulas de café de diferentes variedades, para monitoreo del desarrollo de Hemileia vastatrix en hojas, ha sido estudiado realizando inoculación de esporas en cámaras húmedas in vitro, a partir de un número inicial de esporas por mililitro del hongo. Al momento ha sido estandarizado el método de propagación in vitro del hongo H. vastatrix efectuando un aislamiento de las esporas mediante raspado superficial de hojas afectadas, mezclando las esporas con agua destilada estéril y almacenando en un frasco de spray previamente desinfectado. Posteriormente se depositaron en cámaras húmedas construidas con servilletas humedecidas con agua destilada estéril, dispuestas en un recipiente de vidrio desinfectado y esterilizado con antelación. El estudio se realizó teniendo en cuenta fotoperiodos y variación de temperaturas (Figura 3).

Figura 3. a. Hongo de la roya H. vastatrix cultivado in vitro en cámara húmeda. b. Observacion de urediosporas de H. vastatrix a 50x El hongo cultivado fue observado por microscopia de fluorescencia a 50X -Microscopio óptico Carl Zeiss Axio. Que permitió ver los resultados previos de procesamiento de la muestra.

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de nanotecnología - Cabina extracción de gases- Microscopio electrónico barrido EVO HD15, Microscopio óptico Carl Zeiss Axio Lab A1.

3. Elucidación de metabolitos secundarios de la planta hemiparásitas. Para lograr la elucidación de los metabolitos fue necesario realizar los siguientes procedimientos descritos a continuación. -Caracterización del material de ensayo según propiedades físicas de las plantas hemiparásitas tabla 1. La planta hemiparásita que se utilizó como material de partida para los procedimientos de extracción y elucidación de metabolitos secundarios debe ser representativa del lote que se inspecciona. Por consiguiente se tuvo en cuenta la toma de la muestra representativa del lote de partida: éste procedimiento, se realizó a dos especies de hemiparásitas (clasificación botánica en proceso) que han sido encontradas hasta la fecha en los muestreos en campo. Posteriormente se llevaron al laboratorio a fin de iniciar los análisis. -Análisis proximal A fin de evitar alteraciones físicas, químicas y biológicas se dio inició con la deshidratación del material vegetal. El material fresco fue segmentado en hojas, tallos, raíz y fruto (figura 4) a fin de efectúa la determinación de humedad relativa aplicando la técnica de deshidratación completa con aire caliente (AOAC 986.21). Posteriormente, el material deshidratado se conservó y almacenó en bolsas plásticas con sierre hermético. en un lugar fresco y preservad de la humedad a fin de ser utilizado como material de partida para los siguiente análisis.

Figura 4. Planta hemiparásita perteneciente a la familia Loranthaceae. a. Planta fresca colectada en campo. b. Hojas deshidratadas. c. Tallos deshidratados. d. Flores deshidratadas.

a b

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Tabla 1. Resultados Propiedades física de plantas hemiparásitas

Los análisis realizados para la determinación de humedad relativa y compuestos volátiles se determinaron porcentajes de humedad relativa para cada tipo de muestra de las dos especies identificadas tabla 2.

Tabla 2. Resultados Humedad relativa para especies de Loranthacea

Los resultados del análisis proximal se determinó inicialmente hallando el contenido de fibra bruta por Digestión según la norma AOAC 920.169, materia grasa por soxhlet por la norma AOAC 963.15, minerales, proteína por el método Kjendhal siguiendo la norma AOAC 920.165, y carbohidratos totales por diferencia de porcentaje al final de hallar los anteriores.

Los resultados reportados en la tabla 3, son datos únicos sin repetitividad de dado que son resultado previos.

Tabla 3. Resultados de Análisis proximal preliminar de dos especies de Loranthaceae.

-Extracción del crudo La extracción de mezcla de taninos condensados e hidrolizables se ha realizado a partir de diferentes partes de la planta hemiparásita como hojas, tallos, raíces y flores. La obtención de ésta mezcla de compuestos proantocianidinas, se realizó por reacción de hidrogenación térmicamente asistida por lo método de reflujo con HCl. Mientras que los ácidos fenólicos simples ser obtuvieron por percolación a temperatura ambiente (Figura 5).

Figura 5. técnicas de extracción empleadas a. hidrogenación termoasistida. b. percolación.

La extracción por reacción de hidrogenación térmicamente asistida por lo método de reflujo, ha mostrado la presencia de color rojo que indica la presencia de proantocianidinas, compuestos bioactivos. Mientras que los extractos obtenidos por percolación a temperatura ambiente, empleando solventes de diferentes polaridades, ha mostrado presencia de coloración verde, que puede deberse a presencia de ácidos fenólicos simples.

-Aislamiento de metabolitos por técnicas cromatográficas empleando inicialmente por Cromatografía en Capa fina TLC utilizando extractos fenólicos obtenidos por percolación (figura 6). Con ello se ha dado inducción a aprendices en esta técnica, que ha permitido avanzar en la selección se solventes para mejorar la separación de compuestos bioactivos que debe dar paso al análisis de éstos por cromatografía en fase Sólida SPE y posteriormente a los análisis por cromatografía de gases.

ESPECIE TIPO DE MUESTRA

ASPECTO

A

Forma Hoja Redonda, gruesa y textura áspera

Color Hoja Verde oscura Longitud Tallo

25 cm aprox.

Color Floración

Verde y naranja

B

Forma Hoja Alargada, delgada y textura lisa.

Color Hoja Verde oscura Longitud Tallo

40 cm aprox.

Color Floración

Verde y blanca

ESPECIE TIPO DE

MUESTRA HUMEDAD

(g/100 g muestra)

A

Raíz 67 Hoja 70 Tallo 48 Flor 64

B

Raíz 63 Hoja 68 Tallo 46 Flor 65

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Figura 6. Análisis de identificación preliminar de compuestos bioactivos por cromatografía en capa fina. a. tratamiento de placas cromatográficas. b. Placas cromatográficas luego de elución y revelado de muestra, evidencia del proceso de avance de identificación de compuestos bioactivos.

-Evaluación de Fenoles totales y la Caracterización del extracto por cromatografía de gases acoplado a masas GC-MS serán ejecutadas, dada a limitantes de reactivos y accesorios específicos que se requieren éstas técnicas para su ejecución.

Ambientes de aprendizaje empleados: Laboratorio de

biodiversidad - Rotaevaporador IKA RV10 BASIC, Horno se secado Drying Oven, mufla Themolyne DVS402, Balanzas analíticas OHAUS.

4. Evaluación de metabolitos en el control biológico

Seguimiento del proceso infectivo de plántulas de café de diferentes variedades, para monitoreo del desarrollo de Hemileia vastatrix en hojas, a través de la inoculación de esporas en cámaras húmedas in vitro e in vivo, a partir de un número inicial de esporas por mL del hongo [15]. Los cuales serán tratados con metabolitos secundarios extraídos de plantas de la familia Loranthaceae. Este mismo seguimiento ser llevará a cabo en plántula jóvenes en variedad caturra y castilla, de alrededor de 6 meses de edad y bajo condiciones de invernadero.

Ambientes de aprendizaje empleados: laboratorio de control biológico y nanotecnología - Microscopio electrónico barrido EVO HD15, Microscopio óptico Carl Zeiss Axio Lab A1, Estereoscopio Nikon Modelo CD-S Cabinas de Flujo laminar Class II y Vivero.

5. Propagación in vitro de plantas hemiparásitas.

Se establecieron clones vegetales mediante cultivo in vitro de plántulas hemiparásitas loranthaceae obtenidos de explantes, donde se emplearon modificaciones del medio de Murashige-Skoog [16]. Para el proceso de esterilización se procedió haciendo desinfección del material vegetal de la siguiente manera:

Se lavó inicialmente con agua y jabón, haciendo cepillados, para luego realizar dos cambios con extran y agua esterilizada, destilada en un volumen de 1/1. Cada cambio por 5 minutos.

Se realizaron dos cambios en 100 mL de agua destilada estéril + 1 gota de tween 80 (1/1000), Cada cambio por 5 minutos. También se utilizo en 100 ml de Hipoclorito de Sodio 5.25 % + 1 gota de tween 80 (1/1000) constante agitación durante 5 minutos.

Finalmente se enjuagó con agua destilada estéril 3 veces. Para la Preparación Del Medio De Cultivo Se utilizaron los siguientes reactivos -macro/micro nutrientes, hormonas y reguladores de crecimiento- mostrados en la tabla 4. Los resultado de los primeros ensayos mostraron un activación metabólica a las siguientes dos semanas de realizado la siembra de los diferentes explantes vegetales (Figura 6). Lo que evidencio un buen rendimiento con las condiciones mostrados en cuanto a la preparación de medios.

Figura 6. Explante de hemiparásita de la familia Loranthaceae cultivado in vitro.

Ambientes de aprendizaje empleados: laboratorio de micropropagación vegetal-biotecnología.

II. RESULTADOS Los avances preliminares del proyecto a la fecha de acuerdo a los resultados esperados, mostraron un avance de aproximado del 35% según lo establecido en el cronograma de actividades, dado alas limitaciones de accesorios y reactivos. En estudio en campo de relación planta hospedera-hemiparásita ha arrojado como resultado el registro de dos especies pertenecientes a la familia Loranthaceae presentes en el café y la comunidad las reconoce como pajarito o matapalo y que se encuentran el etapa de ser clasificadas y herborizadas (figura 2). Además el cultivo del hongo mostró resultados de viabilidad in vitro que permitirían hacer un análisis en condiciones contralada del efecto de metabolitos secundarios de la hemiparasita sobre el hongo para futuros ensayos (figura 3). Los ensayos de análisis proximal permitieron elucidar las diferencias en la cantidad de compuesto que se podrían

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encontrar durante la extracción en cada una de sus partes, dado a la variabilidad de componentes encontrados, como aceites esenciales que son metabolitos secundarios tabla 2 y 3.

La extracción por reacción de hidrogenación térmicamente asistida por lo método de reflujo, ha mostrado la presencia de color rojo que indica la presencia de proantocianidinas, compuestos bioactivos (figura 6b). Mientras que los extractos obtenidos por percolación a temperatura ambiente, empleando solventes de diferentes polaridades, ha mostrado presencia de coloración verde, que puede deberse a presencia de ácidos fenólicos simples. Referente al establecimiento in vitro de plántulas se vio viabilidad para posible establecimiento de un banco de germo plasta de plántulas haciendo sustentable y sostenible de plantas hemiparasitas (figura 6). Por último, los estudios preliminares de este proyecto permite dar continuidad con análisis, para evaluar la incidencia de los metabolitos secundarios en la estructura nanoestructuras celulares del hongo y ver su efecto por técnicas de microscopia electrónica de barrido y microscopia de fuerza atómica. De esta forma, lograr a futuro establecer un producto comercial como control biológico. Amigable con la agroecología sin compuesto de síntesis orgánica, que facilita la contaminación y deterioro de la calidad de ciertos productos como la tasa de café.

Tabla 4. Medio de cultivo para micro propagación de hemiparásitas de la familia Loranthaceae.

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