Adsorção de cádmio e crômio hexavalente por biomassa residual do cultivo de consórcio bacteriano com bagaço de cana-de-açúcar

Abstract

O acúmulo de cádmio bivalente (Cd²⁺) e crômio hexavalente (Cr⁶⁺) em corpos hídricos representa uma ameaça significativa à saúde ambiental e humana. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo investigar a adsorção de Cd²⁺ e Cr⁶⁺ por um biossorvente híbrido inédito. O biossorvente de interesse, denominado material residual do cultivo de um consórcio bacteriano (MRCB), foi obtido a partir da incubação do consórcio em meio de cultivo líquido contendo bagaço de cana-de-açúcar como única fonte de carbono. O desempenho do MRCB foi comparado ao do bagaço de cana-de-açúcar, adotado como biossorvente controle (BC). Ambos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDX), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e pelo ponto de carga zero (PCZ). Todo os ensaios de biossorção foram conduzidos em batelada, a 30 °C e 150 rpm, com três repetições. O efeito dos fatores pH, tempo de contato (t), concentração inicial de Cd²⁺ e Cr⁶⁺ (Co) e dose do biossorvente (CB) foi avaliado, adotando-se delineamento composto central rotacional (DCCR). Os PCZs foram 6,1±0,1(MRCB) e 5,4±0,1 (BC). As micrografias resultantes da MEV apontaram que o BC tem superfície mais íntegra e compacta, enquanto o MRCB tem estrutura mais irregular e porosa, com poros interconectados. Os espectros de FTIR para BC e MRCB exibiram bandas semelhantes, que evidenciaram a presença de grupamentos hidroxila e carbonila, entre outros. Os resultados do DCCR se ajustaram ao modelo quadrático de regressão, cujos coeficientes de determinação (R²) para a variável resposta percentual de remoção (%R) de Cd²⁺ e Cr⁶⁺ foram, respectivamente: 0,7961 e 0,6888 (BC); 0,7614 e 0,6428 (MRCB). Os fatores pH, Co e CB afetaram significativamente os valores de %R de Cd²⁺ e Cr⁶⁺ para BC e MRCB. Para Cd²⁺, os valores preditos e medidos de %R foram, respectivamente: 97,50 e (86,06±0,00) % com o MRCB; 78,07 e (49,63±5,77×10⁻³) % com o BC. Para Cr⁶⁺, os valores de %R, preditos e medidos, foram respectivamente: 57,90 e (51,49±0,02) % com o MRCB; 52,55 e (45,89±0,04) % com o BC. A biossorção de Cd²⁺ pelo BC foi melhor descrita pelos modelos de isotermas de Dubinin-Radushkevich e de Langmuir, enquanto o MRCB ajustou-se aos modelos de Temkin e de Sips. Para Cr⁶⁺, os dados de ambos os biossorventes ajustaram-se preferencialmente aos modelos de Langmuir e Redlich-Peterson. O MRCB apresentou capacidades adsortivas máximas (qmáx) de 4,02±0,53) mg g⁻¹ para Cd²⁺ e (7,39±1,19) mg g⁻¹ para Cr⁶⁺ enquanto para o BC foram obtidos, respectivamente, para Cd²⁺ e Cr⁶⁺ (3,11±0,43) e (8,43±1,35) mg g⁻¹. Quanto à cinética, a adsorção de Cd²⁺ foi melhor representada pelo modelo de pseudo-primeira ordem, e a de Cr⁶⁺ pelos modelos de pseudo-segunda ordem e Weber-Morris com intercepto elevado. Conclui-se que o MRCB é um biossorvente promissor para remoção de Cd²⁺ e Cr⁶⁺, cujo desempenho, em especial na remoção do Cd²⁺, foi superior ao do BC, nas condições estudadas. Os resultados obtidos contribuem para ampliar o conhecimento sobre a associação de biomassas lignocelulósicas e microbianas em processos de adsorção de metais pesados.

The accumulation of divalent cadmium (Cd²⁺) and hexavalent chromium (Cr⁶⁺) in aquatic environments poses a serious threat to environmental and human health. This study investigated the adsorption of Cd²⁺ and Cr⁶⁺ using a novel hybrid biosorbent, referred to as residual biomass from the cultivation of a bacterial consortium (MRCB), obtained by incubating the consortium in liquid medium with sugarcane bagasse as the sole carbon source. Its performance was compared with sugarcane bagasse, used as the control biosorbent (BC). Both materials were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and determination of the point of zero charge (PZC). Biosorption assays were carried out in batch at 30 °C and 150 rpm, and the effects of pH, contact time, initial concentration (Co), and biosorbent dose (CB) were evaluated using a central composite rotational design (CCRD). PZC values were 6.1±0.1 (MRCB) and 5.4±0.1 (BC). SEM images revealed a more compact surface in BC and a more irregular, porous structure in MRCB. FTIR spectra indicated similar bands in both, associated with hydroxyl and carbonyl groups. CCRD results fitted a quadratic regression model, with coefficients of determination (R²) for Cd²⁺ and Cr⁶⁺ removal efficiencies (%R) of 0.7961 and 0.6888 (BC), and 0.7614 and 0.6428 (MRCB), respectively. pH, Co, and CB significantly influenced %R values. For Cd²⁺, predicted and measured %R were 97.50 and (86.06±0.00) % (MRCB), and 78.07 and (49.63±0.01) % (BC). For Cr⁶⁺, values were 57.90 and (51.49±0.02) % (MRCB), and 52.55 and (45.89±0.04) % (BC). Cd²⁺ biosorption by BC fitted best to the Dubinin–Radushkevich and Langmuir models, whereas MRCB fitted the Temkin and Sips models. For Cr⁶⁺, both biosorbents fitted mainly to the Langmuir and Redlich–Peterson models. Maximum adsorption capacities (qmax) for MRCB were (4.02±0.53) mg g⁻¹ (Cd²⁺) and (7.39±1.19) mg g⁻¹ (Cr⁶⁺), compared with (3.11±0.43) and (8.43±1.35) mg g⁻¹ for BC, respectively. Kinetic studies showed that Cd²⁺ adsorption followed the pseudo-first-order model, while Cr⁶⁺ adsorption fitted the pseudo-second-order and Weber–Morris models with high intercept. In conclusion, MRCB proved to be a promising biosorbent for Cd²⁺ and Cr⁶⁺ removal, with superior performance compared with BC, particularly for Cd²⁺. These findings expand knowledge on the combined use of lignocellulosic and microbial biomasses in heavy metal adsorption processes.