5. Eliminacio_n de P y N.pdf

Eliminación de nitrógeno y fósforo de los efluentes Conceptos y Técnicas de Biotecnología -­‐ 2012 -­‐ Leonardo Erijman -­‐ FBMC Por qué es necesario eliminar nitrógeno de los efluentes? Cómo se elimina el nitrógeno de los efluentes? Ciclo microbiano del nitrógeno estado de oxidación La remoción convencional de N combina nitrificación aeróbica y desnitrificación anóxica Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica Clasificación filogenéNca de bacterias nitrificantes Oxidación de amonio en AOB Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed Oxidación de nitrito en NOB Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed Procesos de tratamiento de efluentes retención de biomasa Cámara de aireación Sedimentador Distribuidor rotaNvo Lecho de relleno Digestor Quién nitrifica en las plantas de tratamiento de efluentes? Environmental Engineers Handbook © 1999 David Liu, Bèla Lipták, eds. Chapman & Hall, CRC Press Gray, N.F. © 2004 BIOLOGY OF WASTEWATER TREATMENT 2nd ed, Imperial College Press, London UK Fluorescence in situ hybridization
FISH
Quién nitrifica en las plantas de tratamiento de efluentes? Nitrosospira spp.
NH4+
NO2Schramm et al., Identification and Activities In
Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as
Dominant Populations in a Nitrifying
Fluidized Bed Reactor (1998) Applied and
Environmental Microbiology, 64: 3480-3485
Nitrospira
NO2NO3- Diversidad de nitrificantes Nitrospira competencia por NH3 otras AOB asimilación heterótrofos org liberación SMP Nitrosococcus mobilis 10 μm competencia otros recursos CSLM Adaptado de: Daims et al. (2006) Trends in Biotechnology 24, 483-­‐489 Factores que afectan la nitrificación •  Temperatura •  Concentración de oxígeno disuelto •  pH (ópNmo entre 7.5-­‐8.6) •  Relación C/N •  Compuestos inhibitorios El oxígeno disuelto debe ser suficiente para asegurar la nitrificación Graidy, C.P.L., Daigger, G, T., Li, H.C. (1999) Biological Wastewater Treatment, 2nd ed. Se debe seleccionar el Nempo de retención celular para asegurar la nitrificación •  Las bacterias nitrificantes son de crecimiento lento •  Tiende a ser un proceso de “todo o nada” Graidy, C.P.L., Daigger, G, T., Li, H.C. (1999) Biological Wastewater Treatment, 2nd ed. Mínimo SRT (días) Minimum
SRT (Days)
Se debe seleccionar el Nempo de retención celular para asegurar la nitrificación 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Nitrification
No Nitrification
10
15
20
Temp (Deg(°C) Cent)
Temperatura 25
30
Como aumentar el Nempo de retención celular? Sistemas híbridos: MBBR También hay arqueas oxidantes de amonio en plantas de tratamiento de efluentes! Park et al., Appl Environ Microbiol 72, 5643–5647 (2006) Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación Reacciones redox, equilibrio químico y energía libre La canNdad de energía que puede ser liberada se puede calcular a parNr de la diferencia en los potenciales de reducción de las 2 reacciones y el número de electrones transferidos: !G = "nF!E
0'
'
0
Zehnder, A.J.B. and W. Stumm. 1988. Geochemistry and biogeochemistry of anaerobic habitats. A.J.B. Zehnder (ed.) Biology of Anaerobic Microorganisms, pp. 1–38 Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación La mayoría de desnitrificantes son Proteobacterias aeróbicas/facultaNvas y son capaces de reducir (anaeróbicamente) otros aceptores de electrones Eliminación de N vía nitrificación-­‐ desnitrificación Recirculado de
nitrato
Líquido
crudo
Recirculación (RAS)
TN= 8-­‐10 mg/L Purga de barro
excedente
(WAS)
Eliminación de N vía nitrificación-­‐ desnitrificación Recirculado de
nitrato
Metanol u otra
fuente de
carbono
Líquido
crudo
Recirculación (RAS)
TN < 5 mg/L Purga de barro
excedente
(WAS)
Desnitrificación en sistemas híbridos: MBBR Methylophilales son desnitrificantes en barros alimentados con metanol Hyphomicrobium
EUBmix
BET42a-Cy5
DEN67-cy3
EUBmix
BET42a-Cy5
HYP1241-cy3
EUBmix-Fluor
DEN67-cy3
radiographic film at
the same position as
that of panel C. Ginige et al., 2004, Appl. Environ. Microbiol. 70: 588-596
Nitrificación-­‐desnitrificación convencional Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica Single reactor for high ammonia removal over nitrite (SHARON) Nitrificación aeróbica Desnitrificación heterotrófica anóxica Qué variables se pueden controlar para parar la oxidación en nitrito? Factor
Efecto
Temperatura
T > 15°C
AOB crecen más rápido que NOB
T = 25°C
AOB pueden competir eliminando NOB
pH
7.0-8.0
Rango óptimo para nitrificación
7.9-8.2
Rango óptimo para AOB (Nitrosomonas)
7.2-7.6
Rango óptimo para NOB (Nitrobacter)
NH3 libre
150 mg/L
Inhibición de AOB y NOB
1.0-7.0 mg/L
Inhibición de NOB y acumulación de nitrito
Largo plazo
NOB pueden adaptarse a altas concentraciones de amoníaco
(40 mg/L) y se reduce la acumulación de nitrito
HNO2
> 2.8 mg/L
Inhibición de AOB y NOB
Predicción teórica de la oxidación anaeróbica de amonio Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): 491-­‐3. Mulder A, Van de Graaf AA, Robertson LA& Kuenen JG (1995)
Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized
bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16: 177-183
Descubrimiento de anammox Nuevo paso en el ciclo de nitrógeno reducción anaeróbica de nitrato Oxidación aeróbica de amonio Caracterización de bacterias anammox Anammox: pathway metabólico Nature Reviews | Microbiology Volume 9 | June 2011 | 403 Anammoxosoma:propiedades de la membrana NATURE | VOL 419 | 17 OCTOBER 2002 "
Filogenia de anammox M. Schmid et al., Candidatus "Scalindua
brodae", sp. nov., Candidatus "Scalindua
wagneri", sp. nov., two new species of
anaerobic ammonium oxidizing bacteria.Syst
Appl Microbiol. (2003) 26: 529-38.
Candidatus "Anammoxoglobus
propionicus" a new propionate oxidizing
species of anaerobic ammonium
oxidizing bacteria.Syst Appl Microbiol.
(2007) 30: 39-49
Genoma de bacteria anammox Maquinaria enzimáNca de Kuenenia stuzgarNensis Cluster Fe-­‐S Flujo de electrones B Kartal et al Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidaNon. Nature (2011) doi:10.1038/nature10453 Anammox: aplicaciones biotecnológicas Annamox: aplicaciones biotecnológicas Aplicaciones en escala de anammox Rozerdam, Holanda Más de 500 kg N/d
Oxidación anaeróbica de amonio (anammox) NH 4+ + 1.30NO2! + 0.13H + " 1.02N 2 + 0.26NO3! + 2.03H 2O
Comparación con métodos convencionales Uso de energía en el tratamiento de efluentes Problema
tratamientos aeróbicos
Alto consumo de energía usando
No se puede eliminar nitrógeno con tratamientos
anaeróbicos
C
B
Posible solución B. Kartal, et al. Science 328, 702 (2010) Tratamiento de efluentes: AS/AD/Anammox Kartal et al., (2010) Sewage Treatment with Anammox Science. 328, 702-­‐703 Los procesos de oxidación de Nitrospira y K. stuzgarNensis están relacionados por eventos de transferencia lateral Lücker et al, PNAS 107, 13479-­‐13484 (2010) Importancia biogeoquímica de la oxidación anaeróbica de amonio NATURE | VOL 422 | 10 APRIL 2003 |"
Ciclo de N incluyendo eliminación autotrófica Van Hulle et al., Chem. Eng. J. 162 1–20 (2010) Resumen de esquemas para eliminación de N Nutrient Removal. Manual of PracNce No. 34. (2010) Water Environment FederaNon, Alexandria, Va Fósforo: mucho o muy poco? Secuencia de reactores aeróbicos y anaeróbicos P es retenido por PAO y se elimina del sistema en con el barro excedente
ANAEROBICO
EFLUENTE
AFLUENTE
ANOXICO AEROBICO
WAS (con exceso de P)
Eliminación biológica de fósforo Formación de PHA y acumulación de poli-­‐P Microscopía electrónica PHA Poly-­‐P Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) }
ΔPi
Metabolismo de EBPR Proteínas involucradas en la β-oxidación
de ácidos grasos
Enzimas claves en la
producción de PHA
Proteinas asociadas con
la síntesis de glucógeno
Proteinas asociadas con
la degradación de
glucógeno
Alta expresión de proteínas del
pathway de glioxilato
Sistema de transporte
específico para fosfato
Modelo basado en la reconstrucción de datos proteómicos de Accumulibacter Forbes et al., The contribuNon of ‘omic’-­‐ based approaches to the study of enhanced biological phosphorus removal microbiology FEMS Microbiol Ecol 69 (2009) 1–15 Polyphosphate accumulaNng organisms (PAO): Rhodocyclus Tinción de azul de meNleno. La flechas comunes señalan gránulos de polifosfato, las células señaladas con flechas con rombos no conNenen polifosfato
SCLM EUB338 y una mezcla de 3 PAO. Por la superposición se ve amarillo
FISH con sondas EUB338 y PAO651 La células teñidas con azul de meNleno (gránulos de polifosfato) son las mismas que las amarillas en el panel E panel
Crocetti et al., IdenNficaNon of Polyphosphate-­‐AccumulaNng Organisms and Design of 16S rRNA-­‐Directed Probes for Their DetecNon and QuanNtaNon Appl. Environ. Microbiol. (2000) 66: 1175-1182
Polyphosphate accumulaNng organisms (PAO): AcNnobacteria FISH de EUBmix y PAO revelado
con sonda Actino-658
MAR mostrando PAO Actinobacteria
y algunos PAO Rhodocyclales que
incorporan 33Pi aeróbicamente luego
de preincubación anaeróbica con
casaminoacidos.
PAO Actinobacteria consumen
ácido oleico anaeróbicamente
Kong et al., Identity and Ecophysiology of Uncultured Actinobacterial Polyphosphate-Accumulating Organisms in Full-Scale Enhanced
Biological Phosphorus Removal Plant. Appl. Environ. Microbiol. (2005) 71: 4076-4085
Polyphosphate accumulaNng organisms (PAO): Tetrasphaera FISH de EUBmix y PAO revelado
con sondas Tet3- 654 o Tet2-­‐892 MAR mostrando Tetrasphaera ( s o n d a T e t 2 -­‐ 1 7 4 ) . L o s c o c o s
incorporan 33Pi aeróbicamente luego
de preincubación anaeróbica con
casaminoacidos.
Tet3-­‐654 -­‐ PAO Tetrasphaera
consumen glucosa anaeróbicamente
Nguyen et al., High diversity and abundance of putaNve polyphosphate – accumulaNng Tetrasphaera-­‐ related bacteria in acNvated sludge systems FEMS Microbiol Ecol 76 (2011) 256–267
Pathway de glucógeno Glycogen accumulaNng organisms (GAO): Alphaproteobacteria glucogeno
PHA
propionato
Meyer et al., Putative glycogen-accumulating
organisms belonging to the Alphaproteobacteria
identified through rRNA-based stable isotope
probing Microbiology (2006)152: 419-429
Glycogen accumulaNng organisms (GAO): CompeNbacter FISH mostrando GAOQ431, GAM42a y BET42a. Candidatus CompeAbacter phosphaAs FISH y Nnción de Sudan black B mostrando GAOQ431 y EUBMIX. Las células magenta son posiNvas para GAOQ431 y conNenen PHAs (negros en d) FISH y Nnción de azul de Nilo A mostrando GAOQ431 y EUBMIX. Las células amarillas son posiNvas para GAOQ431 y conNenen PHAs (rojo en d) Croce€ et al., Microbiology (2002), 148, 3353–3364 GAO predomina sobre PAO cuando… Bibliogra‚a adicional •  Van Hulle et al., Engineering aspects and pracNcal applicaNon of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams Chem Eng J 162 (2010) 1–20 •  Francis et al., New processes and players in the nitrogen cycle: the microbial ecology of anaerobic and archaeal ammonia oxidaNon ISME J (2007) 1, 19–27 •  Nielsen et al., Microbial communiNes involved in enhanced biological phosphorus removal from wastewater — a model system in environmental biotechnology. Curr Op Biotech (2012) 23, 452–459 •  Albertsen et al., A metagenome of a full-­‐scale microbial community carrying out enhanced biological phosphorus removal. ISME J (2012) 6, 1094–1106