El agua es el líquido más importante y fundamental para la vida en

EVALUACIÓN DE LAS POBLACIONES MICROBIANAS QUE INTERVIENEN EN
LAS TRANSFORMACIONES DEL AZUFRE EN UN BIORREACTOR DE TIPO
UASB
Enriqueta AMORA-LAZCANO1, Sofía GARRIDO HOYOS2 y Elizabeth DÍAZBAUTISTA1
1
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, IPN. Carpio y Plan de Ayala s/n. Santo
Tomás C. P. 11200. correo electrónico: [email protected] 2Instituto Mexicano
de Tecnología del Agua, Paseo de Cuauhnáhuac 8532. Jiutepec, Mor. C. P.
62550. México.
Palabras claves: bacterias sulfato reductoras, bacterias oxidadoras del azufre,
tratamiento anaerobio
RESUMEN
Los reactores anaerobios UASB (Manto de Lodo Anaerobio de Flujo Ascendente),
han sido empleados en distintas industrias, éstos tienen la capacidad de retener
altas concentraciones de biomasa activa inmovilizada debido a la presencia de
partículas granuladas en donde se favorece el crecimiento de diferentes tipos de
poblaciones microbianas. Sin embargo, la mayoría de los estudios que se han
realizado son sobre bacterias metanogénicas, hidrolíticas y acetogénicas. En el
presente trabajo se cuantificó el número más probable de bacterias que
intervienen en la oxidación del azufre y la sulfato reducción, en un biorreactor de
tipo UASB. La toma de muestras se realizó en el influente, efluente, y en cinco
diferentes alturas del biorreactor. El número de microorganismos oxidadores de
azufre fue muy constante en las diferentes alturas del reactor (1.4x102 1.4x103/mL), no encontrándose bacterias en el influente (pH 10.9) y
cuantificándose únicamente 25 bacterias/mL en el efluente. Mientras que el
número de bacterias sulfato reductoras fue semejante en todos las alturas del
reactor (1.4x108 bacterias/mL), mientras que en el influente el número fue de
3.5x103 y en el efluente de 6.75x107 bacterias/mL. El pH del agua en el influente
fue muy alcalino con un valor de 11; en el resto de las muestras varió de 7.2 a 7.8.
El estudio de las diferentes poblaciones microbianas que interactúan en este tipo
de sistemas nos permitirá conocer mejor los procesos bioquímicos que se llevan a
cabo en ellos y las relaciones que se dan entre las poblaciones microbianas.
INTRODUCCIÓN
El agua es el líquido más importante y fundamental para la vida en la Tierra, es el
bien más apreciado cuando falta y es el más ignorado cuando abunda. Por tal
motivo es importante prevenir y evitar la contaminación excesiva del agua (Ville,
1990).
1
El ciclo natural del agua tiene una gran capacidad de purificación. Pero esta
misma facilidad de regeneración y su aparente abundancia, hace que sea el
vertedero habitual en el que arrojamos los residuos producidos por nuestras
actividades. Pesticidas, desechos químicos, metales pesados, residuos
radiactivos, entre otros, se encuentran, en cantidades mayores o menores, al
analizar las aguas de los más remotos lugares del mundo. Muchas aguas están
contaminadas hasta el punto de hacerlas peligrosas para la salud humana, y
dañinas para la vida (Arellano, 2002).
Para tratar de evitar una contaminación aún mayor del agua y además contribuir a
su limpieza, se han desarrollado procesos de tratamiento para distintos tipos de
aguas residuales, entre ellos destacan:
1.
2.
3.
Tratamientos Anaerobios
Tratamientos Aeróbios
Tratamientos Físico-Químicos
Aunque los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales son
conocidos desde el siglo XIX, fueron considerados ineficientes y lentos para el
tratamiento de grandes volúmenes de aguas residuales, especialmente en áreas
industriales y densamente pobladas. Sin embargo recientemente se ha
demostrado que estos procesos son una alternativa económicamente atractiva
para el tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales industriales y
domésticas en zonas semi-tropicales y tropicales (Lettinga y Hulshoff Pol, 1991).
Los reactores anaerobios UASB “Upflow Anaerobic Sludge Blanket” (Manto de
Lodo Anaerobio de Flujo Ascendente), han sido empleados exitosamente por
muchos tipos de industrias de alta, media y baja contaminación de agua. El
empleo de estos reactores se debe a la capacidad de retención de altas
concentraciones de biomasa activa inmovilizada por la presencia de partículas
granuladas de lodos, aunque la eficiencia de remoción de materia orgánica resulte
menor al 82%.
Se tienen reportes acerca de bacterias anaerobias que pueden adaptarse
relativamente rápido a bajas temperaturas por lo que este tipo de tratamientos
pueden emplearse bajo condiciones psicrofílicas (Lettinga y Hulshoff Pol, 1991).
Sin embargo, Syutsuo et al. (1997) han realizado experimentos exitosos bajo
condiciones mesofílicas y termofílicas obteniendo eficiencias de remoción de
materia orgánica del 85%. Los UASB pueden actuar a la vez como tratamiento
primario y secundario para manejo de aguas residuales (Lettinga et al. 1983).
Las ventajas de esta tecnología son sus costos reducidos de inversión y
operación. Además de generar tres productos valiosos que son: un abono
orgánico, biogás (metano), y agua tratada baja en nutrientes. La limitante es su
aplicación a efluentes relativamente calientes, característicos de la industria.
La formación de un lodo estratificado, en el cual se desarrollan diferentes tipos de
poblaciones microbianas que degradan la materia orgánica y generan metano; así
2
como el diseño y operación del reactor, que permiten la eliminación del gas y la
recirculación de la biomasa, son entre otros los factores que han permitido la
difusión de los reactores UASB en América Latina desde 1988 (Lettinga y Hulshoff
Pol, 1991).
Hasta el momento, las poblaciones microbianas estudiadas con detalle en estos
reactores han sido solo cuatro grupos (Sosa et al. 1995):
1.
Bacterias hidrolíticas y fermentativas, las cuales convierten una
variedad de compuestos orgánicos tales como polisacáridos, lípidos
y proteínas en ácido acético, H2, CO2, compuestos
monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y compuestos
policarbonados.
2.
Bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, incluyen
obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden
transformar los productos del primer grupo (los ácidos orgánicos de
más de dos átomos de carbono, por ejemplo el butírico y el
propiónico y los alcoholes policarbonados tales como el etanol y el
propanol) en hidrógeno y acetato.
3.
Las bacterias homoacetogénicas que convierten un espectro
amplio de compuestos multi o monocarbonados en ácido acético.
4.
Bacterias metanogénicas, que transforman el H2, CO2,
compuestos monocarbonados como metanol, monóxido de carbono
(CO) y la metilamina en acetato, o pueden formar metano de la
descarboxilación del acetato. (Sosa et al.1995)
Debido a la gran cantidad de materia orgánica y sustancias nitrogenadas y
azufradas contenidas dentro de las aguas residuales es imposible pensar que no
existan otras poblaciones microbianas que participan sin duda alguna en los
procesos bioquímicos que se llevan a cabo en el biorreactor.
Se han llevado a cabo estudios donde se han realizado cuantificaciones de las
poblaciones bacterianas y observaciones microbiológicas de los lodos que forman
parte de los reactores UASB en la Universidad de Tsinghua, Beijing. Las bacterias
fueron clasificadas en tres grupos, en los cuales se cuantificaron dentro del
reactor.
GRUPO I : 9.3 x 108 – 4.3 x 109 células /mL (Bacterias Fermentativas)
GRUPO II : 4.3 x 107 – 4.3 x 108 células / mL (Bacterias Acetogénicas)
GRUPO III : 2.0 – 4.3 x 108 células / mL (Bacterias Metanogénicas)
3
Estos resultados mostraron que la formación de los lechos granulados depende
principalmente de la organización y arreglo de las bacterias. Una observación del
lecho granular empleando un microscopio electrónico reveló que las bacterias
fermentativas y las bacterias metanógenas hidrogenotrópicas existen sobre la
superficie del granulo, mientras que, las bacterias acetogénicas y metanógenas
ocupan estratos internos. Así mismo, se encontró una nueva asociación
bacteriana de tipo sintrófica conformada por Methanosaeta sp y Syntrophomonas
sp, basada en la degradación de ácidos de cadena corta y la alta actividad
metanogénica en el lecho granular (Jianrong et al. 1997). Además, el oxígeno que
pudiese encontrarse disuelto no altera la eficiencia del reactor en la práctica, así
como las bajas temperaturas no implican que el tratamiento anaerobio no sea
factible (Kato et al. 1997). Los compuestos de azufre reducido pueden propiciar el
crecimiento de un grupo de bacterias quimioautotróficas bajo condiciones
estrictamente aerobias y un grupo de bacterias fotoautotróficas bajos condiciones
estrictamente anaerobias. Adicionalmente, un número de microorganismos
heterótrofos aerobios (bacterias y hongos), oxidan el azufre elemental a tiosulfato
y sulfato (Mauer et al. 1999). Los compuestos oxidados con más frecuencia son el
sulfhídrico (H2S), el azufre elemental (S0) y el tiosulfato (S2S32-), cuyo producto
final de la oxidación es el ión sulfato (SO42-).
En el ambiente, la oxidación del azufre se combina con la reducción asimilatoria y
desasimilatoria de sulfato. El género Thiobacillus posee especies que en su
mayoría son capaces de oxidar indistintamente diferentes compuestos reducidos
del azufre. Algunas de éstas son quimiolitótrofos obligados (Thiobacillus
thiooxidans, tolerante a pH’s ácidos; Thiobacillus ferrooxidans, responsable de la
formación de ácidos; Thiobacillus denitrificans, anaerobio facultativo que puede
sustituir al oxígeno por nitrato como aceptor final de electrones de cadena
respiratoria), mientras que otras como Thiobacillus novellus y Thiobacillus
intermedius son microorganismos mixótrofos (Parés y Juárez, 1997; Mauer et al.
1999). Por otro lado, la reducción de sulfatos es llevada a cabo por bacterias
reductoras de sulfatos (SRB), que son un grupo de microorganismos
metabolicamente versátil debido a la diversidad de familias y géneros bacterianos
que lo conforman. Las SRB son anaerobios obligados que emplean el sulfato u
otros compuestos oxidados del azufre como aceptores finales de electrones en su
cadena respiratoria, cuyos sustratos más comunes (donadores de electrones y
fuentes de carbono y energía) son lactato, etanol, propionato e hidrógeno.
La reducción de sulfato se ha asociado a una actividad microbiológica que durante
el tratamiento anaerobio de aguas residuales ricas en sulfatos, causa el
decremento en la producción de metano y en la remoción de materia orgánica,
además de crear un ambiente de toxicidad y corrosión en el reactor. Las primeras
investigaciones sobre la reducción de sulfato estuvieron enfocadas hacia la
disminución de los efectos negativos; sin embargo, las más recientes han buscado
la manera de reducir la toxicidad del ácido sulfhídrico (Hulshoff Pol et al. 2000).
4
En el presente trabajo se cuantificó el número más probable de bacterias que
intervienen en la oxidación del azufre y en la sulfato reducción, en un biorreactor
de tipo UASB.
MATERIALES Y MÉTODOS
El biorreactor UASB se encuentra en la planta productora de grenetina “GELITA
S.A. de C.V.”, ubicada en la zona industrial del valle de Toluca y se emplea para
tratar aguas residuales provenientes del proceso de obtención de grenetina a
partir de huesos, cartílago y piel de animales aceptado por la SSA. Las
dimensiones del biorreactor son 8 m de altura y 11 m de diámetro, operando en un
intervalo de temperatura de 25 a 28 ºC. Los puntos de muestreo se representan en
la figura 1, estos se encontraron distribuidos uniformemente en el biorreactor con
una distancia aproximada de un metro entre cada uno.
A5
A4
A3
A2
A1
Figura 1. Esquema del biorreactor, mostrando los puntos de muestreo
La cuantificación de las poblaciones microbianas se llevó a cabo mediante la
técnica del número más probable (Schmidt y Belser, 1982) utilizando medios de
cultivo específicos para cada grupo microbiano.
5
El medio para cuantificar a la población de microorganismos oxidadores del azufre
elemental, fue formulado por Starkey (1935), el cual contenía azufre en su estado
elemental, por lo que las bacterias capaces de crecer en él, emplearon el azufre
elemental como fuente de energía.
El medio para cuantificar microorganismos sulfatoreductores, propuesto por
Lapage et al. (1970), contenía iones SO4-2 que se adicionaron como Na2SO4,
MgSO4·7H2O y FeSO4·7H2O. Los microorganismos que fueron capaces de utilizar
como último aceptor de electrones a los iones sulfato en su cadena respiratoria se
desarrollaron en este medio.
Los medios de cultivo se incubaron a 28°C durante un periodo de tres semanas.
También se midió el pH de los lodos. Todas las evaluaciones se realizaron por
triplicado
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La tabla 1 muestra los resultados obtenidos de las poblaciones microbianas que
intervienen en las transformaciones del azufre en cada uno de los puntos de
muestreo del biorreactor.
Tabla 1. Cuantificación de las Poblaciones Microbianas del Azufre.
(m.o./mL de muestra)
ALTURA
Población
Microbiana
Oxidadores de
azufre
elemental
Reductores
de sulfatos
A1
A2
A3
A4
4x102
1.4x103
1.4x102 1.75x102 1.725x102
1.4x108
1.4x108
1.4x108
1.4x108
A5
1.4x108
IN
EF
0
25
3.5x103 6.75x107
* Resultados de la media aritmética de 3 series; IN: Influente; EF: Efluente
Como se muestra en los resultados el número de microorganismos reductores de
sulfatos es mayor al observado en las poblaciones de microorganismos
oxidadores de azufre elemental.
La mayor concentración de microorganismos oxidadores del azufre se presentó en
la altura A2 con 1.4x103 m.o/mL. Kitada et al. (2000) han reportado que en los
procesos anaerobios de degradación que se llevan a cabo en los reactores UASB
6
favorecen la proliferación de microorganismos oxidadores del azufre elemental, su
principal función es la remoción de metales pesados, empleando el ácido sulfúrico
producido por este grupo microbiano. Sin embargo, es necesario para incrementar
dicho grupo adicionar azufre elemental dentro del biorreactor en concentraciones
mínimas de 5 g/L de agua por tratar.
Otros reportes indican que cuando el azufre elemental es introducido en un reactor
anaerobio es convertido rápidamente a sulfuro por medio de las bacterias
reductoras, un ejemplo de ellas es Wollionella sp. Las sulfolobales pueden realizar
esta misma transformación bajo condiciones aerobias y anaerobias. Sin embargo,
también las bacterias metanogénicas pueden reducir el azufre hasta sulfuro (Lens
y Kuenen 2000).
Los microorganismos reductores de sulfatos presentaron una concentración
constante a los largo del biorreactor UASB siendo esta de 1.4x108 m.o/mL, lo cual
indica que este grupo microbiano encuentra las condiciones favorables para su
proliferación dentro del reactor. Su presencia fue la esperada debido a que este
grupo de microorganismos requiere de sustratos como acetato, lactato y piruvato,
los cuales son productos de la degradación bioquímica de los diversos sustratos
del agua tratada (Lettinga y Hulshoff Pol, 1991). Estos resultados concuerdan con
Mauer, et al. (1999) y, Atlas y Bartha (1999) quienes han reportado que los
géneros microbianos que utilizan a los sulfatos como aceptores terminales de
electrones, están ampliamente distribuidos en la naturaleza y se encuentran
especialmente en ambientes anaerobios, así como en agua mezclada con grandes
cantidades de suelo. Los reportes de Sosa et al. (1995), indican que los
microorganismos reductores de sulfatos forman parte del consorcio microbiano
anaerobio que incluye microorganismos hidrolíticos y fermentativos, acetogénicos,
homoacetogénicos y metanogénicos.
El agua del influente está compuesta principalmente por una mezcla de residuos
de colágeno, álcali, residuos de piel, huesos, aminoácidos (principalmente glicina,
prolina e hidroxiprolina) (Charley, 1970). Debido al empleo de un álcali para
facilitar la obtención de gelatina, el pH de esta agua a tratar es sumamente
alcalino (pH 10.9).
La tabla 2 muestra la evaluación del pH a lo largo del reactor UASB en sus
diferentes puntos de muestreo.
Los microorganismos oxidadores del azufre elemental viven en ambientes
sumamente ácidos, siendo su pH óptimo de crecimiento 4.0 (Egorova y Deryugina,
1963; Williams y Hoare, 1972), por lo que su desarrollo y proliferación en el
biorreactor UASB en estudio es muy bajo.
7
Tabla 2. pH de las muestras tomadas a lo largo del reactor UASB.
ALTURA
pH
A1
A2
A3
A4
A5
IN
EF
7.2
7.15
7.2
7.35
7.6
10.9
7.85
Los pH’s ligeramente alcalinos del biorreactor favorecen el desarrollo de los
microorganismos reductores de sulfatos puesto que estos proliferan en un pH de
7.4 aunque pueden sobrevivir en pH’s bajos (Lapage et al. 1970).
El estudio de las diferentes poblaciones microbianas que interactúan en este tipo
de sistemas nos permitirá conocer mejor los procesos bioquímicos que se llevan a
cabo en ellos y las relaciones que se dan entre las poblaciones microbianas.
REFERENCIAS
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