MICROBIOLOGIA DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE...

MICROBIOLOGIA DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALESDra. Claudia EtchebehereInstituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable

Montevideo – 24/08/2016

Laboratorio de Ecología Microbiana IIBCE

Microbiología de Sistemas de tratamiento–Montevideo – 24/08/2016

• Estudio de comunidades microbianas de sistemas de tratamiento de aguasresiduales.

• Trabajo en conjunto con el laboratorio BioProA de Facultad de Ingeniería (Dra. Borzacconi).

• Sistemas metanogénicos escala real.

• Sistemas de producción de hidrógeno.

• Sistemas nitrificantes y desnitrificantes (remoción de N).

• Sistemas de lodos activados

Compuestos químicos contaminantes


Carbohidratos

Proteínas

Lípidos

Compuestos recalcitrantes (pesticidas, detergentes, medicamentos, etc.)

En Uruguay alta proporción de agroindustrias

Agua residual

DBO (mgO2/L)

Urbana 300-550

Industria azucarera

5.000-10.000

Industria maderera

8.000-10.000

• Procesos físicos (tratamiento primario)

• Procesos químicos (tratamiento primario)

• Procesos biológicos (tratamiento secundario)

Tratamiento

primario

(Fisicoquímico)

Tratamiento

secundario

(Biológico)

Tratamiento

terciario

(Fisicoquímico o

biológico)

AGUA RESIDUAL

AGUA TRATADA

¿Cómo se pueden eliminar los contaminantes?


Qué son los microorganismos?


•Seres vivos que no se pueden ver con el ojo

humano (límite del ojo 0,2 mm).

•Incluye: protozoarios, algas microscópicas,

hongos, bacterias, arqueas, virus

Dónde se encuentran?


En toda la superficie terrestre.

Mitad de la biomasa de la

biosfera.

Crecen a temperaturas desde

0°C a 100°C.

Participan en los ciclos bio-

geoquímicos de la tierra.

Bacterias


Organismos microscópicos (0,5 a 25 micras)

Unicelulares, sin núcleo

Reproducción por fisión binaria

Crecimiento de poblaciones bacterianas


El rendimiento esta dado por la concentración de sustrato

La velocidad de crecimiento depende del microorganismo y de las condiciones de crecimiento

Qué necesitan para crecer?


Fuente de energía y carbono

NutrientesNitrógeno

Fósforo

Minerales

pH adecuado

Temperatura adecuada

Oxígeno u otro aceptor de electrones

Clasificación de microorganismos


Definición de especie


Coherencia genomica

Similar fenotipo

Monofileticos

Pertenecen a la misma rama evolutiva

Clasificación de microorganismos


Carl Woose, filogenia molecular

Propuso la utilizacion del gen del ARNr paraconocer la evolucion de los seres vivos.

Conociendo la secuencia del gen del ARNr de 16S es posible asignar género y especie.

Bases de datos

Secuenciación masiva para estudios de comunidades


Clasificación de los microorganismos


Para que sireve conocer género y especie?


Se puede

predecir la

función

conociendo el

género y especie

Diversidad funcional de bacterias


Requerimiento de oxígeno

Aerobias

Anaerobias

Facultativas

Respiración anaerobia (desnitrificantes)

Fuente de Energía

Quimio-heterótrofas (materia orgánica)

Quimio-litótrofas (compuestos inorgánicos)

Fotótrofas (luz)

Ciclo del C


(CH2O)n

Quimiolitótrofos

CH4

(CH2O)n

CO2

Respiradores

aerobios

Fotosintéticos oxigénicos

Metanogénicos

óxico

anóxico

Metanotrofos

Respiradores anaerobios:

reductores de sulftato,

desnitrificantes

FermentadoresFotosintéticos anoxigénicos

Sistemas aerobios


Compuestos químicos presentes en las aguas residuales a tratar:

Carbohidratos

Proteínas

Lípidos

Compuestos recalcitrantes

Cómo los eliminamos?

Degradación biológica aerobia

Reacciones químicas que ocurren en sistemas aerobios


Degradación aerobia de materia orgánica

Respiración aerobia

Materia orgánica + O2 CO2+ H2O+ Crecimiento de biomasa

Gran diversidad de microorganismos

Composición química del sustrato determina los microorganismos

Sucesión ecológica

Quien hace el trabajo?


Bacterias (95%)

(Degradadores)

Organismos superiores (5%)

(Consumidores)Protozoarios

Rotíferos

Nematodos

Anélidos

Controlar el proceso es controlar el desarrollo de esta comunidad microbiana

Factores que afectan el crecimiento


Sustrato: composición y concentración (F/M)

Concentración de oxígeno

pH

Temperatura

Nutrientes

Tóxicos

Inóculo

Organismos Eucariotas


Función: PurificaciónConsumen materia orgánica en solución, consumir partículas (saprofíticos), consumir bacterias y otros organismos (predación)

Son indicadores biológicos

Grupos predominantesProtozoarios

Rotíferos

Nematodos

Anélidos

Sucesión ecológica


Indicadores de la salud del sistema


Microorganismo Características del proceso

Predominancia de flagelados y amebas

Lodo joven, inicio del proceos, baja edad del lodo.

Predominancia de flagelado Deficiencia de aireación, sobrecarga orgánica.

Predominancia de ciliados pedunculados y libres

Buenas condiciones de depuración

Predominancia de amebas con teca

Buenas condiciones de depuración.

Predominancia de anélidos Exceso de oxígeno disuelto

Virus


No son células son moléculas de ADN o ARN con una cubierta. No se ven al microscopio óptico. Son parásitos obligados.

En lodos activados se puede encontrar virus de orígen humano, virus de otros animales de plantas y bacteriófagos

Virus humanos:

Virus de hepatitis, poliovirus

Hay una reducción de virus en sistemas de lodos activados peroaún no se conoce bien el mecanismo.

Formación de flóculos


En sistemas de lodos activados los organismos se agrupan formando flóculos.

La formación de flóculos es fundamental para la sedimentación (sedimentador)

Los flóculos se forman por una red de filamentos a la cual se adhieren microorganismos que segregan exo-polímeros (bacterias formadoras de flóculos).

Formación de flóculos


Factores que afectan la formación de flóculos


Baja edad del lodo (< 3 dias)

Tóxicos (metales pesados)

Descarga de lodos

Pérdida de protozoarios ciliados

Agitación excesiva

Agregado excesivo de surfactantes.

Problemas de floculación


Problema Causa Efecto

Bulking filamentoso Sobrecrecimiento de bacterias filamentosas

Alto IVL, aumento de biomasa

Bulking viscoso Gran cantidad de exopolimeros Aspecto gelatinoso del lodo, problemas de sedimentacíón.

Espuma Surfactantes o presencia de algunas bacterias hidrofóbicas (Microtrix parcivella)

La espuma flota y hay perdida de biomasa

Crecimiento disperso Los microorganismos no forman flóculos y se encuentran como células dispersas

Efluente turbio

Flóculos “pin point” Fóculos muy pequeños y frágiles Bajo IVL y efluente turbio

Flotación del lodo del clarificador

Desnitrificacion en el clarificador, burbujas retenidas en la biomasa

Perdida de lodo del clarificador

Bulking filamentoso


Es uno de los principales problemas de sistemas de lodos activados

El sobrecrecimiento de bacterias filamentosas causa flóculos con menor densidad que se flotan.

El crecimiento desmedido causa un gran aumento de la biomasa del reactor.

Bacterias filamentosas


Son Bacterias heterótrofas aerobias de crecimiento lento que forman largos filamentos.

Son muy difíciles de aislar y de cultivar en el laboratorio.

Pueden ser de diferente género y especie y crecer en diferentes condiciones.

Es fundamental conocer el tipo de filamento que causóel bulking para comprender la causa.

Existen manuales para identificar bacterias filamentosas.

Es fundamental realizar el control microscópico(proporción y tipo de filamento) del lodo para prevenirproblemas de bulking

Bacterias filamentosas


Organismo FilamentosoFactores que promueven el

crecimiento

Haliscomenobacter hydrosis, Sphaerotilus natans, type 1701 Bajo O.D

Haliscomenobactor hydrosis, Microthrix parvicella, Nocardia spp., type 021N, type 0041, type 0092, type 0581, type 0675, type 0803 and type 0961

Baja F/M

Sphaerotilus natans, Thiothrix spp. fungi, type 0675 and type 021NBaja conc. de nutrientes (N, P)

Nocardia spp fungi pH ácido

Type 0041, type 0092, and Microthrix parvicella Baja Carga orgánica

Beggiatoa spp, Thiothrix spp and type 021N Sulfuros en el agua residual

Parámetros para controlar el sistema


F:M (Food to Microorganism ratio).

Utilización del oxígenoLa velocidad de consumo de oxígeno es una medida de la actividad del lodo.

Se mide en mg O2/hr.g SSV.

Formación del flóculoEstudios microscópicos frecuentes nos brindan información del estado de la floculación.

Oxígeno disuelto

Mezclado

pH

Temperatura

Nutrientes

Evaluación de la microbiología de lodos activados


Determinación de la velocidad de consumo de oxígeno. Electrodo de oxígeno.

IVL

Microscopía óptica (microscopio)

Microscopía por hibridación fluorescente in situ (FISH).

Análisis basados en el ADN

Microscopía


Observar el lodo en fresco con microscopio

óptico.

Estudio de organismos superiores

Cuantificación relativa de filamentos

Tamaño de los flóculos

Hibridación in situ fluorescente (FISH)


Muestra

Celulas f ijadas permeabilizadas

Fijacion

Celulas hibridadas

Lavado

Sonda Fluoróforo

Blanco (rRNA)

Hibridacion Ribosomas

Oligonucleot idos marcadosfluorescentes (sondas)

Deteccion

Microscopio Epif luorescencia

MuestraMuestra


Fijacion


Fijacion

Celulas hibridadas

Lavado

Celulas hibridadas

Lavado

Sonda Fluoróforo

Blanco (rRNA)

Sonda Fluoróforo

Blanco (rRNA)

Hibridacion Ribosomas

Oligonucleot idos marcadosfluorescentes (sondas)

Deteccion


Deteccion


Hibridación in situ fluorescente (FISH)


Se utiliza para identificar microorganismos

(especies diferentes de bacterias filamentosas,

bacterias nitrificantes).

Se puede cuantificar por análisis de imágenes.

Qué es importante saber de la microbiología?


Formación de flóculos.

Problemas de bulking.

Sistema balanceado.

Prevenir problemas de sedimentación.

Degradación de compuestos recalcitrantes.

Sistemas anaerobios


Nuevo concepto ligado a la producción sustentable

Pre- Treatment

Solid removal

Chemical treatment

Secondary

treatment

C removal

Terceary

treatment

N, P, S removal

Clean

water

Waste

water

Energy

(methane, hydrogen, electricity)

Nutrients

recovery

Reuse

Cadena de degradación anaerobia


H2 + CO2Formiato, etc.

ÁC. GRASOS ALCOHOLES

LACTATO, etc.

MONÓMEROS Y OLIGÓMEROS

ACETATO

CH4 + CO2

POLÍMEROS(proteínas, lípidos, polisacáridos)

I - Hidrólisis y fermentación

II – Acetogénesis y deshidrogenación

III – Metanogénesis2

4

1

4

1

1 1

5

3

H2 + CO2FORMIATO

1 fermentadoras primarias;

2 metanogénicashidrogenotróficas;

3 metanogénicasaceticlásticas;

4 fermentadoras acetogénicas;

5 homoacetogénicas

Quién hace el trabajo?


Bacterias Fermentadoras

Anaerobias estrictas o facultativas

Gran diversidad

Dependen de la composición del sustrato

Pueden o no ser hidrolíticas

Vías de fermentación diversas

Bacterias Sintróficas

Anaerobias estrictas

Muy bajo rendimiento

Poca diversidad

Difíciles de crecer

Dependen de las metanogénicas

Archaeas metanogénicas

Anaerobias estrictas

Bajo rendimiento

Poca diversidad

Sensibles a tóxicos

Reacciones que requieren crecimiento sintrófico


Reacción ∆Gº´ (kJ)

CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 +76,1

CH3CH2CH2COO- + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2 +48,1

CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + H+ + H2 + 9.6

4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O

-135,6

Gránulos en reactores metanogénicos UASB


http://www.uasb.org

Estrucutra de los gránulos


Los diferentes grupos de microorganismos están en diferentes capas.

Yamada et al., 2005 AEM

Importancia de

los gránulos para

la transferencia

de hidrógeno

interespecies

Otras técnicas de monitoreo


Actividad metanogénica

Granulometría

FISH

Técnicas basadas en el ADN

Monitoreo


Actividad metanogénica

Problemas frecuentes en reactores metanogénicos


Hidrólisis

Acidificación.

Sintrofía

Problemas de inhibición

Bajas temperaturas

Formación de gránulos

Qué interesa saber de la microbiología?


Presencia de archaeas metanogénicas

Presencia de sintróficas

Problemas de hidrólisis

Seleccionar buenos inóculos

Ciclo del nitrógeno


NH3

NO3-

NO2-

NO,N2O

N2

N2

NH2

NH2NO2-

Óxico

Anóxico

Fijación denitrógeno

Nitrificación

Desnitrificación

AsimilaciónAmonificación

Asimilación

Amonificación

Proteínas

Asimilación

Fijaciónde N2

Proteínas

NO2-

Anammox,Nitrosomonas spp

DNRA

Nitrificación


Proceso aeróbico

Autótrofo, utilizan CO2 como fuente de Carbono

Bajo rendimiento celular

Crecimiento lento

Géneros predominantes

Oxidantes de amonio (AOB, AOA)Nitrosomonas

Nitrosospira

Nitrosococcus

Nitrosopumilus

Oxidantes de nitrito (NOB)Nitrobacter

Nitrospira

Nitrospina

Oxidación aerobia de amonio

2 NH4+ + 3O2 2NO2

- + 4H+ + 2H2O + energía

Oxidación aerobia de nitrito

2NO2- + O2 2NO3

- + energía

Desnitrificación


Proceso anóxico pero la mayoría puede utilizar también oxígeno.

Heterótrofas, utilizan compuestos orgánicos (acetato, succinato, etanol)

Rendimiento celular alto, crecimiento rápido

Alta diversidad

Géneros predominantes

Beta Proteobacteria (Comamonas, Azoarcus,

Thauera, Alcaligenes)

Alfa Proteobacteria (Paracoccus, Rhizobium,

Bradirhizobium)

Gamma Proteobacteria (Pseudomonas)

Otros phylum: Bacillus

Anammox


Descubierto al final de 1986 en un

proceso de tratamiento de efluentes y

se identificó la primer bacteria en

1989.

Muy recientemente se ha descubierto

que anammox es una parte

significativa (hasta el 70%) del ciclo del

N en los océanos.

Microorganismos anammox


Planctomycetes, quimiolitótrofos, anaerobios.

No ha sido posible aislarlos en cultivo puro.

Microbiología de biorectores- Preguntas a responder


Qué microorganismos están en el reactor?

La comunidad cambia la cambiar el tipo de operación?

Porqué el reactor funciona mal?

Qué microorganismos hay en el reactor?


Bacterias nitrificantes

Anammox

Remocion de compuestos recalcitrantes

Produccion de hidrogeno

Bacterias poco conocidas

Archaeas nitrificantes

Cambios en las condiciones de operación


Cambios de parametros de operacion como:

OLR

HRT

pH, Temp, nutrientes.

Comparar diferentes tipos de reactor

Comparar diferente inoculo

Porqué el reactor funciona mal?


Problemas de bulking

Acidificacion de reactores metanogenicos

Inhibicion de metanogenesis

Metano en reactores de hidrogeno

Problemas de hidrolisis

Algunos procesos de interés


Remoción de Sulfuro con bacterias fotótrofas

Desnitrificación con metano

Remoción de P y N

Producción de hidrógeno

Remoción de fósforo




GLUCOSE

Fermentative bacteria

VOLATILE FATTY ACIDS,

ALCOHOLS,

H2

AND CO2

ACETATE

Acetogenic bacteria

METHANE

Methanogenic archaea

Methanogenic archaea



Evitar metanogénesis

Reactores de bajo tiempo de

residencia celular

Tratamiento térmico del inóculo

Trabajar a pH 5

Altas concentraciones de sustrato

Sistema en dos etapas


Etapa

acidogénica

(quimiostato)

Agua

residual

H2+CO2

Ácidos grasos

volátiles

Etapa

metanogénica

(retención de

biomasa)

Efluente tratado

CH4 + CO2

Utilización directa

para obtención de

energía


para obtención de

energíaCompresión y

transporte

Secuenciación masiva de ADN para estudios de comunidade s


Secuenciación masiva para estudios de comunidades


Comunidad microbiana de 29 muestras de rectores de H2


Sistema en dos etapas


Etapa

acidogénica

(quimiostato)

Agua

residual

H2+CO2

Ácidos grasos

volátiles

Etapa

metanogénica

(retención de

biomasa)

Efluente tratado

CH4 + CO2


para obtención de

energía


para obtención de

energíaCompresión y

transporte

Cambios en las condiciones de operación


Hidrogeno y celdas

Jorge Wenzel

Lucía Braga

Laura Fuentes

Silvana Fadul

Angela Cabezas

Reactores escala real

Cecilia Callejas

Patricia Bovio

Metanogénesis a bajas temperaturas

Bruna Dellagnezze

• E-mail: [email protected]

BioProA

Facultad de Ingeniería (UdelaR)

Elena Castelló

Liliana Borzacconi

TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALESMEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADASEN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508

Financiado por:

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