Análisis de las comunidades microbianas formadas en las membranas utilizadas en biorreactores anaerobios

Los reactores anaerobios son cada vez más utilizados en el tratamiento de aguas residuales debido a que requieren un reducido aporte de energía, son capaces de gestionar grandes cantidades de residuos y carga orgánica, y de degradar residuos orgánicos e inorgánicos. A pesar de esto, los procesos anaerobios en el tratamiento de aguas residuales ofrecen una eficiencia menor que los procesos aeróbicos, por lo que han de combinarse con tratamientos terciarios posteriores, como por ejemplo el filtrado en módulos de membrana.

Esta combinación ofrece un alto rendimiento, eliminando grandes cantidades de residuos, pero también supone el mantenimiento y limpieza de las membranas, ya que en ellas se da la acumulación de colonias bacterianas y de la correspondiente matriz extrapolimérica asociada a su crecimiento formando biopelículas.

Los tratamientos de limpieza habituales, han demostrado no sólo ser ineficaces en la eliminación de dichas colonias, si no que además pueden contribuir a la degradación de las membranas y a la reducción de su vida útil. De ahí que sea de interés el encontrar tratamientos específicos que eliminen de forma eficaz las colonias formadas en este tipo de sistemas, para conseguir esto, es necesario conocer la naturaleza de dichas colonias, así como la de los productos que generan.

Dicho análisis fue descrito en « Analysis of microbial communities developed on the fouling layers of a membrane-coupled anaerobic bioreactor applied to wastewater treatment ».

El diseño del experimento así como los resultados obtenidos serán descritos y revisados a continuación.

1. Diseño del experimento.
   
   

Se dispusieron dos modelos de un sistema consistente en un reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB), cuya salida estaba acoplada a una serie de módulos de membrana en los que se producía el filtrado de las aguas efluentes del reactor. Uno de los sistemas se montó a escala piloto, mientras que el otro se montó a escala de laboratorio a modo de control.

• Tratamiento I: Membranas alimentadas durante 8h con efluente procedente del UASB.
  
  

• Tratamiento II: Membranas alimentadas con agua residual sin tratar.

• Tratamiento III y IV: Membranas utilizadas en la planta UASB durante 2400h, antes y después de la limpieza química, respectivamente.

• Tratamiento V: Membranas procedentes del tratamiento IV fueron expuestas 8h a agua residual sin tratar.

Las tortas ubicadas sobre las membranas en cada uno de los tratamientos fueron analizadas mediante diversos métodos para la localización e identificación de las colonias productoras del biofilm.

2. Análisis óptico de las membranas.
   
   

Las capas de sedimentación formadas en las membranas fueron analizadas mediante microscopía electrónica de barrido y por energía dispersiva de rayos X para obtener información sobre su estructura tridimensional. En cada tratamiento se obtuvieron distintos resultados:

La SEM reveló que las membranas nuevas, analizadas antes de ser tratadas en los UASB tanto a escala de laboratorio como a escala piloto, no estaban libres de microorganismos (A).

• Las membranas control (Tratamiento I, imágenes B y C)  presentaron una colonización tras ser expuestas al efluente del UASB. Los microorganismos observados presentaban morfologías diversas, entre ellos cocos, bacilos y spirilla.

• En el Tratamiento II (D) se obtivieron resultados similares.

• Las membranas procedentes del Tratemiento III (E, F) mostraron una biopelícula en estado avanzado de desarrollo y estructuras cristalinas en las capas intermedias de la torta formada.

• El análisis mediante SEM de las membranas procedentes del Tratamiento IV (G), mostraron estructuras que no aparecían en ningún otro tratamiento. El análisis por EDX demostró que había gran cantidad de flúor, lo que sugería que se había formado a partir del material que componía la membrana fluorine polyvinylidene.  procedente del membrana.

• Tras el Tratamiento V (H) se mostró la formación de una nueva biopelícula sobre las membranas limpiadas químicamente cuando fueron expuestas a agua residual sin tratar durante 8h.
  

Figure S-1. Análisis de las membranas por microscopía electrónica de barrido. A: Membranas a tiempo cero antes de ser sometidas a ningún tratamiento. B and C: Membranas parcialmente colmatadas tras ser expuestas al Tratamiento I. D: Membrana parcialmente colmatada tras ser expuesta al Tratamiento II. E, F: Membranas tras el Tratamiento III. G: Membranas sometidas al Tratamiento IV. H. Biofilm formado tras el tratamiento V.      

3. Análisis filogenético.

Se tomaron muestras de material genético de las tortas formadas en las membranas utilizando un kit de extracción de ADN, en pos de analizar la naturaleza de las colonias bacterianas formadas y se purificaron y aislaron regiones de ADN correspondientes a los genes del ARNr 16S mediante una cromatografía de afinidad, y se amplificaron por PCR. Posteriormente se sometieron a una electroforesis en gel por gradiente de temperatura (TGGE), asegurando la separación de las muestras en función de su secuencia.

Los resultados obtenidos mostraron que las colonias desarrolladas en los tratamientos I, II, poseían una similitud notable, a excepción del tratamiento III y V, los cuales forman un único grupo que muestra más del 85% de similitud en la composición bacteriana. El tratamiento IV, en cambio, solo presentaba un 20% de similitud con el resto de los tratamientos. En general se observó que en todos los tratamientos aparecían comunidades de archeas relacionadas filogenéticamente con las archeas metanogénicas. Esto indica que persisten independientemente de la aplicación de tratamientos de limpieza química.

La comunidad bacteriana de los biofilms que se desarrollaron en las membranas control estuvieron claramente influenciadas por el origen del efluente (aguas residuales sin tratar o procedentes de UASB).

      

4. Conclusión.

A pesar de que la microbiota presente en procesos similares de carácter aeróbico ha sido estudiada y caracterizada, la asociada a los sistemas anaerobios no ha seguido este mismo camino, a pesar de ser sistemas que ofrecen multitud de ventajas, de manera que su rendimiento se ve afectado y su uso disminuido.

Se puede observar por tanto que los procesos mediante los cuales se tratan las membranas acopladas a este tipo de reactores no son suficientemente efectivos en la eliminación de algunos de los tipos de bacterias y arqueas más comunes en este tipo de procesos, de ahí que sea necesaria su revisión, para así poder obtener una eficacia mayor, que permita la optimización de los sistemas anaerobios de depuración de aguas residuales.

5. Referencias.

- Artículo Original: “Analysis of microbial communities developed on the fouling layers of a membrane-coupled anaerobic bioreactor applied to wastewater treatment.” Autores: Kadiya Calderón, Belén Rodelas, Nathalie Cabirol, Jesús González-López, Adalberto Noyola.

Ana María Marco Soler

Laura Butrón García

Natalia Vicente Montero

Pedro García Ortíz