Poblaciones microbianas implicadas en la eliminación de nitrógeno
Dra. Claudia Etchebehere Grupo de Ecología Microbiana Instituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable
2º curso RED TRITÓN Montevideo (Uruguay) 19-20 julio 2017
Contenido
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‣ Generalidades de los microorganismos.
‣ Cómo estudiamos los microorganismos.
‣ Microorganismos involucrados en el Ciclo del N ‣ Nitrificación ‣ Desnitrificación ‣ Anammox
‣ Cómo utilizar los microorganismos para la remoción de Nitrógeno de aguas residuales
‣ Ejemplos de trabajos en nuestro laboratorio
Generalidades de los microorganismos
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! Organismos microscópicos (0,5 a 25 micras) ! Incluyen: hongos microscópicos, bacterias, archaeas y virus. ! Organismos unicelulares ! Reproducción por fisión binaria ! Nombre: Género y especie (por ejemplo Escherichia coli)
Qué necesitan para crecer
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‣ Fuente de energía y carbono
‣ Nutrientes ‣ Nitrógeno ‣ Fósforo ‣ Minerales
‣ Importancia del pH ‣ Importancia de la Temperatura ‣ Oxígeno, nitrato, nitrito, etc. ‣ Anaerobiosis.
Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko. 2004. Brock Biología de los Microorganismos 10ed.
Cinética de crecimiento
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• Rendimiento esta dado por la concentración de sustrato • Velocidad de crecimiento depende del microorganismo y de las
condiciones de crecimiento
Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko. 2004. Brock Biología de los Microorganismos 10ed.
Gran diversidad filogenetica
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Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko. 2004. Brock Biología de los Microorganismos 10ed.
Mitad de la biomasa terrestre son microorganismos
Diversidad funcional
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‣ Requerimiento de oxígeno
‣ Aerobios ‣ Anaerobios (fermentadores o respiradores anaerobios) ‣ Facultativos (aerobios o anaerobios)
‣ Fuente de Energía
‣ Quimio-heterótrofos (azúcares) ‣ Quimio-litótrofos (amonio) ‣ Fotótrofos (luz)
Cómo estudiamos los microorganismos
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‣ Microscopio observación en fresco
‣ Microscopio con tinción especial (FISH).
‣ Cultivo en el laboratorio.
‣ Técnicas basadas en el estudio del ADN
Microscopio
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‣ Observar el lodo en fresco con microscopio óptico.
‣ Estudio de eucariotas. ‣ Cuantificación relativa de filamentos. ‣ Tamaño de los flóculos. ‣ Poca información para sistemas de
tratamiento de remoción de Nitrógeno
Hibridación in situ fluorescente (FISH)
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‣ Se utiliza para identificar microorganismos (especies diferentes de bacterias filamentosas, bacterias nitrificantes).
‣ Se puede cuantificar por análisis de imágenes.
Fuente: Travers, Tesis de Maestría.
Acúmulo de bacterias oxidadoras de amonio
FISH
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Métodos de cultivo
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‣ Diseñar medios de cultivo de acuerdo al microorganismo que queremos crecer.
‣ Incubar en las condiciones adecuadas (atmósfera, luz, temperatura)
‣ Se puede cuantificar (ejemplo Coliformes en agua)
‣ Es trabajoso y lleva tiempo
‣ LA MAYORIA DE LOS ORGANISMOS DE LA NATURALEZA NO SE PUEDEN CULTIVAR
Métodos basados en el estudio del ADN
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‣ A partir del ADN es posible conocer que microorganismos hay en una muestra
‣ El gen del ARNr de 16S es un marcador evolutivo, conociendo su secuencia se conoce el microorganismo.
‣ Métodos rápidos
‣ Se puede conocer la composición de toda la comunidad
Secuenciación masiva
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Muestra Extracción ADN Amplificación de gen Secuenciacion masiva
2 hs 3 hs 8 hs
Resultado secuenciación masiva
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1er operac. 2da operac. Parada
Filo/Días 15 57 271 306 334 356 383 439 531 Promedio %Acidobacteria 1,9 1,2 2,7 1,3 0,4 1 1,5 1,8 1,7 1,5Chloroflexi 19 23 13 24 11 9,9 13 21 12 16Firmicutes 19 17 14 21 26 56 52 49 48 33,5Hyd24-12 8 10 17 5,6 1,3 7,1 6,5 1,3 2,6 6,7OD1 0,2 0,4 0,4 0,3 1,8 0,8 1,6 1,8 3,5 1,2OP8 3,2 3 6,3 4,6 0,6 1,8 3,6 2,1 2,9 3,1Proteobacteria 8 8 14 6,6 2,2 3,1 4,2 4,9 5,5 6,3Synergistetes 7,5 5 4,4 8,7 2,9 4,1 3,5 4,5 7,5 5,3TM7 1,2 0,8 0,6 0,3 0,4 0,1 0,2 0,3 0,1 0,4TPD-58 2,5 0,6 0,2 0,1 0 0 0 0 0 0,4Thermotogae 3,3 3,4 5 1 0,1 0,3 0,5 0,4 0,6 1,6Verrucomicrobia 11 14 3,1 2,1 46 6 4,8 5,7 3,6 6,2*
Ciclo del Nitrógeno en la naturaleza
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Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko. 2004. Brock Biología de los Microorganismos 10ed.
Nitrificación
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Proceso aeróbico en dos pasos oxidación de amonio y de nitrito
Autótrofo, utilizan CO2 como fuente de Carbono
Bajo rendimiento celular
Crecimiento lento
Difícil de cultivar
En general en baja proporción
AOB y AOANOB
Microorganismos nitrificantes
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‣ Géneros predominantes
‣ Oxidantes de amonio ‣ AOB (Bacterias) ‣ Nitrosomonas ‣ Nitrosospira ‣ Nitrosococcus
AOA (Archaeas) ‣ Nitrososphaera viennensis ‣ Candidatus Nitrosopshaera gargensis
‣ Oxidantes de nitrito (NOB) ‣ Nitrobacter ‣ Nitrospira ‣ Nitrospina
NH4+ NO2-
O2 H2O
NO2- NO3-
O2 H2O
Desnitrificación
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‣ Proceso anóxico pero la mayoría puede utilizar también oxígeno.
‣ En general si hay oxigeno no hay desnitrificacion.
‣ Heterótrofos, utilizan compuestos orgánicos,
‣ (acetato, succinato, etanol) ‣ Algunos pueden utilizar H2 o Sulfuro
‣ Rendimiento celular alto, crecimiento rápido
‣ Alta diversidad
Microorganismos desnitrificantes
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‣ Géneros predominantes
‣ Beta Proteobacteria ‣ Comamonas, Azoarcus, Thauera, Alcaligenes
‣ Alfa Proteobacteria ‣ Paracoccus, Rhizobium, Bradirhizobium
‣ Gamma Proteobacteria ‣ Pseudomonas
‣ Otros phylum: BacillusMateria organica CO2
Ausencia de oxigeno
Anammox (Anaerobic ammonium oxidation)
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Descubierto al final de 1986 en un proceso de tratamiento de efluentes. Muy recientemente se ha descubierto que anammox es una parte significativa (hasta el 70%) del ciclo del N en los océanos.
Características anammox
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Proceso anaerobio
Son quimiolitótrofos, utilizan CO2
No ha sido posible aislarlos en cultivo puro.
Difícil de crecer.
Difícil de enriquecer
Microorganismos que hacen el proceso anammox
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‣ Planctomycetes
‣ Géneros predominantes
Ca. Brocadia
Ca. Scalindua
Ca. Kuenenia
Ca. Anammoxoglobus
Ca. Brasilis
Ca. Jettenia
Cómo utilizar los microorganismos en sistemas de remoción de nitrógeno
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Oxidación de amonioAOB, AOAOxigenoNH4+CO2
Oxidación de nitritoNOBOxigenoNO2-CO2
Desnitrificación
AnaerobioNO3-Materia orgánica
Proceso aerobio Proceso anaerobio
Poca materia orgánica Agregado de materia orgánica
Microorganismos en los sistemas de remoción de Nitrógeno
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‣ Proceso en dos reactores uno aerobio y otro anaerobio
Reactor aerobio nitrificante Reactor anaerobio desnitrificante
NH4+ NO2- NO3
- NO3- N2
Agregado de materia orgánica
Reactor en batch operado en secuencia (SBR)
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NO3- N2
NH4+ NO2- NO3
-
AOB NOB
NO3- N2
Desafío Determinar los tiempos de cada ciclo
Utilización del proceso anammox
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Fuente: http://nett21.gec.jp/GESAP/themes/themes4_8_2.htmlAhorro de aireación
No se debe agregar materia orgánica
Ejemplos de trabajos realizados en nuestro laboratorio
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‣ Estudio de un SBR de postratamiento escala industrial
‣ Estudio de reactores anammox de laboratorio para determinar el mejor inoculo.
‣ Estudio de bacterias filamentosas en reactores de lodos activados
Estudio de reactor SBR de postratamiento de una industria
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AOB
NOB
Cuantificación por FISH de AOB y NOB
Estudio de anammox en reactores de laboratorio
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Secuenciación masiva
Bacterias filamentosas en sistemas de lodos activados
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R1 - MALTERÍA R2 - BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS R3 - RESIDUOS HOSPITALARIOS
Cuantificación por FISH
Caracterización de filamentos
Grupo de Ecología Microbiana
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TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES M E D I A N T E S O L U C I O N E S S O S T E N I B L E S FUNDAMENTADAS EN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508
Financiada por:
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