Biotecnología para la eliminación de nitrógeno y fósforo de los efluentes

Transcripción

1 Biotecnología para la eliminación de nitrógeno y fósforo de los efluentes Leonardo Erijman CyTB 2do cuatrimestre 2013

2 Por qué es necesario eliminar nitrógeno de los efluentes?

3 Origen del nitrógeno en efluentes cloacales 13 gramos de nitrógeno (N orgánico) 2 gramos de nitrógeno 11 gramos de N (como urea) 25 mg/l- 60 mg/l como NKT en el efluente

4 Límites de descarga Nitrógeno amoniacal Nitrógeno orgánico Nitrógeno Total Kjeldahl mg/l mg/l mg/l < 75 < 30 < 105 < 25 < 10 < 35 < 75 < 30 < 105 El nitrógeno inorgánico (nitrato y nitrito) solamente se detecta en la medición de nitrógeno total (pero no en TKN)

5 estado de oxidación Ciclo microbiano del nitrógeno

6 Cómo se elimina el nitrógeno de los efluentes?

7 La remoción de N combina nitrificación aeróbica y desnitrificación anóxica Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica

8 Nitrificación: clasificación filogenécca de bacterias nitrificantes oxidantes de nitrito oxidantes de nitrito oxidantes de nitrito oxidantes de amonio

9 Oxidación de amonio en bacterias oxidantes de amonio (AOB) Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed

10 Oxidación de nitrito en bacterias oxidantes de nitrito (NOB) Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed

11 Implementación: Procesos de tratamiento de efluentes retención de biomasa Cámara de aireación Sedimentador Distribuidor rotasvo Digestor Lecho de relleno

12 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 BIOLOGY OF WASTEWATER TREATMENT 2 nd ed, Imperial College Press, London UK

13 Fluorescence in situ hybridization FISH

14 Quién nitrifica en las plantas de tratamiento de efluentes? Schramm 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: Nitrosospira spp. NH 4 + NO 2 - Nitrospira NO 2 - NO 3 -

15 Diversidad en bioreactores nitrificantes Nitrospira otras AOB heterótrofos competencia por NH 3 asimilación org liberación CSLM Nitrosococcus mobilis 10 μm SMP competencia otros recursos Adaptado de: Daims et al. (2006) Trends in Biotechnology 24,

16 Factores que afectan la nitrificación Temperatura Concentración de oxígeno disuelto ph (ópsmo entre ) Relación C/N Compuestos inhibitorios

17 El oxígeno disuelto debe ser suficiente para asegurar la nitrificación Graidy, C.P.L., Daigger, G, T., Li, H.C. (1999) Biological Wastewater Treatment, 2 nd ed.

18 Importancia del Cempo de retención celular 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, 2 nd ed.

19 Importancia del Cempo de retención celular Mínimo Minimum SRT (días) SRT (Days) Nitrification No Nitrification Temperatura (Deg( C) Cent)

20 Como aumentar el Sempo de retención celular?

21 Sistemas híbridos: MBBR

22 También hay arqueas oxidantes de amonio en plantas de tratamiento de efluentes! Park et al., Appl Environ Microbiol 72, (2006)

23 Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación

24 Zehnder, A.J.B. and W. Stumm Geochemistry and biogeochemistry of anaerobic habitats. A.J.B. Zehnder (ed.) Biology of Anaerobic Microorganisms, pp Reacciones redox, equilibrio químico y energía libre La cansdad de energía que puede ser liberada se puede calcular a parsr de la diferencia en los potenciales de reducción de las 2 reacciones y el número de electrones transferidos:!g 0 ' = "nf!e 0 '

25 Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación La mayoría de desnitrificantes son Proteobacterias aeróbicas/facultasvas y son capaces de reducir (anaeróbicamente) otros aceptores de electrones

26 Eliminación de N vía nitrificación- desnitrificación Recirculado de nitrato Líquido crudo Recirculación (RAS) TN= 8-10 mg/l Purga de barro excedente (WAS)

27 Desnitrificación en sistemas híbridos: MBBR

28 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)

29 Nitrificación- desnitrificación convencional Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica

30 Single reactor for high ammonia removal over nitrite (SHARON) Nitrificación aeróbica Desnitrificación heterotrófica anóxica

31 Qué variables se pueden controlar para parar la oxidación en nitrito? Factor Temperatura T > 15 C T = 25 C Efecto AOB crecen más rápido que NOB AOB pueden competir eliminando NOB ph Rango óptimo para nitrificación Rango óptimo para AOB (Nitrosomonas) Rango óptimo para NOB (Nitrobacter) NH 3 libre 150 mg/l Inhibición de AOB 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 HNO 2 > 2.8 mg/l Inhibición de AOB y NOB

32 Predicción teórica de la oxidación anaeróbica de amonio Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): 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:

33 Descubrimiento de anammox ( 15 NH4) 2 SO 4 + NO 3 Na

34 Nuevo paso en el ciclo de nitrógeno reducción anaeróbica de nitrato Oxidación aeróbica de amonio

35 Importancia biogeoquímica de la oxidación anaeróbica de amonio NATURE VOL APRIL 2003 "

36 Caracterización de bacterias anammox

37 Anammoxosoma:propiedades de la membrana NATURE VOL OCTOBER 2002 "

38 Genoma de bacteria anammox

39 Maquinaria enzimácca de Kuenenia stu*gar-ensis Cluster Fe- S Flujo de electrones B Kartal et al Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidason. Nature (2011) doi: /nature10453

40 Anammox: pathway metabólico Nature Reviews Microbiology Volume 9 June

41 Anammox: aplicaciones biotecnológicas

42 Annamox: aplicaciones biotecnológicas

43 Aplicaciones en escala de anammox Roferdam, Holanda Más de 500 kg N/d

44 Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite (CANON)

45 Oxidación anaeróbica de amonio (anammox) NH NO 2! H + " 1.02N NO 3! H 2 O

46 Comparación con métodos convencionales

47 Uso de energía en el tratamiento de B C efluentes Problema Alto consumo de energía usando tratamientos aeróbicos No se puede eliminar nitrógeno con tratamientos anaeróbicos Posible solución B. Kartal, et al. Science 328, 702 (2010)

48 Tratamiento de efluentes: AS/AD/Anammox Kartal et al., (2010) Sewage Treatment with Anammox Science. 328,

49 Resumen de esquemas para eliminación de N Nutrient Removal. Manual of PracSce No. 34. (2010) Water Environment FederaSon, Alexandria, Va

50 Fósforo: mucho o muy poco?

51 Eliminación biológica de fósforo

52 Formación de PHA y acumulación de poli- P Microscopía electrónica PHA Poly- P

53 Formación de PHA y acumulación de poli- P Yuan et al., Curr Opin Biotechnol 2012, 23:

54 Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) } ΔPi

55 Secuencia de reactores aeróbicos y anaeróbicos ANAEROBICO AFLUENTE EFLUENTE ANOXICO AEROBICO WAS (con exceso de P) P es retenido y se elimina del sistema con el barro excedente

56 Crocetti et al., IdenSficaSon of Polyphosphate- AccumulaSng Organisms and Design of 16S rrna- Directed Probes for Their DetecSon and QuanStaSon Appl. Environ. Microbiol. (2000) 66: Polyphosphate accumulacng organisms (PAO): Rhodocyclus Tinción de azul de mesleno. La flechas comunes señalan gránulos de polifosfato, las células señaladas con flechas con rombos no consenen 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 mesleno (gránulos de polifosfato) son las mismas que las amarillas en el panel E panel

57 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: Polyphosphate accumulacng organisms (PAO): AcCnobacteria FISH de EUBmix y PAO revelado con sonda Actino-658 MAR mostrando PAO Actinobacteria y algunos PAO Rhodocyclales que incorporan 33 P i aeróbicamente luego de preincubación anaeróbica con casaminoacidos. PAO Actinobacteria consumen ácido oleico anaeróbicamente

58 Nguyen et al., High diversity and abundance of putasve polyphosphate accumulasng Tetrasphaera- related bacteria in acsvated sludge systems FEMS Microbiol Ecol 76 (2011) Polyphosphate accumulacng organisms (PAO): Tetrasphaera FISH de EUBmix y PAO revelado con sondas Tet3-654 o Tet2-892 MAR mostrando Tetrasphaera ( sonda Tet2-174). Los cocos incorporan 33 P i aeróbicamente luego de preincubación anaeróbica con casaminoacidos. Tet PAO Tetrasphaera consumen glucosa anaeróbicamente

59 Forbes et al., The contribuson of omic - based approaches to the study of enhanced biological phosphorus removal microbiology FEMS Microbiol Ecol 69 (2009) 1 15 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

60 Pathway de glucógeno

61 Glycogen accumulacng organisms (GAO) glucogeno PHA propionato Meyer et al., Putative glycogen-accumulating organisms belonging to the Alphaproteobacteria identified through rrna-based stable isotope probing Microbiology (2006)152:

62 GAO predomina sobre PAO cuando

63 Bibliograla adicional Peredes et al. New Aspects of Microbial Nitrogen TransformaSons in the Context of Wastewater Treatment A Review Eng. Life Sci. (2007) 7, Hu et al., Nitrogen removal with the anaerobic ammonium oxidason process Biotechnol Le@ (2013) 35: Van Hulle et al., Engineering aspects and pracscal applicason of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams Chem Eng J 162 (2010) 1 20 Nielsen et al., Microbial communises involved in enhanced biological phosphorus removal from wastewater a model system in environmental biotechnology. Curr Op Biotech (2012) 23, Albertsen et al., A metagenome of a full- scale microbial community carrying out enhanced biological phosphorus removal. ISME J (2012) 6,