Poblaciones microbianas implicadas en la eliminación de nitrógeno

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Marcos Cabrera Fuentes
hace 6 años
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1 Poblaciones microbianas implicadas en la eliminación de nitrógeno Dra. Claudia Etchebehere Grupo de Ecología Microbiana Instituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable

2 Contenido 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

3 Generalidades de los microorganismos! 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 Fuente de energía y carbono Nutrientes Nitrógeno Fósforo Minerales Importancia del ph Importancia de la Temperatura

4 Qué necesitan para crecer 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 Brock Biología de los Microorganismos 10ed.

5 Cinética de crecimiento Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko Brock Biología de los Microorganismos 10ed. Rendimiento esta dado por la concentración de sustrato Velocidad de crecimiento depende del microorganismo y de las condiciones de crecimiento

6 Gran diversidad filogenetica Mitad de la biomasa terrestre son microorganismos Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko Brock Biología de los Microorganismos 10ed.

7 Diversidad funcional Requerimiento de oxígeno Aerobios Anaerobios (fermentadores o respiradores anaerobios) Facultativos (aerobios o anaerobios) Fuente de Energía Quimio-heterótrofos (azúcares) Quimio-litótrofos (amonio) Fotótrofos (luz)

8 Cómo estudiamos los microorganismos Microscopio observación en fresco Microscopio con tinción especial (FISH). Cultivo en el laboratorio. Técnicas basadas en el estudio del ADN

9 Microscopio 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

10 Hibridación in situ fluorescente (FISH) 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

11 FISH

Incubar en las condiciones adecuadas (atmósfera, luz, temperatura) Se puede

12 Métodos de cultivo 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

13 Métodos basados en el estudio del ADN 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

14 Secuenciación masiva Muestra Extracción ADN Amplificación de gen Secuenciacion masiva 2 hs 3 hs 8 hs

15 Resultado secuenciación masiva 1er operac. 2da operac. Parada Filo/Días Promedio % Acidobacteria 1,9 1,2 2,7 1,3 0,4 1 1,5 1,8 1,7 1,5 Chloroflexi , Firmicutes ,5 Hyd ,6 1,3 7,1 6,5 1,3 2,6 6,7 OD1 0,2 0,4 0,4 0,3 1,8 0,8 1,6 1,8 3,5 1,2 OP8 3,2 3 6,3 4,6 0,6 1,8 3,6 2,1 2,9 3,1 Proteobacteria ,6 2,2 3,1 4,2 4,9 5,5 6,3 Synergistetes 7,5 5 4,4 8,7 2,9 4,1 3,5 4,5 7,5 5,3 TM7 1,2 0,8 0,6 0,3 0,4 0,1 0,2 0,3 0,1 0,4 TPD-58 2,5 0,6 0,2 0, ,4 Thermotogae 3,3 3, ,1 0,3 0,5 0,4 0,6 1,6 Verrucomicrobia ,1 2, ,8 5,7 3,6 6,2*

16 Ciclo del Nitrógeno en la naturaleza Fuente: Michael T. Madigan, John M. Martinko Brock Biología de los Microorganismos 10ed.

17 Nitrificación Proceso aeróbico en dos pasos oxidación de amonio y de nitrito Autótrofo, utilizan CO2 como fuente de Carbono Bajo rendimiento celular Crecimiento lento NOB AOB y AOA Difícil de cultivar En general en baja proporción

Microorganismos nitrificantes Géneros predominantes Oxidantes de amonio AOB (Bacterias) NH4+ Nitrosomonas Nitrosospira O2 Nitrosococcus AOA

18 Microorganismos nitrificantes Géneros predominantes Oxidantes de amonio AOB (Bacterias) NH4+ Nitrosomonas Nitrosospira O2 Nitrosococcus AOA (Archaeas) Nitrososphaera viennensis Candidatus Nitrosopshaera gargensis H2O Oxidantes de nitrito (NOB) Nitrobacter Nitrospira Nitrospina NO2- O2 NO2- NO3- H2O

19 Desnitrificación 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

20 Microorganismos desnitrificantes Géneros predominantes Beta Proteobacteria Comamonas, Azoarcus, Thauera, Alcaligenes Alfa Proteobacteria Paracoccus, Rhizobium, Bradirhizobium Gamma Proteobacteria Pseudomonas Otros phylum: Bacillus Ausencia de oxigeno Materia organica CO2

Muy recientemente se ha descubierto que anammox es una

21 Anammox (Anaerobic ammonium oxidation) 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.

22 Características anammox Proceso anaerobio Son quimiolitótrofos, utilizan CO2 No ha sido posible aislarlos en cultivo puro. Difícil de crecer. Difícil de enriquecer

23 Microorganismos que hacen el proceso anammox Planctomycetes Géneros predominantes Ca. Brocadia Ca. Scalindua Ca. Kuenenia Ca. Anammoxoglobus Ca. Brasilis Ca. Jettenia

24 Cómo utilizar los microorganismos en sistemas de remoción de nitrógeno Oxidación de amonio AOB, AOA Oxigeno NH4+ CO2 Oxidación de nitrito NOB Oxigeno NO2- CO2 Desnitrificación Anaerobio NO3- Materia orgánica Proceso aerobio Proceso anaerobio Poca materia orgánica Agregado de materia orgánica

25 Microorganismos en los sistemas de remoción de Nitrógeno Proceso en dos reactores uno aerobio y otro anaerobio Reactor aerobio nitrificante Reactor anaerobio desnitrificante NH4 + NO 2 - NO 3 - NO 3 - N 2 Agregado de materia orgánica

26 Reactor en batch operado en secuencia (SBR) AOB NOB NH4 + NO 2 - NO 3 - Desafío Determinar los tiempos de cada ciclo NO 3 - N 2 NO 3 - N 2

Utilización del proceso anammox Fuente: http://nett21.gec.

27 Utilización del proceso anammox Fuente: Ahorro de aireación No se debe agregar materia orgánica

28 Ejemplos de trabajos realizados en nuestro laboratorio 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

29 Estudio de reactor SBR de postratamiento de una industria Cuantificación por FISH de AOB y NOB AOB NOB

30 Estudio de anammox en reactores de laboratorio Secuenciación masiva

31 Bacterias filamentosas en sistemas de lodos activados R1 - MALTERÍA R2 - BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS R3 - RESIDUOS HOSPITALARIOS Cuantificación por FISH Caracterización de filamentos

32 Grupo de Ecología Microbiana

33 TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES MEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADAS EN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508 Financiada por:

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