Poblaciones microbianas implicadas en la eliminación de...

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

2º curso RED TRITÓN Montevideo (Uruguay) 19-20 julio 2017

‣ 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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