concurso microbiología gbs. segundo premio 2007. jaume puig agut
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Efecto de rotíferos lecánidos en el tamaño de los flóculos de un sistema de fangos
activos
Jaume Puigagut(1,2) (*), Humbert Salvadó(2), Xavier Tarrats(1) and Joan García(1),
(1) Dpt. Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental. Universitat Politècnica de
Catalunya. Jordi Girona, 1-3. 08034– Barcelona. telephone: 00 34 934016464; Fax: 00
34 934017357
(2) Dpt. Biologia Animal. Universitat de Barcelona. Avda. Diagonal 645 08028 –
Barcelona.
(*)Autor responsable. E-mail: [email protected]
1.-Resumen
Una planta piloto de fangos activos fue objeto de estudio (a nivel físico-químico y
biológico) durante cinco meses para determinar el efecto de los rotíferos lecánidos sobre
el tamaño de los floculos del reactor biológico y sus posibles consecuencias sobre el
proceso de depuración. Los resultados obtenidos indican que poblaciones superiores a
400 individuos.mL-1 de rotíferos lecánidos reducen un 50% el área promedio de los
floculos del reactor biológico. Por otra parte, el efecto reductor del área de los floculos
llevado a cabo por los rotíferos lecánidos tuvo una repercusión importante en la
eliminación del nitrógeno. Específicamente, cuando los rotífieros lecánidos tenían una
abundancia promedio inferior a los 400 individuos.mL-1 las concentraciones de nitratos
y amonio en el efluente fueron 11.7 4.9± mg NO3-N.L-1
y 1.5 ±2.1mg NH4-N.L-1
,
respectivamente. Por otra parte, cuando la abundancia de rotíferos sobrepasó los 400
individuos.mL-1
las concentraciones de nitratos y amonio en el efluente subieron
significativamente hasta los 22 ±12.5 mg NO3-N.L-1 mg y 6.7 ±6.2mg NH4-N.L-1,
respectivamente.
Palabras clave: microfauna, metazoos, tamaño de floculo, eliminación de nitrógeno.
2.-Introducción
En términos generales se puede decir que las poblaciones de microfauna son un
elemento indispensable para que un proceso de depuración biológico funcione
correctamente. La contribución de los protozoos y pequeños metazoos a la calidad de un
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efluente de un sistema biológico de aguas residuales ha estado ampliamente descrita
(Curds, 1963; Ratsak, 2001) y se basa en la eliminación de materia en suspensión
(bacterias) por parte de estos microoganismos debido a sus estrategias alimentarias
(bacteriófagos). Por otra parte, el estudio de las poblaciones de microfauna (protozoos y
pequeños metazoos) asociadas a cualquier sistema biológico de depuración de aguas
residuales es también una herramienta que permite aumentar la información del estado
de funcionamiento del proceso de depuración y, por tanto, mejora la capacidad de
gestión de la planta depuradora. A este respecto hay multitud de estudios sobre la
capacidad de bioindicación de las condiciones de operación en sistemas biológicos de
depuración mediante el análisis de la microfauna (Madoni, 1994; Puigagut, , et al., 2005;
Salvadó, et al., 2004; Nicolau, et al., 2001). Por otra parte, y aunque hay estudios
recientes que sostienen que los rotíferos pueden variar tanto la distribución del tamaño
de bacterias como de los floculos en sistemas de depuración biológicos, aún se está
bastante lejos de caracterizar en términos cuantitativos hasta qué punto estos
microorganismos contribuyen a la reducción del tamaño del floculo y, aún menos, que
repercusión tiene ese efecto en el proceso de depuración. Por tanto, el objetivo principal
de este estudio es determinar cuantitativamente la reducción del tamaño de floculo por
parte de pequeños metazoos y analizar qué repercusiones tiene esa reducción de los
floculos en el proceso de depuración.
3.-Material y métodos
3.1.-Planta piloto
La planta piloto objeto de estudio consta de un reactor biológico de 9 L seguido de un
decantador de 3.5L. Dicha planta fue operada a 5 días de tiempo medio de retención
celular (TMRC) y a 27 horas de tiempo de retención hidráulico (TRH) en modo de
alimentación continua.
3.2.-Agua residual
El agua residual utilizada durante todo el periodo de estudio fue una mezcla de agua
residual urbana pre-tratada con un floculante comercial (Tanflog SG) y enriquecida con
almidón como fuente de materia orgánica particulada. El enriquecimiento con materia
orgánica particulada fue llevado a cabo a partir de unos estudios preliminares del grupo
de investigación que sugerían que las poblaciones de metazoos se desarrollaban en
mayor medida cuando la presencia de materia orgánica particulada aumentaba (estudios
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no publicados). El floculante utilizado (Tanfloc SG) es un polímero basado en extractos
vegetales modificados de Acacia melanoxylon desprovisto de sales metálicas y que tiene
carácter catiónico y un bajo peso molecular. La cantidad de floculante administrada al
agua residual fue 70 mg.L-1. El floculante fue administrado al agua residual mediante un
Jar Test estandar. La metodología del Jar Test consistió en una reacción de mezcla
rápida (195 rpm) del floculante con el agua residual durante 1 minuto seguida de una
reacción de mezcla lenta (20 rpm) durante 15 minutos. Este proceso de floculación fue
llevado a cabo cada 10 días (con agua residual fresca), y el volumen total de agua
floculada (unos 90 litros por vez) se almacenaba en un congelador para reducir la
variabilidad físico-química del agua urbana. Así mismo, cada día unos 9 litros de agua
floculada eran extraídos del congelador y descongelados a temperatura ambiente para
ser mezclados, posteriormente, con el almidón. La cantidad de almidón administrado al
agua floculada (unos 290 mg.L-1
) representaba la cantidad necesaria de almidón para
conseguir una DQO total del agua residual afluente de unos 300 mg.L-1
. Las
características físico-químicas del agua residual utilizada así como las condiciones de
operación de la planta piloto empleada están resumidas en la tabla 1.
3.3.-Análisis físico-químico
Durante todo el periodo de estudio la DQO total, los sólidos en suspensión totales
(TSS), los sólidos en suspensión volátiles (SSV), el pH, la temperatura y el oxígeno
disuelto fueron analizados diariamente. Además, la DQO soluble (filtrada con filtros de
0.2µm de diámetro de poro nominal), nitratos, nitritos y amonio fueron analizados dos
veces por semana. Finalmente el índice volumétrico de fangos (IVF) fue analizado cada
dos semanas. Todos estos parámetros físico-químicos fueron llevados a cabo
inmediatamente después de la recolección de muestras y efectuados según APHA
(2001).
3.4.-Análisis biológicos
Las muestras susceptibles de análisis microbiológico fueron tomadas dos veces por
semana. En dichas muestras los protozoos (ciliados y flagelados) y pequeños metazoos
fueron enumerados mediante dos sub-muestras de 25µl cada una mediante microscopio
ópticos de campo claro. Los protozoos ciliados fueron identificados “in vivo” según
Foissner et al., (1991, 1992, 1994) y, en caso de ser necesario para un correcta
identificación, los microorganismos fueron teñidos mediante la técnica de impregnación
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argéntica descrita por Fernández-Galiano (1994). Los flagelados fueron clasificados
según su tamaño en microflagelados (individuos menores de 25 µm) y macroflagelados
(individuos mayores de 25µm). Finalmente, los metazoos fueron clasificados a nivel de
familia según Koste (1978 a y b).
3.5.-Determinación del tamaño de floculo.
Para determinar el tamaño y el área promedio de los flóculos en el reactor biológico de
la planta piloto muestras del licor mezcla fueron extraídas diversas veces. De cada
muestra extraída se contó el número y el área de, al menos, 100 floculos mediante gotas
de 25 µl bajo microscopio óptico de campo claro.
Afluente Reactor Efluente
Agua floculada Mezcla con almidón
DQOtotal (mg.L-1
) 180±32 290±49.8 - 54.6±13.6
DQOtotal eficiencia, % - - - 80±5
DQOsoluble (mg.L-1
) - 164.2±54.1 - 47.5±18.1
DQOsoluble eficiencia, % - - - 66±20
NH4+-N (mg.L
-1) - 42.7±9.5 - 4.7±5.7
NH4+-N, eficiencia, % - - 87±12
NO3--N (mg.L
-1) - nd - 20.1±10.8
NO2--N (mg.L
-1) - nd - 3.7±2.2
SST (mg.L-1
) - 290±111 444±90 37±36
SSV (mg.L-1
) - 280±140 360±70 35±21
pH - - 7.7±0.1 -
Temperatura min-max (ºC) - - 17.5-19 -
Oxigeno (mg.L-1
) - - 2-4 -
TMRC (días) - - 5 -
TRH (horas) - - 27 -
Tabla 1. Parámetros físico-químicos y operacionales de la planta piloto.
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4.-Resultados y discusión
En términos generales la población de microfauna a lo largo de todo el periodo de
estudio fue bastante rica en diversidad de todos los grupos de microfauna que suelen
estar presentes un sistema de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales
(Tabla 2). Dentro de los protozoos ciliados hemos de destacar la especial importancia,
en términos de abundancia, del grupo de los peritricos (Tabla 2) y, especialmente, la
presencia del ciliado Vorticella convallaria-complex. Además, dentro del grupo de los
metazos, hemos de añadir que los rotíferos lecánidos fueron los más abundantes (Tabla
2).
Tabla 2. Abundancias promedio de la microfauna por grupos y especies a lo largo de
todo el periodo experimental.
Microorganismo
Microfauna total (ind.mL-1
) 1810±800
Metazoos (ind.mL-1
) 445±360
Rotíferos Lecanidos 275±258
Rotíferos Filodínidos 63±47
Nematodos 27±24
Flagelados (ind.mL-1
) 306±524
Macroflagelados 306±524
Ciliados (ind.mL-1
) 935±896
Nadadores 116±140
Litonotus lamella 91±126
Reptantes 135±266
Aspidisca cicada 27±62
Acineria uncinata 76±235
Sésiles 584±640Vorticella convallaria-complex 427±609
Opercularia assymetrica 139±138
Epystilis coronata nd
Podophrya sp. 67±73
Por otra parte, y tal y como Luxmy et al., (2000) describe, microorganismos de gran
tamaño relacionados con un sistema de depuración biológico, como los rotifieros,
pueden llevar a cabo una reducción significativa del tamaño de flóculo. En nuestro
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estudio, abundancias superiores a los 400 individuos.mL-1
en el reactor biológico
conllevaron una reducción de hasta un 50% del área promedio de los flóculos (Figura
1)
Frecuencia acumulada
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Á r e a d e
f l o c u l o ( m m
2 )
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
Lecanidae<400 individuos-mL-1
Lecanidae>400 individuos.mL-1
Figura 1. Frecuencia acumulada del área del floculo en función de la abundancia de
rotífieros lecánidos.
Aunque abundancias de lecánidos superiores a los 400 individuos.mL-1 produjeron una
reducción del tamaño del floculo bacteriano significativo, no se observaron diferencias
significativas (p>0.05) en la capacidad de sedimentación de fangos (Figura 2); aunque
la tendencia fue que la sedimentación mejorara a medida que la abundancia de rotíferos
lecánidos aumentaba. Esta tendencia a la disminución del SVI en presencia de mayoresabundancias de rotíferos coincidiría con los estudios de Lapinski and Tunnacliffe
(2003), aunque estudios de mayor envergadura sobre el tema serían necesarios para
matizar y establecer un límite más concreto sobre el efecto de las poblaciones de
lecánidos en la sedimentación de los fangos.
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Abundancia de rotíferos lecánidos
< 400 ind/mL > 400 ind/mL
I V F ( m L . g
- 1 )
0
10
20
30
40
50
60
7080
90
100
110
120
Figura 2. Variación del índice volumétrico de fangos en función de la abundancia de
rotífieros lecánidos. Nota: Las barras superiores e inferiores de los gráficos respresentan
el percentil 10 y 90, respectivamente. El inicio y final de las cajas representan los
percentiles 25 y 75, respectivamente. Las línias contínuas y discontinuas dentro de las
cajas representan la mediana y el promedio respectivamente.
Por otro lado, la abundancia de metazoos sí tubo un efecto significativo (p<0.05) sobre
la capacidad de eliminación de nitrógeno. En este sentido, se vio que debido a una
reducción del área de los floculos producida, a su vez, por un aumento de las
poblaciones de rotíferos, empeoraba el rendimiento del sistema en términos de
eliminación de nitrógeno (amonio y nitratos) (Figura 3a y 3b, respectivamente).
Específicamente, la concentración efluente de nitratos y amonio fue 11.7 4.9± mg NO3-
N.L-1
y 1.5 ±2.1mg NH4-N.L-1
cuando la abundancia de rotíferos era inferior a 400
individuos.mL-1
, mientras que la conentración efluente de nitratos y amonio fue 22
±12.5 mg NO3-N.L-1
mg y 6.7 ±6.2mg NH4-N.L-1
cuando la abundancia de rotifieros era
superior a 400 individuos.mL. De hecho, el tamaño de floculo en sistemas de fangos
activos se ha descrito como uno de los parámetros más influyentes en la eliminación
simultanea de amonio y nitratos (Pochanaand Keller, 1999). Por tanto, los autores
asumen que el efecto de los rotiferos en cuanto a reducción del área del floculo se
refiere, produce floculos con una menor area anóxica interna, limitando, de esta manera,la capacidad de eliminación de nitratos del sistema. Esta hipótesis es consistente con los
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trabajos previos de Rensink and Rulkens (1997) y Lee and Welander (1996a, b) que
describieron un incremento de las concentraciones de nitratos en la fase líquida de un
reactor biológico como consecuencia de un aumento de la microfauna en general y,
especialmente, de las abundancias de metazoos. Por otra parte, y aunque hay trabajos
que no encuentran relación alguna entre un aumento de las poblaciones de microfauna y
las concentraciones de amonio en el efluente del sistema, en nuestro estudio, las
concentraciones promedio de amonio en el efluente aumentan más de 4 veces cuando
las poblaciones de rotíferos lecánidos sobrepasan los 400 individuos.mL-1
. Estos
resultados estarían en consonancia con lo descrito por Lee and Welander (1994),
quienes encontraron que los rotíferos son capaces de alimentarse de aglomeraciones de
bacterias nitrificantes en procesos de biofilm aerobios. Así pués, según los autores de
este trabajo, un incremento en las poblaciones de rotíferos lecánidos podria
comprometer la eliminación biológica del nitrógeno debido a su habilidad de fraccionar
o reducir el área de los floculos bacterianos y su posible especificidad por la
depredación de bacterias nitrificantes.
<400 ind/mL >400 ind/mL
A m m o n i o - N
( m g . L
- 1 )
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20(a)
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< 400 ind/mL > 400 ind/mL
N i t r a t o s - N
( m g . L
- 1 )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45(b)
Figura 3. Concentración de amonio (3a) y nitratos (3b) en el efluente de la planta en
función de la abundancia de rotíferos lecánidos.
5.-Conclusiones
Las poblaciones de rotíferos lecánidos pueden llegar a reducir el área promedio de los
floculos bacterianos un 50%, especialmente cuando alcanzan abundancias superiores a
los 400 individuos por mililitro.
La reducción del área de los floculos por causa de un aumento de la abundancia de
rotíferos lecándios conlleva un detrimento en la eliminación tanto de nitratos como
amonio.
6.-Referencias bibliográficas
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