microbioma de reactores metanogÉnicos escala...

MICROBIOMA DE REACTORES

METANOGÉNICOS ESCALA REAL,

ABRIENDO LA CAJA NEGRA

Dra. Claudia EtchebehereInstituto de Investigaciones Biológicas Clemente Estable,

Montevideo, Uruguay

5º curso RED TRITÓN

Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019

Instituto Clemente Estable



SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

METANOGÉNICOS



1972- Prof. Gatze Lettingadesarrolla el reactor UASB para tartar efluentes industriales

VENTAJAS

• Disminuye la concentración de materia orgánica (DQO) del efluente

• Produce biogás (energía renovable)

• Reactor de alta tasa (grandes volúmenes de efluente en un volumen reducido de reactor)

• No consume energía (eficiencia energética en comparación con sist. aerobios)

Reactor UASB



Ventas de reactores industriales



Evolución de la venta de reactores de tratamiento anaerobio de aguas residuales de las dos mayores empresas internacionales, (A)

Paques y (B) Biothane-Veolia.

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN URUGUAY



Nuestro país tiene metas concretas para disminuir la importación de energía y combustibles fósiles.

CADENA DE DEGRADACIÓN ANAEROBIA



CH4,CO2

Carbohidratos Proteínas Aceitesygrasas

Materialorgánicoensuspension(biopolímeros)

Polipéptidos/PéptidosMono/disacáridos Ácidosgrasos+glicerol

Acetato,propionato,butirato,valerato,ácidolácticoy

alcoholes

CO2,H2,NH4+,H2S,etc.

Acetato CO2,H2

Homoacetogénesis/SAO

HidrólisisChloroflexi

FirmicutesBacteroidetesSynergystetes

AcetogénesisProteobacteria

Firmicutes

Metanogénesis

Methanoosarcinales

Methanobacteriales

MethanomicrobialesMethanococcales

AcidogénesisProteobacteria


Planctomyces

MODELO DE COMUNIDAD MICROBIANA ANAERÓBICA



Fuente: Carballa et al., 2015.

Acetogénesis ProteobacteriaFirmicutes

Metanogénesis

Methanoosarcinales

MethanobacterialesMethanomicrobialesMethanococcales

Acidogénesis ProteobacteriaFirmicutesBacteroidetes

SynergystetesPlanctomyces

Hidrólisis ChloroflexiFirmicutesBacteroidetesSynergystetes

TRATAMIENTO DE EFLUENTE LACTEO



REACTORES UASB PARA EFLUENTE LÁCTEO



13 muestras

8 muestras

1.D

2.D

Trabajo-1

Start up reactorDescarga de NaOH

Trabajo-2

Efecto del agregado de producto comercial para mejorar hidrólisis

TRABAJO 1-



• Reactor UASB modificado (Passeggi et al., 2012)

• Inoculación 1300kg de lodo floculento proveniente de una laguna anaerobia de frigorífico

• Régimen de alimentación intermitente: 3 días alim./4 días recirculación

• Aumento gradual de carga orgánica por aumento de caudal (q)

OBJETIVOEstudiar como se adaptan las comunidades microbianas durante el arranque de reactores metanogénicos

AUMENTO DE LA CARGA GRADUAL Y ACCIDENTE



DERRAME DE NaOH

TRABAJO 1-



OPERACIÓN DEL REACTOR



Tecnicas basadas en el ADN y ARN



• Carl Woose, filogenia molecular

• Propuso la utilización del gen del ARNr como cronómetro evolutivo

FILOGENIA BASADA EN LA SECUENCIA DEL ADN



Caracterización mediante secuencia del gen del ARNr de 16S



¿Cómo podemos estudiar comunidades microbianas sin aislar

los microorganismos?

• Métodos de fingerprinting T-RFLP, DGGE

• Métodos de secuenciación

Separación e identificación de productos de PCR



• Riqueza, número de especies diferentes

• Equitatividad, abundancia relativa de las especies.

• Indice de Shanon considera los dos conceptos para medir la diversidad.

CONCEPTOS DE COMUNIDADES MICROBIANAS



SECUENCIACIÓN MASIVA EN PARALELO



SECUENCIACIÓN MASIVA ION TORRENT



ANÁLISIS DE LAS COMUNIDADES MICROBIOANAS



q,pH,DQO,T,qCH4,diario

Reactor

UASB

100m3

Muestrasdelodo15días

SecueniaciónderARNde16SPGMIonTorent

AMEAcetate/CH4

SSV,DQO,IVL

Q-PCRrARNde16S,mcrA

PCA ANALISIS DE LAS COMUNIDADES



ESTRUCTURA DE LAS COMUNIDADES A NIVEL DE FILO



Gran aumento de Firmicutes luego del derrame de NaOH

METANOGÉNESIS



Actividad metanogénica (SMA)

Abundancia de arqueas metanogénicas (qPCR gen mcrA)

CONCLUSIONES TRABAJO 1-



Las comunidades se adaptan durante el start up disminuyendo la diversidad y

aumentando la abundancia de microorganismos adaptados al nuevo sustrato,

nuevas cargas, etc.

El derrame de álcali produjo un aumento drástico en el dominio de algunos miembros de Clostridia. Por el contrario, los miembros del orden Nitrosococcales, Aegiribacteria y Synergistales se vieron afectados por el pH y se recuperaron después de la perturbación alcalina.

Las copias del gen mcrA aumentaron con el tiempo cuando el reactor comenzó a funcionar, pero se vieron muy afectadas por la perturbación del pH. Sin embargo, los metanógenos podrían resistir la perturbación tanto a nivel de actividad genética como enzimática.

La recuperación de metanógenos después de cambios abruptos es uno de los cuellos de botella que afectan a este tipo de sistema.

Nuestro trabajo demostró la alta capacidad de adaptación y la robustez del microbioma de los reactores a gran escala.

TRABAJO-2



13 muestras

8 muestras

1.D

2.D

DOS REACTORES EN PARALELO



OBJETIVOEstudiar el efecto del agregado de un preparado comercial para mejorar la hidrólisis de grasas.

Producto comercial de enzimas y microorganismos

REACTORES



BOX PLOT CON DATOS DE LOS REACTORES



El agregado del producto no cambia la producción de metano y la remoción de DQO.

El agregado del producto aumenta la remoción de grasas y produce un aumento transitorio de los VFA.

ACUMULACIÓN DE ÁCIDOS ORGANICOS EN EL REACTOR A



Reactor A (agregado de producto)

Reactor Bcontrol

CADENA DE DEGRADACIÓN ANAEROBIA



CH4,CO2

Carbohidratos Proteínas Aceitesygrasas

Materialorgánicoensuspension(biopolímeros)

Polipéptidos/PéptidosMono/disacáridos Ácidosgrasos+glicerol

Acetato,propionato,butirato,valerato,ácidolácticoy

alcoholes

CO2,H2,NH4+,H2S,etc.

Acetato CO2,H2

Homoacetogénesis/SAO

HidrólisisChloroflexi


AcetogénesisProteobacteria

Firmicutes

Metanogénesis

Methanoosarcinales

Methanobacteriales

MethanomicrobialesMethanococcales

AcidogénesisProteobacteria


Planctomyces

T-RFLP Terminal-Restriction Fragment Length Polymorfisms



¿SE AFECTAN LAS COMUNIDADES MICROBIANAS?



Rojo antes del agregado

Azul después del agregado

NO SE OBERVAN CAMBIOS EN LA ESTRUCTURA DE LA COMUNIDAD

ANÁLISIS DE SECUENCIACIÓN DEL GEN ARNr 16S



ANALISIS DE UNIFRAC CON SECUENCIAS DE FIRMICUTES



MICROORGANISMOS QUE AUMENTARON EN EL REACTOR A



¿INHIBICIÓN POR ÁCIDOS GRASOS DE CADENA LARGA?



EL AUMENTO DE LA HIDRÓLISIS DE GRASAS PUEDE LLEVAR A LA ACUMULACIÓN DE ÁCIDOS ORGÁNICOS DE CADENA LARGA (PALMÍTICO, OLEICO) QUE INHIBEN LA METANOGÉNESIS.

SE CALCULO CUANTOS ÁCIDOS ORGANICOS DE CADENA LARGA SE PODRIAN HABER LIBERADO Y EL VALOR ES MENOR AL REPORTADO PARA INHIBICIÓN.

¿PUDO HABER INHIBICIÓN POR AGV?



CONCLUSIONES



El agregado del compuesto comercial mejora la hidrólisis perono mejora la degradación de los productos intermediarios nimejora la producción de metano

La razón puede estar asociada a la adaptación lenta de losmicroorganismos sintróficos y metanogénicos.

El agregado intermitente podría mejorar el proceso.

Se demostró que el agregado del producto produce unavariación en algunos grupos de la comunidad microbiana queprobablemente estén involucrados en la degradación deproductos intermediarios.

Al final de la operación las comunidades de los dos reactoresconvergen indicando que otros factores tienen un efecto masimportante que el agregado del producto

MIDAS database project

http://www.midasfieldguide.org/en/global-database-of-microbes/map-and-list-of-coordinators.htm

GRACIAS



Pos doc:Djalma Ferraz

Victoria de la Sovero

PhD estudiantesPatricia BovioLaura Fuentes

Master estudiantesInés Etchelet

Mariangeles GarcíaAngeline Saadoun

ColaboradoresAngela Cabezas

Elena CastellóLiliana Borzacconi

Cecilia Callejas

TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALESMEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADASEN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508

Financiado por:



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