1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS BIOPELÍCULA

Para el tratamiento de las aguas residuales se cuenta con reactores biológicos en los que la biocenosis crece adherida a la superficie de un material sólido formando una capa biológica (biofilm) o biopelícula. Una biopelícula consiste en células inmovilizadas o adheridas sobre un medio soporte, embebidas en una matriz de polímeros orgánicos de origen microbiano y con una fracción significativa de sustancias abióticas o inorgánicas. La depuración de las aguas se realiza mediante su contacto continuo o intermitente con los microbios adheridos a la superficie sólida.

Las biopelículas son la forma habitual de crecimiento de las bacterias en la naturaleza. ¿Quién no ha observado el material mucoso que recubre un jarrón en el que se ha tenido depositadas flores, el material resbaladizo que recubre las piedras de los lechos de los ríos, los cascos de los barcos o la superficie interna de una tubería de agua potable? Otro ejemplo cotidiano de biofilm lo constituye la placa dental. La capacidad de formación de biopelículas no parece estar restringida a ningún grupo específico de microorganismos y hoy se considera que bajo condiciones ambientales adecuadas todos los microorganismos son capaces de formar películas biológicas (Characklis, 1990).

La composición de una biopelícula varía en función del sistema en estudio. El componente mayoritario es el agua, que puede representar hasta un 97% del contenido total. Además de agua y bacterias, la matriz es un complejo formado principalmente por polisacáridos. En menor cantidad se encuentran otras macromoléculas como proteínas, ADN y diversos productos de la lisis celular.

En los primeros trabajos sobre la estructura de biopelículas, una de las cuestiones reiterativas era cómo las bacterias del interior de la biopelícula podían tener acceso a los nutrientes o al

oxígeno. Estudios realizados con microscopía confocal han mostrado que la estructura de la matriz no es sólida o cerrada sino que presenta canales que permiten el flujo de agua, nutrientes y oxígeno incluso hasta las zonas más profundas de la biopelícula. La presencia de estos canales no evita sin embargo, que dentro de las biopelículas se pueda encontrar ambientes diferentes en los que la concentración de nutrientes, pH, es diferente. Esta circunstancia aumenta la heterogeneidad del estado fisiológico en el que se encuentra la bacteria y dificulta su estudio.

Según señala Characklis (1990) durante la colonización y formación de una biopelícula sobre un material soporte se pueden diferenciar los siguientes pasos o etapas (Fig. 1):

1.- Acondicionamiento del soporte al adsorberse moléculas orgánicas sobre su superficie.

2.-Transporte de células microbianas desde el seno del agua (líquido) hasta el soporte acondicionado.

3.- Parte de las células que llegan al soporte se adsorben por un tiempo limitado separándose posteriormente (adsorción reversible). La desorción se puede producir por la fuerza cortante del fluido, influyendo también otros factores físicos, así como químicos y biológicos.

4.- Una parte de las células adsorbidas queda inmovilizada permanentemente (adsorción irreversible).

5.- Las células adsorbidas irreversiblemente crecen a expensas del sustrato incrementando el número de células en la biopelícula. A su vez, las células generan sub- productos en cantidades significativas, por ejemplo sustancias poliméricas extracelulares (EPS, por sus siglas en inglés), que constituyen parte de la matriz biopelícula. La acumulación de biopelícula aumenta mediante el metabolismo microbiano a expensas del sustrato contenido en el agua residual.

6.- Adhesión de células microbianas y de sólidos coloidales y en suspensión a la superficie de la biopelícula (atrapamiento).

7.- Separación de porciones de biopelícula que vuelven al agua. Esta separación puede deberse al esfuerzo cortante producido por el movimiento del fluido (erosión), a la acción mecánica de otras partículas que chocan contra la biopelícula (abrasión) y al desprendimiento de capas de biopelícula (desprendimiento masivo) debido a la pérdida de cohesión o de adherencia de la biopelícula.

ADSORCIÓN ADSORCIÓN REVERSIBLE ADSORCIÓN IRREVERSIBLE (EPS) CRECIMIENTO ATRAPAMIENTO EROSIÓN ABRASIÓN DESPRENDIMIENTO MASIVO AGUA BIOPELÍCULA SOPORTE

Figura 1.1.- Formación de una biopelícula (Tejero et al., 1995)

De forma general, en un sistema biopelícula se pueden diferenciar cuatro compartimentos: el soporte, la biopelícula, el seno líquido y un compartimento gaseoso (Fig. 1.2).

El soporte casi siempre consiste en un material sólido no permeable, que puede ser de origen natural (p.e.: gravas en lechos bacterianos), pero que por lo general será de un material plástico inerte e impermeable. La configuración del soporte depende de las tecnologías involucradas: lechos sumergidos, biodiscos, lechos bacterianos, etc.

En una biopelícula se pueden formar dos capas con diferentes características: una biopelícula base densa y otra superficial menos compacta. Que se desarrollen o formen estas dos capas, o una sola de ellas, depende muy fuertemente de la hidrodinámica del sistema. Con velocidades del fluido elevadas la capa superficial suele tener un espesor poco significativo.

El compartimento gaseoso, en biopelículas aerobias convencionales, suele ser la atmósfera circundante en contacto con el agua (generalmente aire a presión atmosférica) (Fig. 1.2 a). Sin embargo, cuando el soporte lo constituye un material hidrófobo y permeable a gases, por ejemplo: una membrana microporosa, el compartimento gaseoso puede ubicarse en una de las caras del soporte, sin contacto con el agua. En este caso la membrana sirve como soporte para el crecimiento de una biopelícula aerobia no convencional y, además, como medio de aireación (Fig. 1.2b).

Figura 1.2.- Compartimentos de un sistema biopelícula. (a): biopelícula convencional. (b): biopelícula no convencional sobre membrana permeable a gases.

Debido a que el tiempo de estancia de los microorganismos en las biopelículas, en general, es muy elevado, pueden coexistir muchas especies de microorganismos e incluso macroorganismos (Fig. 1.3). El tiempo de retención celular no es un parámetro de diseño y/o explotación de reactores biopelícula porque es muy complejo su control y evaluación.

Los espesores de biopelícula pueden variar tremendamente. Se ha podido observar biopelículas con espesores en un rango muy amplio, desde prácticamente el tamaño de las células (1-10 µm) en una biopelícula en formación, hasta más de 30 mm (biofouling) (Characklis 1990). En procesos biopelícula aerobios aplicados al tratamiento de aguas residuales urbanas los valores oscilarán entre 100 µm (biopelículas nitrificantes) hasta 2 a 5 mm (biopelículas heterótrofas de alta carga).

Soporte película_base Agua Gas

Capa Superficial

membrana

soporte Agua Gas?

película base

Capa Superficial

(a) (b)

BACTERIAS