INFLUENCIA DE LA VARIACIÓN TEMPORAL DEL SUSTRATO SOBRE LA BIODEGRADACIÓN DE COMPUESTOS TÓXICOS
Germán Buitrón* y Alma Rosa Torres
Coordinación de Bioprocesos Ambientales, Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México,
Ap. Postal 70-472, 04510 México D. F., MEXICO, Fax : (52 5) 616-21-64 ; Email : [email protected]
*Autor para correspondencia
PALABRAS CLAVE
Biodegradación, compuestos fenólicos, ayuno, cinética, SBR, modelos
INTRODUCCIÓN
Muchos de los procesos industriales que generan aguas conteniendo compuestos tóxicos orgánicos se caracterizan por su variabilidad. En efecto, en las industrias química, farmacéutica, de plásticos, papel y celulosa, petroquímica, etc., muchos de los procesos de manufactura son en lotes. De esta manera, al efectuar el lavado de los tanques de proceso se generan aguas residuales con altas concentraciones de tóxicos de manera puntual y, posteriormente, la concentración disminuye o se vuelve nula. Estas variaciones temporales de la concentración de sustrato (o ayuno) tienen como efecto una gran variabilidad en la actividad de los microorganismos presentes en las plantas de tratamiento de aguas residuales. En general, y en el mejor de los casos, las eficiencias de eliminación de la materia orgánica, no son satisfactorias. En ocasiones los microorganismos simplemente no toleran el tóxico y son inhibidos a tal grado que su actividad cesa.
A pesar que la pérdida de actividad debida al paso de los microorganismos por un periodo de ayuno ha sido reportada por varios autores (Arbuckle y Kennedy, 1989 ;Babcock et al., 1992 ; Hess et al., 1993), esta variable no es considerada en el diseño de los sistemas de tratamiento de aguas, ocasionando un mal funcionamiento en la operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales.
El presente trabajo tuvo como objetivo el estudio de la influencia de la variación temporal del sustrato, o periodos de ayuno, sobre las cinéticas de degradación de compuestos fenólicos por microorganismos aerobios. Los resultados de este trabajo son una de las etapas necesarias de un proyecto más general que busca automatizar y controlar la operación de los reactores discontinuos secuenciales usados para la degradación de compuestos tóxicos.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Inóculo microbiano
Para los estudios se utilizó biomasa aclimatada a la degradación de compuestos fenólicos. El inóculo se obtuvo del tanque de aireación de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales. Se utilizaron dos clases de sustrato (como única fuente de carbono y energía) 4-clorofenol (4CF) solo y una mezcla, a proporciones iguales, de fenol, 4CF, 2,4-diclorofenol (DCF) y 2,4,6-triclorofenol (TCF), en una proporción de 25% cada uno. Se estudiaron concentraciones iniciales de 100 y 200 mg/l para el clorofenol y de 50 y 100 mg/l para la mezcla de fenoles. El medio de reacción se complementó con nitrógeno, fósforo y oligoelementos. Se estudiaron tres temperaturas (15, 20 y 25 ºC).
Reactor piloto utilizado
El estudio se llevó a cabo utilizando un proceso periódico conocido como SBR (Sequencing Batch Reactor). Los sistemas SBR presentan grandes ventajas sobre los sistemas continuos para la degradación de compuestos específicos debido a la presión de selección que ejercen sobre los microorganismos. En efecto, se puede manipular tanto la distribución de los microorganismos dentro del reactor como su estado fisiológico (Irvine et al., 1997). La aclimatación de los microorganismos se efectuó disminuyendo el tiempo de reacción hasta lograr la degradación en 4 horas. Una vez aclimatada la biomasa ésta fue utilizada para llevar a cabo los experimentos cinéticos.
Cinéticas de degradación
Se monitoreó la degradación de los compuestos fenólicos antes y después de someter a los microorganismos a periodos de ayuno del sustrato de 4, 8, 12, 24 y 36 horas. Durante los periodos de ayuno no se suministró ninguna fuente de carbono y de energía externa, únicamente se prolongó la etapa de reacción aireada del SBR. Las cinéticas se realizaron utilizando 4CF o la mezcla de fenoles. La tabla 1 muestra la combinación de experimentos realizados.
Técnicas analíticas
La concentración de fenoles se determinó de acuerdo con APHA (1992) utilizando el método colorimétrico de la 4-aminoantipirina y el carbono orgánico total (TOC Shimadzu modelo 5050). Antes y después de los periodos de ayuno de monitoreó la viabilidad de las bacterias por medio de la cuenta heterótrofa en placa utilizando agar R2A y 0.1 mg/l de 4CF o mezcla de fenoles.Para el análisis de los resultados
se utilizó el modelo de Haldane. Las constantes µmax, Ks y Ki se obtuvieron a través del ajuste de la curva de degradación al modelo de Haldane (ecuación 1). La ecuación se integró numéricamente y las estimaciones se realizaron de acuerdo con el método de Hook y Jeevs (Buitrón 1994).
µ
=
µ
+ +
max S IS
K
S S K
2 (1) donde:µmax : Tasa máxima de crecimiento específico, h-1
KS : Constante de afinidad, mg/l
KI : Constante de inhibición, (mg/l)2
Tabla 1. Cinéticas efectuadas para determinar la influencia del periodo de ayuno sobre los coeficientes µmax, Ks y Ki y la viabilidad.
Temperatura, ºC
4 clorofenol mezcla de fenoles Concentración l Tiempo de ayuno, h Tiempo de ayuno, h
Inicial, mg/ 4 8 12 24 36 4 8 12 24 36 50 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 100 15 20 25 15 20 25 15 20 25 15 20 25 15 20 25 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 200 15 25 15 25 15 25 15 25 15 25 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cinéticas de biodegradación
La figura 1 muestra una serie de datos típica obtenida en los experimentos de biodegradación. Como se puede observar, después de 8 horas de ayuno las
pérdidas de actividad de la biomasa son evidentes, siendo la cinética efectuada a 36 horas la más afectada por el ayuno.
La figura 2 presenta una serie de resultados cinéticos para la mezcla de fenoles a una concentración inicial de 100 mg/l. De igual manera que para el caso del clorofenol, se observa que los tiempos de biodegradación aumentan al aumentar el tiempo de ayuno. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 TIEMPO,h Antes de ayuno 4h 8h 12h 24h 36h CONCENTRACION DE 4-CF, mg/L
Figura 1. Influencia del periodo de ayuno sobre las cinéticas de biodegradación del 4CF Concentración inicial 100 mg/l ; 20ºC 0 20 40 60 80 100 120 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 TIEMPO, h CONCENTRACION DE MEZCLA DE FENOLES, mg/l Antes de ayuno 4 h 8 h 12 h 24 h 36 h
Figura 2. Influencia del periodo de ayuno sobre las cinéticas de biodegradación de la mezcla de fenoles. Concentración inicial 100 mg/l ; 25ºC
Tasa máxima de crecimiento.
Los resultados muestran que la tasa máxima de crecimiento se ve severamente afectada por el paso de un periodo de ayuno. Para todos los casos estudiados, la tasa máxima disminuye al aumentar el tiempo de ayuno. Lo anterior se puede observar en las figuras 3 a 6.
4 8 12 24 36 25 20 15 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Tasa de crecimiento, h-1 Tiempo de ayuno, h Temperatura (ºC)
Figura 3. Influencia del tiempo de ayuno y de la temperatura sobre la tasa máxima de crecimiento. 4CF, 100 mg/l. 4 8 12 24 36 25 15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Tasa de crecimiento, h-1 Tiempo de ayuno, h Temperatura (ºC)
Figura 4. Influencia del tiempo de ayuno y de la temperatura sobre la tasa máxima de crecimiento. 4CF, 200 mg/l.
4 8 12 24 36 15 25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Tasa de crecimiento, h-1 Tiempo de ayuno, h Temperatura, ºC
Figura 5. Influencia del tiempo de ayuno y de la temperatura sobre la tasa máxima de crecimiento. Mezcla de fenoles, 50 mg/l.
4 8 12 24 36 15 25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Tasa de crecimiento, h-1 Tiempo de ayuno, h Temperatura, ºC
Figura 6. Influencia del tiempo de ayuno y de la temperatura sobre la tasa máxima de crecimiento. Mezcla de fenoles, 100 mg/l.
Se encontró que existe una relación log-log entre el tiempo de ayuno y µmax (figura 7), es decir :
log µmax = mlog tay + logk (2) reescribiendo la ecuación 2 :
µ
max= k(t
ay)
m (3)Donde,
µmax = tasa máxima de crecimento, h -1
k y m = constantes que dependen del tipo de sustrato
Cabe aclarar que el modelo (3) es aplicable en el intervalo 4≤ tay ≤ 36, y para el intervalo de temperatura de 15 a25 ºC.
0.01 0.1 1
1 10 100
Tiempo de ayuno, h
Tasa específica de crecimiento, h-1
15 ºC, 100 mg/l 20 ºC, 100 mg/l 25 ºC, 100 mg/l 15 ºC, 200 mg/l 25 ºC, 200 mg/l
Figura 7. Relación logarítmica entre el tiempo de ayuno y la tasa máxima de crecimiento para el 4CP a varias temperaturas y concentraciones iniciales. En la tabla 2 se presentan los valores de las constantes del modelo para las temperaturas estudiadas.
Tabla 2. Coeficientes k y m del modelo (3)
4CP Mezcla Condición m k m k 50 mg/l 15 ºC -0.1587 0.2387 25 ºC -0.2923 0.3822 100 mg/l 15 ºC -0.2743 0.2412 -0.1253 0.2047 20 ºC -0.5411 0.3700 25 ºC -0.2111 0.1511 -0.1480 0.3545 200 mg/l 15 ºC -0.3139 0.5404 25 ºC -0.2583 0.1889
En la tabla 3 se analiza específicamente la influencia de periodos de ayuno de 36 horas a 25 ºC ya que en este caso se observaron las mayores pérdidas. Para los cuatro casos presentados, éstas pérdidas oscilan entre 41 y 60%. Lo anterior significa que el tiempo necesario para degradar, con una eficiencia constante, la misma concentración inicial de sustrato aumentará en la misma proporción. Buitrón et al. (1994) atribuyeron la disminución de actividad a las pérdidas de la actividad enzimática y de viabilidad.
Tabla 3. Influencia de un periodo de ayuno de 36 horas sobre los coeficientes cinéticos para una temperatura de 25 ºC
Concentración inicial, mg/l
µµmax, h -1
Ks, mg/l Ki, mg/l comentario 100, 4CF 0.452 90.0 9.0 antes del ayuno
100, 4CF 0.180 0.2 4.6 después del ayuno
200, 4CF 0.138 92.2 56.8 antes 200, 4CF 0.070 7.4 40 después 50, mezcla 0.194 17.3 22.0 antes 50, mezcla 0.110 68 116 después 100, mezcla 0.324 46.0 19.0 antes 100, mezcla 0.190 49.0 19.0 después
En esta misma tabla 3 se analiza también el efecto del periodo de ayuno sobre los coeficientes cinéticos Ks y Ki. Para el caso de la constante de afinidad, Ks, el ayuno afectó de manera diferente, dependiendo del tipo de sustrato. Cuando se utilizó únicamente 4CP, el ayuno de 36 horas provocó una disminución de Ks, es decir, un incremento de la afinidad. Por otro lado, el ayuno provocó una pérdida de afinidad para los microorganismos que degradaron la mezcla, pues la constante Ks incrementó.
Si se analizan los resultados de la figuras 1 y 2, se puede observar que la curvatura final de la degradación para la cinética con 36 horas de ayuno no es muy pronunciada, esto es, el efecto de la constante de afinidad no es muy grande. Sobre todo al efectuar la comparación con la cinética para 4 horas de ayuno. De esta manera podemos establecer que las variaciones observadas en la constante Ks en realidad no son significativas. Los diferentes valores solo son ajustes al modelo matemático pero en la práctica no influyen sobre el proceso de degradación. El paso por el ayuno no tuvo efecto significativo sobre la constante de inhibición, pues ésta no se vio afectada, tanto para el clorofenol como para la mezcla de fenoles.
Efecto del ayuno sobre la viabilidad
Para todos los casos estudiados, el paso por un periodo de ayuno tuvo como consecuencia la pérdida de viabilidad de los microorganismos. Se observó que a 15 ºC las pérdidas de actividad son menos severas que a 25 ºC; es decir, las pérdidas causadas por las variaciones temporales del sustrato inductor de los microorganismos se ven atenuadas a bajas temperaturas.
Las figuras 8 y 9 presentan el caso del 4CP y para la mezcla de fenoles a 100 mg/l. Se observa que a 25 ºC la pérdida de viabilidad fue del 76 y 86% para el 4CP y la mezcla de fenoles, respectivamente, mientras que a 15ºC éstas fueron del 41 y del 81%, respectivamente. Lo anterior muestra que a mayor toxicidad, los periodos de ayuno provocarán una mayor pérdida de viabilidad.
V. Inicial 4 h 8 h 12 h 24 h 36 h 20 15 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 UFC (1011 ) Temperatura (ºC)
Figura 8. Efecto del ayuno y la temperatura sobre la viabilidad de los microorganismos. 4CP a 100 mg/l
V. Inicial 4 h 8 h 12 h 24 h 36 h 25 15 0 0.5 1 1.5 2 UFC (1011 ) Temperatura (ºC)
Figura 9. Efecto del ayuno y la temperatura sobre la viabilidad de los microorganismos. Mezcla de fenoles a 100 mg/l
CONCLUSIONES
Los resultados experimentales mostraron que la ausencia prolongada del sustrato inductor de los microorganismos aclimatados, produce pérdidas considerables en la actividad de las bacterias. Dichas pérdidas pudieron ser cuantificadas a través de los coeficientes cinéticos del modelo de Haldane. Se encontró que la viabilidad de los microorganismos disminuye al aumentar el tiempo de ayuno. Estas pérdidas son mayores a altas temperaturas y cuando la toxicidad del sustrato es elevada.
A partir de las variaciones encontradas se encontró una correlación que asocia la tasa máxima específica con el tiempo de ayuno. Esta relación es de gran importancia pues será incluida en el modelo de control del proceso con miras a su optimización. En efecto, al tomar en cuenta las pérdidas de actividad se podrá prever mejor el comportamiento del reactor y así mantener las eficiencias de biodegradación en el punto deseado. Se estableció que las constantes de inhibición y de afinidad no se ven significativamente afectadas por el ayuno.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el apoyo financiero otorgado por la Dirección General de Apoyo al Personal Académico de la UNAM a través del proyecto IN500396.
APHA, AWWA, WPCF (1992). Standard methods for examination of water and wastewater. American Public Health Association, 18th ed., New York
Arbucke WB y Kennedy MS (1989) Activated sludge response to a parachlorophenol transint, JWPCF, 61, 476-480
Babcock RW Jr., Ro K, Hsie C. y Strenstom MK (1992) Develpment of an of-line enricher reactor process for activated sludge degradation of hazardous wastes, Wat. Environ. Res., 64, 782-791.
Buitrón G, Capdeville B. y Horny P. (1994)Improvement and control of the microbial activity of a mixed population for degradation of xenobiotic compounds, Wat. Sci. Tech., 29, (7), 317-326
Hess TF, Silverstein J y Schmidt SK (1993) Effect of glucose on 2,4-dinitrophenol degradation kinetics in sequencing batch reactors, Environ, Res., 65, 73-81. Irvine RL, Wilderer P y Flemming H-C (1997) Controlled unsteady state processes