Mecanismos de remoción y transformaciones del nitrógeno

El nitrógeno presente en el medio acuático puede existir en cuatro formas diferentes: nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, compuestos en forma de nitritos y compuestos en forma de nitratos. En un agua residual sin tratar están presentes las dos primeras. La descomposición por las bacterias transforma fácilmente el nitrógeno orgánico en amoniacal y la cantidad relativa de amoníaco presente es un indicativo de la edad del agua residual (Zhu et al. 2008).

Los humedales remueven o transforman los contaminantes en el agua residual por medio de una variedad de procesos físicos, químicos y biológicos, los cuales dependen de la configuración del humedal (Wallace y Knight 2006, Matamoros y Bayona 2008). En primera instancia, la descomposición de la materia orgánica está determinada por el balance entre la carga orgánica y la tasa de transferencia de oxígeno, las cuales definen las condiciones predominantes del sistema en aerobias y anaerobias. Dentro de los principales procesos de remoción de contaminantes orgánicos se encuentran las interacciones físicas con la materia orgánica, la biodegradación, la asimilación de las plantas y microbiana, la volatilización y la fotodegradación (sólo en los HFS) (Matamoros y Bayona 2008, Vymazal 2005, Wallace y Knight 2006).

La fracción orgánica contiene entre sus componentes distintos arreglos de nitrógeno cuya transformación forma parte del ciclo biogeoquímico del nitrógeno (Fig. 2.3); a pesar de los múltiples mecanismos involucrados, la remoción de nitrógeno únicamente se alcanza mediante la desnitrificación, la volatilización del amonio, la asimilación de nitrógeno en el tejido vegetal, la sedimentación de la materia orgánica muerta y la adsorción del amonio al sustrato (Wallace y Knight 2000, Vymazal 2007).

20 Se considera que la desnitrificación es el principal mecanismo para la remoción de nitrógeno;

sin embargo, esta vía de biodegradación debe ser acoplada a la nitrificación que comienza con la oxidación del amonio, mismo que puede estar presente en el agua residual o ser producto del proceso de amonificación o mineralización (García y Corzo 2008, Maltais et al. 2009, Vymazal 2007). La amonificación consiste en la conversión biológica del nitrógeno orgánicamente combinado a amonio (el cual queda entonces disponible para otros procesos) durante la degradación de la materia orgánica en condiciones aerobias o anaerobias, por lo que su transformación es cercana al 100% (U.S. EPA 2000b, Vymazal 2007). Durante el proceso de nitrificación el amonio es secuencialmente oxidado a nitrato con la formación de un compuesto intermedio que es el nitrito. Aunque la nitrificación esta típicamente asociada con las bacterias quimioautótrofas, se reconoce que también ocurre nitrificación heterótrofa que a pesar de ser poco conocida se plantea la posibilidad de llevarse a cabo por los mismos organismos encargados de la desnitrificación aerobia (Alexander 1977, Vymazal 2005, Vymazal 2007). La nitrificación involucra a dos grupos de microorganismos, el primero oxida el amoniaco a nitrito bajo condiciones estrictamente aerobias y pertenecen a los géneros Nitrosovibio, Nitrosolobus, Nitrosomonas, Nitrospira y Nitrosococcus; mientras el segundo oxida el nitrito a nitrato y es realizado por bacterias quimilitótrofas facultativas de los generos Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira y Nitrocystis (Alexander 1977, Hammer y Knight 1994, Rheinheimer et al. 1988, U.S. EPA 2000b, Vymazal 2007). Las etapas mediante las cuales el nitrógeno pasa de amonio a nitrato se describen en las siguientes reacciones:

O H H NO

O NH

NO O

NO

O H H NO

O NH

2 3

2 4

3 2

2

2 2

2 4

2 2

5 . 0

2 5

. 1



































La nitrificación es el proceso limitante para la remoción de nitrógeno en la mayoría de los humedales artificiales ya que se requiere de 4.6 mg de oxígeno por cada miligramo de amonio.

Debido a su configuración, en los humedales horizontales el rendimiento en la remoción de amonio generalmente no supera el 30%, caso contrario de los humedales verticales dado el carácter aeróbico de gran parte del lecho (García y Corzo 2008, Vymazal 2007). Algunos

21 factores que afectan al proceso son el pH, la temperatura, la población microbiana, la alcalinidad del agua, la fuente inorgánica de carbono, la humedad, las concentraciones de nitrógeno amoniacal y el oxígeno disuelto (Mitchel 1974, Randall et al. 1992, Vymazal 2007).

La desnitrificación es la reducción biológica del nitrato a nitrógeno gaseoso, pasando por nitrito, óxido nítrico y óxido nitroso hasta llegar a mineralizarse en los productos finales, los gases N2 y N2O, como se muestra a continuación:

2 2

2

3 2 2

2NO^  NO^  NON ON

Esta reacción de carácter irreversible sólo ocurre en condiciones de anóxia y en presencia de materia orgánica, ya que es realizada por bacterias heterótrofas como son las Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus y Micrococcus. La desnitrificación puede ser limitada por la falta de fuentes de carbono orgánico, la falta de nitratos y/o excesiva oxigenación, por esta razón los humedales horizontales resultan más eficientes para este proceso (García y Corzo 2008, Maltais et al. 2009, Vymazal 2007).

Las plantas, los microorganismos y las algas también pueden tomar nitrógeno del agua residual incorporándolo a su estructura y tejidos como parte importante de su metabolismo, este proceso es conocido como asimilación y se refiere a una variedad de procesos biológicos que convierten el nitrógeno inorgánico (amonio y nitrato) a orgánico. Al morir las partes aéreas de las plantas, una porción del nitrógeno orgánico es reincorporado al agua en forma de amonio y otra porción puede ser eliminada mediante la poda. En general en aguas urbanas de tipo medio las plantas pueden remover entre un 10 y 20% del nitrógeno (García y Corzo 2008, U.S. EPA 2000b, Vymazal 2007).

El amonio entrante en un humedal puede ser retenido por adsorción o eliminado por volatilización. De ambos mecanismos fisicoquímicos, la volatilización tiene menor importancia ya que las pérdidas de amonio por este proceso no son muy significativas cuando el pH está por debajo de 8 y son aún menores cuando el humedal carece de agua expuesta a la atmósfera. La adsorción se lleva a cabo mediante reacciones de intercambio catiónico con el detritus, sedimentos inorgánicos o el sustrato; sin embargo, estos enlaces son débiles y cuando

22 cambian las condiciones que lo estabilizan puede regresar al agua (García y Corzo 2008, U.S.

EPA 2000b, Vymazal 2005, Vymazal 2007).

Figura 2.3. Ciclo del nitrógeno.