Bacterias Filamentosas en El Tratamiento de Aguas Residuales

BACTERIAS FILAMENTOSAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Dra. Tatiana Olivares Bañuelos

Departamento de Neurociencias Instituto de Fisiología Celular Universidad Nacional Autónoma de México. E-mail: [email protected]

RESUMEN La contaminación del agua representa un problema a escala mundial. mundial. Actualmente, en la mayoría de los  países existen numerosas regulaciones ambientales que tienen como objetivo reducir los índices de contaminación en el líquido vital. vital. En México éste tipo de regulaciones se encuentran en desarrollo. Se  pretende que a corto plazo, tanto las industrias nacionales como transnacionales transnacionales establezcan programas  para el tratamiento de aguas residuales y con esto detener los problemas de contaminación en ríos y  mantos friáticos. En las múltiples zonas industriales y zonas altamente pobladas la mayoría de los ríos aledaños a dichas regiones se encuentran contaminados. Hasta el momento los métodos empleados  para sanearlos no han sido completamente efectivos. Debido a éste problema es necesario buscar  métodos alternativos que lleven a la solución del problema. Hoy en día las bacterias representan uno de las mejores alternativas de saneamiento de aguas residuales. Específicamente las bacterias  filamentosas, que se encuentran presentes en la naturaleza, tienen la característica de degradar  sustancias complejas que contaminan el agua. Sin embargo, el crecimiento excesivo de dichas bacterias ocasiona problemas en las plantas plantas tratadoras de aguas residuales. residuales. Este doble papel que desempeñan dichas bacterias en el saneamiento del agua ha creado la necesidad de investigar a detalle su mecanismo de acción para controlar su crecimiento. Se sabe que las funciones que realizan la mayoría de las bacterias están reguladas por la información genética que contienen, principalmente en los  plásmidos bacterianos característicos de cada especie. Los plásmidos son elementos que una vez identificados pueden ser modificados de manera tal que se generen cepas bacterianas que no generen ningún problema durante el biotratamiento del agua residual.

PALABRAS CLAVE: agua residual, bacterias filamentosas, lodos activos Los seres humanos planeamos nuestras ciudades cerca del agua, jugamos con el agua, trabajamos con el agua. Así mismo, gran parte de la economía esta sustentada en el transporte marítimo y casi todos los productos que compramos y vendemos vendemos están compuestos parcialmente de agua. Sin el agua que nos rodea nuestras vidas serían imposibles. Por otro lado, el ochenta por ciento de nuestros cuerpos esta formado de agua y dos terceras partes de la superficie del planeta esta cubierta de agua. De acuerdo a la UNESCO, el agua es nuestra cultura, nuestra vida. A pesar de esto, uno de los recursos naturales más afectados por los problemas de contaminación, es el agua. La contaminación del agua representa un problema a escala escala mundial. En los países desarrollados existen numerosas regulaciones ambientales que tienen como objetivo reducir los índices de contaminación en dicho líquido vital. En México por otro lado, existen pocas leyes leyes al respecto pero después de que nuestro país fue cede del “IV Foro Mundial del Agua”, parece ser que el tema ha resurgido entre los legisladores.

El IV Foro Mundial del Agua comenzó el pasado 16 de marzo con la intención de discutir y plantear mecanismos para una mejor gestión y aprovechamiento del vital líquido. Los ministros y representantes de los países de América Latina y la Unión Europea, al finalizar el foro el 22 de marzo (día internacional del agua), firmaron un compromiso para cooperar en proyectos de recursos hídricos y saneamiento. Los asistentes afirmaron que es imprescindible desarrollar entre este año y el 2007, planes de gestión integrada de recursos hídricos y de eficiencia en los usos de agua. En México hay una gran cantidad de empresas que utilizan y desechan cientos de miles de litros de agua diariamente. Desafortunadamente algunas de estas empresas no cuentan con programas cien por ciento eficientes para el tratamiento de aguas residuales y cuando un afluente de agua residual sin tratar llega a un cauce produce efectos negativos sobre él. Algunos de estos efectos son: se tapiza la vegetación de las orillas con residuos sólidos gruesos que lleva el agua residual, tales como plásticos, utensilios, restos de alimentos, etc.; hay acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas del cauce (arenas y materia orgánica); aumenta el consumo del oxígeno disuelto que tiene el cauce por descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua residual; se generan malos olores por agotamiento del oxígeno disuelto en el cauce; se fomenta el crecimiento de grandes cantidades de microorganismos entre los que pueden haber elevado número de patógenos; hay contaminación por compuestos químicos tóxicos o inhibidores de otros seres vivos (dependiendo de los vertidos industriales); y aumenta la eutrofización por las grandes cantidades de fósforo y nitrógeno (Mainstone C. y Parr W., 2002). Debido a esto, en nuestro país se pretende que a corto y mediano plazo, tanto en industrias nacionales como en transnacionales, se establezcan programas efectivos p ara el tratamiento de agua s residuales. En la búsqueda para sanear el agua se ha encontrado que las bacterias, especialmente las filamentosas, son microorganismos capaces de degradar sustancias tóxicas y contaminantes del agua mejorando sus características y en muchos casos volviéndola potable nuevamente (Lopez-Archilla A. et al., 2001; Oron G. et al., 2002). Estos microorganismos son en su mayor parte bacterias heterótrofas, es decir, bacterias que utilizan contaminantes orgánicos como alimento para formar biomasa celular nueva y posteriormente reproducirse (Grant W. 2004; Inglis G. et al., 1999). Si bien la mayor parte de las bacterias que forman la biomasa que depura el agua residual en el tratamiento biológico tiene forma unicelular, hay algunos microorganismos que presentan sucesiones celulares que parecen filamentos (bacterias filamentosas) (Górny R., 2004; Lopez-Archilla A. et al., 2001). Las bacterias son bio-reductores y su papel ecológico indispensable para la degradación de materia orgánica permite la estabilización de residuos orgánicos existentes en las plantas de tratamiento (Thompson G. y Forster C., 2003). A este proceso de saneamiento utilizando bacterias se le ha llamado biosaneamiento o depuración biológica (Margalef R. 1983; Suárez J. et al., 1993). Los objetivos de una depuración biológica del agua son: eliminar residuos, aceites, grasas, flotantes, arenas, etc. Para evacuar el líquido a un punto de destino final adecuado. Se pretende eliminar las materias decantables orgánicas o inorgánicas, así como los compuestos amoniacales y que contengan fósforo. Y finalmente, transformar los residuos retenidos en fangos estables y que éstos sean correctamente dispuestos (Jiménez C. et al., 2 001). Las determinaciones analíticas que siempre se usan en una depuradora para conocer el grado de calidad de su tratamiento son: sólidos en suspensión o materias en suspensión (materias sólidas de tamaño superior a 1 µm independientemente de que su naturaleza sea orgánica o inorgánica), Demanda Biológica o Bioquímica del Oxígeno (DBO, mide la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar ese agua residual en un periodo normalizado de 5 días), Demanda Química de Oxígeno (DQO, es el oxígeno equivalente necesario para estabilizar la contaminación que tiene el agua), cantidad de nitrógeno (formas amoniacales), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos, determinación de fósforo (fósforo total u orto-fosfato disuelto) (APHA, AWWA, WPCF, 1992; Leal A. et al., 2002; Oron G. et al., 2004).

La depuración biológica del agua se lleva a cabo por enormes cantidades de microorganismos que se agrupan en flóculos (pequeñas esferas) dentro de un reactor o unidad de saneamiento (Lopez-Archilla A. et al., 2001). Los filamentos de los microorganismos filamentosos generalmente forman estructuras de flóculo difuso o estructura abierta (Figura 1A) que se pueden reconocer porque no se observan los flóculos nitidos y las bacterias formadoras de flóculos crecen sobre una malla de bacterias filamentosas. Cuando se observa la presencia de niveles elevados de microorganismos filamentosos se observan flóculos de aspecto más o menos redondeado (Figura 1B) de los que salen filamentos que parten hacia los otros flóculos produciendose enlaces o puentes entre los flóculos (Eikelboom, D., 1975; LopezArchilla A. et al., 2001).

B

A Figura 1. Esquema que representa los dos tipos de flóculos que se forman entre microorganismos filamentosos. A, se muestra un flóculo de estructura abierta o tambien llamada de flóculo difuso. B, cuando hay un exceso de microorganismos se presentan enlaces o puentes entre los flóculos formando mallas mas complejas. Los flóculos biológicos después de salir del reactor biológico se separan del agua depurada en el decantador secundario (Figura 2). La cantidad de flóculos que entran en el decantador es muy grande por lo que cualquier interferencia por sobrecarga hidráulica, cambio de densidad del flóculo, corrientes de convección, o interferencias biológicas hace que este flóculo se fugue del decantador con el efluente o bien ascienda a la superficie, quedando allí retenido por la contención de flotantes. Si no se cuenta con las medidas adecuadas para prevenir esta acumulación de flóculos, se presentan interferencias en la unidad de saneamiento producidas por excesivas cantidades de filamentos bacterianos (Angelakis A. et al., 1999; Suárez J. et al., 1993).

Salida de lodo Menos producción de lodo residual Salida del agua biotratada a efluentes naturales Descomposición de materia orgánica por bacterias Control de formación excesiva de flóculos Aguas residuales Aireación Aireado efluente Reducción de olores Reducción de espuma Agua con menor cantidad de contaminantes A B

Figura 2. Unidad de saneamiento para aguas residuales. A, diagrama esquemático en donde se muestra como se lleva a cabo el tratamiento de aguas residuales antes de ser depositadas en vertientes naturales sin riesgo de contaminar el medio ambiente. B, fotografía de una planta tratadora de agua residual industrial. La eliminación de materia orgánica disuelta y los nutrientes de las aguas residuales tiene lugar durante el tratamiento biológico del agua. Normalmente se caracteriza por la interacción de distintos tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxigeno para vivir, crecer y multiplicarse y consumen materia orgánica. El lodo resultante se llama lodo activo (Suárez J. et al., 1993). Normalmente este lodo esta en forma de floculos que contienen biomasa viva y muerta además de partes minerales y orgánicas adsorbida y almacenada. El comportamiento de sedimentación de los floculos de los lodos activos es de gran importancia para el funcionamiento de la planta de tratamiento biológico. Los floculos deben ser removidos, para separa la biomasa del agua limpia, y el volumen requerido de lodo activo puede ser bombeado de nuevo en el tanque de aireación (Moro P., 1998; Oron G. et al., 2002). En los lodos activos se encuentran diversos organismos vivos (Figura 3). Dentro de los géneros bacterianos destacan: Spirillum (bacterias móviles helicoidales con forma de bacilos largos y espiralados), Vitreoscilla (bacterias gram-negativas, aeróbicas o microaerofilicas, que no tienen color y son filamentosas; producen hemoglobina bacteriana homodimerica, especialmente bajo condiciones de crecimiento con limitación de oxigeno), Sphaerotilus (bacteria filamentosa forrada que exhibe una "falsa" ramificación), Beggiatoa (bacteria filamentosa del sulfuro constituida por filamentos rectos) (EMASESA, 1997; Suárez J. et al., 1993; Thompson G. y Forster C., 2003). Además de bacterias, existen en los lodos activos, un gran numero de especies de protozoos como flagelos, ciliados y amibas. Los protozoos son organismos de una célula que puede nutrirse de materia orgánica y bacterias. Nematodos o rotíferos se clasifican entre los organismos multicelulares (Eikelboom, D., 1975, 1977).

Protozoario ciliado Nematodo Bacteria filamentosa

Figura 3. Fotografías microscópicas de algunos de los organismos presentes en los lodos act ivos durante el tratamiento de aguas residuales.

Dada la peculiaridad de las bacterias filamentosas y la su papel controversial en el saneamiento de aguas residuales, es necesario identificarlas para tener control de ellas en las plantas tratadoras. Algunas de las principales características morfológicas de las bacterias filamentosas son: forma de la célula bacteriana (cuadradas, rectangulares, ovales, tonel, discoide, extremos redondeados, esféricas), tipo de filamento (recto, ligeramente curvado, torcido, cadena irregular de células, irregularmente enrollados, miceliar), color del filamento (transparente, oscuro), situación del filamento (en el interior del flóculo, saliendo hacia el licor exterior, libre en el licor), presencia o ausencia de ramificaciones, vaina, gránulos de azufre, septos celulares, rosetas y conidios (Fukui M. et al., 1999; Grant W., 2004). Mediante el empleo del microscopio óptico, técnicas de cultivo, medición y tinciones (tinción de Gram, tinción de Neisser para el filamento, tinción de PHB para vainas) es posible identificar a los microorganismos filamentosos. Si se aplica una técnica de recuento se puede además, cuantificarlas y relacionarlas directamente con los efectos que producen en el tratamiento biológico del agua. En todo el mundo se han clasificado al menos 30 especies de estas bacterias. Algunas de éstas son fácilmente localizables en el medio ambiente, pero en su mayoría son raras de encontrar (Liu J. et al., 2001; Margalef R., 1983). La clasificación de las bacterias filamentosas se establece principalmente por el género y especie, pero en muchos casos se usa una denominación alfanumérica. Algunos de los microorganismos filamentosos mas utilizados para el tratamiento de aguas residuales son: Bacillus beggiatoa, cianobacterias Flexibacter, Haliscomenobacter hydrossis, Microthrix parvicella, Nostocoida limicola I, II, y III, Sphaerotilus natans, Streptococcus sp., Thiotrix I y II, Tipo 0041, Tipo 0092, Tipo 0211, Tipo 021N, Tipo 0411, etc, (EMASESA 1997; Guan Y. et al., 2003; Leadbetter J. et al., 1996; Liu J. et al., 2001; Moro P., 1998). En la figura 4 se observan fotografías microscópicas de algunos de éstos géneros bacterianos.

N ost oc oi d  da   l i  im   i c  co   l a I I  I  N ost oc oi d  da   l i  im   i c  co   l a I I  II  I    St r  re   pt   pt oc oc c  cu   s s p.  p. T i   po i p   o 0 0  09  2 T i   po i p   o 0 21N  T i   po i p   o 0 0  04  1 T hi ot r   x I  ri   i x    I I  I  T hi ot r   x I  ri   i x    I 





Figura 4. Fotografías de diversos géneros de bacterias filamentosas tomadas con microscopio óptico. En los recuadros de la izquierda las bacterias se tiñeron utilizando la tinción de Gram, mientras que en los de la derecha se utilizó la técnica de Neisser para teñir a las bacterias.

En plantas de tratamiento de aguas residuales en Europa existen problemas en el tratamiento terciario biológico de las aguas, debido al exceso de microorganismos filamentosos (Oron G. et al., 2002; Rozhich F., 1982; Suárez J. et al., 1993). Algunas de las razones de aparición de gran concentración de microorganismos filamentosos son: la poca carga de lodo, la composición del agua residual y las variaciones del agua residual. Esto provoca el crecimiento en exceso de organismos filamentosos, porque estos organismos necesitan altas velocidades de crecimiento incluso bajo condiciones de poco sustrato y bajo contenido de oxigeno (Stapleton C. et al., 2000; Thompson G. y Forster C., 2003). Otra razón para el dominio de las bacterias filamentosas es controlar la gran cantidad de materia orgánica en la composición de las aguas residuales, por ejemplo, en las descargas industriales. También las variaciones en el efluente, por ejemplo flujos inestables, variación de temperatura y cambios en la composición de los nutrientes de las aguas residuales, puede suponer un crecimiento de estos organismos (Grant W., 2004; Leal A. et al., 2002). El tener un cierto número de organismos filamentosos puede ser beneficioso, porque son capaces de consumir una mayor cantidad de nutrientes. Además, la forma en que se organizan permite la captación de partículas flotantes. La desventaja de este tipo de bacterias es la baja sedimentabilidad y por lo tanto altos costos del tratamiento del lodo (Stapleton C. et al., 2000; Suárez J. et al., 1993).

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, el incremento en el desarrollo de microorganismos filamentosos puede generar fenómenos indeseables en la planta de saneamiento de agua por lo que se vuelve indispensable controlar el comportamiento bacteriano en los lodos activos. El largo camino hacia la solución del problema incluye el conocer las causas de la proliferación de los microorganismos filamentosos. Muchas veces los mismos microorganismos que aparecen nos pueden ayudar a conocer la causa de su proliferación, ya que cada vez conocemos más datos sobre el metabolismo de los diferentes microorganismos filamentosos. En general, el control del desarrollo de microorganismos filamentosos se basa en combatir el problema estableciendo una competencia entre los microorganismos filamentosos y los microorganismos formadores de flóculo. Esta competencia se basa en mecanismos de selección cinética y/o selección metabólica y pretende dar ventaja a los formadores de flóculo para que sean éstos los que tengan acceso al substrato; de esta manera se reproducirán en mayor proporción que los microorganismos filamentosos (Rozhich F ., 1982; Thompson G. y Forster C., 2003). Los mecanismos que se emplean para realizar esta competencia hacen uso de gradientes de carga, zona inicial de mezcla (selector), compartimentalización del reactor, alternancia de ambientes, anaerobios, anóxicos y aerobios, y en algunos casos, se recurre a la manipulación genética para crear cepas formadoras de flóculos. Una manera de lograr esto es a través de la biología molecular que nos permite manipular genéticamente éstas bacterias con la finalidad de erradicar las cepas que generan mayores problemas y aprovechando algunas de sus características para generando cepas bacterianas modificadas que cumplan con nuestras necesidades sin causar problemas durante el t ratamiento de aguas residuales. Se sabe que las funciones que realizan la mayoría de las bacterias, entre ellas las filamentosas, están reguladas por la información genética que contienen, principalmente en los conocidos plásmidos bacterianos (Brock T. y Madigan M., 1991). Los plásmidos son elementos característicos de cada tipo bacteriano y a través de ellos es posible clasificar a las bacterias. Estos  plásmidos bacterianos son moléculas de DNA circular de doble cadena, de origen natural con un tamaño que oscila entre dos y varios cientos de kilobases. Son unidades autónomas que existen dentro de las células; se autorreplican y mantienen un número estable y característico de copias de generación en generación celular. Algunos tienen formas de vida alternativas y contribuyen a la especificidad bacteriana mediante genes para restringir o modificar sistemas en el microorganismo (Alberts B. et al., 2001; Hinnebusch J. y Tilly K., 1993). Los plásmidos transportan genes para la inactivación de antibióticos, la producción de toxinas y la degradación de productos naturales. Además, los plásmidos son elementos que una vez identificados pueden ser transfectados a otro género bacteriano, transfiriendo así las características funcionales de una bacteria a otra (Nurminen M. et al., 1997; Old R. y Primrose S., 1992) generando cepas bacterianas de gran utilidad para los seres humanos y particularmente, para el tratamiento de aguas residuales. No debemos olvidar nunca que la mayor parte de los microorganismos filamentosos son bacterias depuradoras, comparten los mismos sustratos y el mismo reactor que las bacterias formadoras de flóculos. Cuando proliferan son perjudiciales porque existe la decantación secundaria como paso necesario para separar los flóculos del agua tratada (en otros procesos no existen tantos sólidos sedimentables, pero en fangos activados hay una ingente cantidad de flóculos). Es así que el conocimiento de las funciones y características de las bacterias filamentosas nos permitirá a futuro aprovechar al máximo todas las ventajas que tienen éstas para sanitizar de manera sencilla y a bajo costo la enorme cantidad de agua residual que se genera en nuestro país. De esta manera, tal vez logremos salvar el mas importante de nuestros recursos naturales y fuente de toda vida: el agua.