ANAMMOX

PROCESO ANAMMOX UNA APLICACIÓN EN INGENIERÍA:

REVISIÓN GENERAL DE LOS ASPECTOS MICROBIANOS.

El proceso Anammox es la forma de metabolismo más prometedora para denitrificación en efluentes residuales, y quizás el ejemplo más claro en el cual su potencial uso en ingeniería depende del conocimiento detallado de los microorganismos en el proceso.

Las aguas residuales (domésticas, y algunas de tipo industrial) sin tratar o efluentes parcialmente tratados, son fuente de grandes cantidades de nutrientes en forma de compuestos nitrogenados y fosfatos que comúnmente se descargan a los cuerpos de agua naturales.

El exceso de nitrógeno añadido en los cuerpos de agua por esta vía puede provocar el fenómeno conocido como eutroficación, responsable de la mortandad de  peces, aumento de la frecuencia del florecimiento de algas dañinas, cambios en las especies dentro de los ecosistemas de la costa y acidificación global de sistemas acuáticos y terrestres  y, por supuesto, disminución en la oferta de calidad de agua para potabilizar.

En países industrializados se han venido realizando investigaciones para la eliminación del amonio  presente en aguas residuales mediante bacterias Anammox, microorganismos capaces de oxidar el amonio en condiciones anaerobias con producción de N₂ . Con este tipo de tecnologías se eliminan los intermediarios de óxidos nitrosos que contribuyen al efecto invernadero  se disminuyen los costos de aireación y adición de compuestos orgánicos como el metanol, usados en los procesos convencionales de denitrificación.

Hoy se reconoce que el conocimiento y evaluación de  la diversidad de los microorganismos en los sistemas de tratamiento biológico y el entendimiento de la interacción metabólica que existe entre ellos son herramientas para mejorar el rendimiento en los procesos e implementar sistemas biotecnológicos innovadores de tratamiento de aguas residuales o componentes específicos en ellos.

Ø      EL CICLO GLOBAL DEL NITROGENO

Definido como la serie continúa de procesos naturales en los cuales el nitrógeno se transforma a distintos estados de oxidación y reducción: de Nitrógeno Molecular (N₂) a Amoniaco (NH₃), luego a  compuestos orgánicos carbono-nitrogenados, óxidos de nitrógeno y finalmente a N₂ mediante denitrificación y oxidación anaerobia, cerrando el ciclo.

El mayor reservorio de N₂ se encuentra en la atmósfera (78 % de la misma) y debe ser fijado a una forma reactiva para su aprovechamiento en la biosfera. Entre las transformaciones a gran escala se destacan: la fijación biológica, lumínica e industrial, la combustión de hidrocarburos fósiles y los procesos biológicos de oxido-reducción.

Ø      Intervención del proceso Anammox en el ciclo del nitrógeno

Reportes iniciales de la actividad de los Anammox en el mar demuestran que son responsables del 67% de la producción de N₂ a 700 m de profundidad, 24% a 380 m y 2% a 16 m (Dalsgaard, 2005). La contribución del proceso Anammox a nivel del ciclo global del N se calcula entre el 30% y el 50% de la producción total de N₂, específicamente en los sedimentos marinos.

Ø      Oxidación anaerobia del NH₄

(Anammox)

Annamox (Ananerobic Ammonium Oxidation) es un proceso que consiste en la reducción del NO₂ acoplada a la oxidación del NH₄ (Schmid, 2005) para formar N₂. Investigadores describieron por primera vez la oxidación del NH₄ en condiciones anaerobias, considerando el NH₄⁺ como donador de electrones y el NO₃ como aceptor final; a este proceso se le denominó Anammox (Graff, 1995; Mulder, 1995);posteriormente otros investigadores coincidieron en que la clave para la oxidación del NH₄+ era el NO₂^- como aceptor de electrones y no el NO₃. Sin embargo, actualmente pruebas con isótopo  15   y otros experimentos reportan la posibilidad de que el aceptor de electrones puede ser tanto el NO₃^-  como el NO₂^-  (Kartal,2007).

El NH₄+ podría ser oxidado por dos vías: la primera hipótesis es que el NH₄+ es oxidado hasta Hidroxilamina, la cual a su vez es oxidada a nitrito por la enzima Hidroxilamina Oxidoreductasa (HAO) que contiene 24 citocromos c, involucrados en el proceso de transferencia de electrones (Kuenen, 2008); posteriormente el NH₄+ y el NO₂^-  son convertidos a N₂ (Ye, 2001). La segunda hipótesis plantea que el NO₂^- es reducido por la nitrito oxidoreductasa a hidroxilamina y que de alguna manera esta última reacciona con el NH₄+, conduce a la producción de N₂, con Hidracina como intermediario de este último paso (Jetten, 2001) por medio de la hidracina oxidasa o la HAO, la hidroxilamina actúa como aceptor de electrones oxidando hidracina a N₂  (Chamchoi, 2007).

Finalmente, en presencia de NH₄+  y  NO₂^-en proporciones similares, las comunidades Anammox actúan eficientemente en la producción de N₂ (Strous,1997). El nitrito, que actúa como aceptor de electrones, no está disponible bajo condiciones anóxicas, razón por la cual la oxidación anaerobia de amonio depende de su transporte desde capas óxicas.

Las bacterias ANAMMOX, denominadas así por el tipo de metabolismo que realizan oxidación anaerobia de amonio  (anaerobic ammonium),  fueron descubiertas en lodos de aguas residuales a principios de los años 90 (Mulder et al., 1995). Microorganismos quimiolitoautótrofos que oxidan el NH₄+ con nitrito o nitrato como aceptor de electrones, obteniendo energía para la fijación de CO2 y produciendo N₂; poseen una versatilidad metabólica con capacidad de oxidar cadenas de ácidos grasos en presencia de NO₂^-o NO₃^-  , actuando en la reducción desasimilatoria de NO₃^-  a NH₄^-  (RDNA), versatilidad que tiene importantes aplicaciones ecológicas y bioquímicas, ya que extienden su espectro ambiental (Galán, 2009). Estudios adicionales demuestran que las bacterias Anammox pueden usar algunos compuestos orgánicos como fuente de carbono, aunque las mismas han sido descritas como quimiolitoautótrofas obligadas; también se ha observado que pueden ser inhibidas por algunos compuestos orgánicos como el metanol (Guven, 2005).

Ø      Taxonomía de bacterias Anammox

Las bacterias Anammox, pertenecen al dominio Bacteria, Phylum Plantomicetes, clase Plantomicetia, orden Planctomycetales (descubiertas en 1986 por Schlessner y Stackebrandt) y a la familia Plantomicetacea y otras que fueron nombradas provisionalmente.

Ø      Estructura celular de bacterias Anammox

La secuencia genómica del planctomycete Pirelulla  es característica de una bacteria, aunque el 8% y el 9% se asemejan a Eucariotas y Arqueas, respectivamente (Jetten,  2004). Las bacterias Anammox son coloides, de menos de un micrómetro  de diámetro y no pueden ser cultivadas en el laboratorio por técnicas convencionales (Chamchoi,  2007). Poseen compartimientos sub-celulares (organelas) de doble membrana, que los hacen similares a los Eucariotas  y  la ausencia de un polímero de  peptidoglicano en su pared celular que los asemeja a las Arqueas (Pilcher, 2005). Las funciones de estas organelas están bajo estudio y se considera que en ellas se desarrolla la oxidación anaerobia de amonio, ésta es llamada anamoxisoma (Kuenen, 2008)  y corresponde a más del 30% del volumen celular (Jetten, 2004); entre otras funciones atribuidas a este compartimiento, se encuentran la división celular  y replicación cromosómica.

Las bacterias ANAMMOX expresan en la membrana del anamoxisoma lípidos ladderane, descritos como lípidos inusuales de baja energía y muy inestables, además de lípidos hopanoides (Jetten, 2004).

La densidad e impermeabilidad de los lípidos  evitan que los compuestos tóxicos intermediarios de la reacción, como la N₂₄,  se dirijan al espacio extracelular (Pilcher,2005) y afecten las demás funciones celulares (Innerebner, 2007). Los lípidos ladderane tienen de 3 a 5 enlaces lineales concatenados de ciclobutano, tanto éster como éter (Schmid, 2003).

Otras organelas de los planctomycetes son: el pirelulosoma que contiene un nucleoide, el riboplasma que contiene los ribosomas (Schmid, 2003) y el perifoplasma sólo en las ANAMMOX; es periférico y contiene el citoplasma separado de los demás compartimientos al interior de la célula por una membrana intracitoplasmática (Mike, 2001) (ver Figura 1).

Ø      METODOS DE IDENTIFICACION

Usando sondas de oligonucleótidos de RNA ribosomal 16s para la en la técnica de Hibridación In Situ con Fluorescencia  (FISH), se han detectado bacterias ANAMMOX en diferentes hábitats tales como plantas de tratamientos de aguas residuales, sedimentos de aguas frescas y ecosistemas marinos (Kuenen, 2008).

FISH. Es una técnica molecular que ha sido ampliamente usada en la identificación y descripción de células microbianas presentes en los lodos activados y aguas residuales (Daims, 2007; Gilbride, 2006; Hung, 2005;Moter, 2000). Esta técnica los microorganismos son tratados con un fijador e hibridados con sondas especificas marcadas con colorantes fluorescentes en un portaobjetos (Gobel, 2000). Posteriormente los portaobjetos son observados en microscopios de fluoresceína. Según las más recientes investigaciones realizadas al ciclo del nitrógeno en aguas residuales las sondas más usadas para su análisis por este método son:

·        NSO 1225 genero Nitrosomonas,

·        NIT 3 genero Nitrobacter,

·        820 bacterias ANAMMOX.

Otra técnica molecular ampliamente usada en la Microbiología Ambiental para la detección de microorganismos en muestras ambientales es la PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa), la cual consiste en la amplificación selectiva de fragmentos cortos de DNA y se fundamenta en la propiedad de las enzimas DNA polimerasa para replicación de las hebras del DNA.

Finalmente, se amplifican los fragmentos de genes que producen rRNA 16s, por ser una de las regiones más conservadas genéticamente, o fragmentos de genes de enzimas específicas.

Ø      APLICACIONES POTENCIALES DEL METABOLISMO ANNAMMOX EN REMOCION DE NITROGENO DENTRO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

En 1995 se inició el estudio y enriquecimiento de las poblaciones bacterianas responsables de ese proceso, dada su potencial aplicabilidad en tratamiento de agua residual (Mulder et al., 1995), se observa claramente que la clave para la oxidación del amonio era el nitrito, como el aceptor de electrones (Strous, 1997). Los microorganismos que intervienen en  el proceso son autótrofos, por lo que no requieren fuente de carbono pero requiere una fuente de nitrito como aceptor de electrones para la remoción de amonio. Algunos ejemplos de estos diseños son:

·        OLAND (Oxigen-Limited Autotrophic Nitrification Denitrification)

Se define como el proceso en el cual el amonio es oxidado a Nitrógeno molecular bajo condiciones  de oxigeno limitado y se fundamenta en los mismos principios del proceso CANON (Hao, 2002).

·        CANON(Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite)

Proceso que utiliza un solo reactor en el cual las comunidades microbianas enriquecidas son autótrofas. Las reacciones que intervienen son las siguientes:

para nitrificación

y

para la reacción de ANAMMOX

Se encontraron que en este sistema de bacterias aerobias oxidadoras de nitrito presentes en los floculos experimentan una doble limitación, compiten con Nitrosomonas por el oxígeno y con ANAMMOX por el nitrito.

El análisis de FISH de la biomasa de un reactor CANON mostro que el 40% de la población corresponde a bacterias aerobias oxidadoras de amonio y las células ANAMMOX  constituyen alrededor del 40% (Jetten, 2004).

·        SHARON-ANAMMOX 

Es el proceso combinado de nitrificación parcial con ANAMMOX  en dos reactores separados y en serie, lo cual consiste en la transformación aeróbica controlada del amonio a nitrito hasta oxidar el 44% del amonio afluente en un reactor tipo SHARON para posteriormente en un reactor sucesivo ANAMMOX  ser denitrificado a Nitrógeno molecular. Es un proceso basado en la nitrificación parcial por microorganismos aerobios y denitrificacion parcial por microorganismos heterótrofos anaerobios facultativos; generalmente el reactor ANAMMOX es del tipo SBR (Secuencial Batch Reactor).

Figura 4. representación del reactor SHARON-ANAMMOX.

SHARON- ANAMMOX transforma en primer reactor NH₄⁺ a NO₂^-  hasta oxidar aproximadamente el 44% de NH₄⁺ (Dongen,et al.,2001;. Third et al., 2001), para posteriormente en un reactor sucesivo Anammox ser convertido a N₂. Se produce poco lodo y solo requiere el 40% de la energía de aireación requerida en un proceso convencional de remoción de Nitrógeno (Hao et al., 2002). El efluente del reactor SHARON modificado contiene entonces una mezcla de amonio y nitrito, ideal para el proceso de Anammox en el cual estos dos compuestos son convertidos a nitrógeno gaseoso. La reacción en el reactor SHARON se puede generalizar de la siguiente manera ( Khin y Annachate, 2004):

Las plantas instaladas en diversos países se concentran en el tratamiento de aguas residuales de alta tasa, generalmente de origen municipal y agroindustrial. Los reportes de operación señalan ventajas, como disminución del 50% de O₂ y 25% de fuentes de carbono externo, comparado con los sistemas convencionales, así como remociones entre 60 y 95% del nitrógeno de los efluentes con cargas contaminantes de más de 1g N/L ( Mulder, 2006; Jardin, 2006; Keeley, 2006; Abma, 2007). Una diferencia importante con el sistema convencional de lodos activados es la conversión del nitrógeno con el proceso Anammox que no consume carbón orgánico, por lo cual puede proponer la producción de biogás.

• CONCLUSION

El estudio de los procesos Anammox permite la construcción de reactores eficientes, sostenibles y adaptables a las condiciones locales para la remoción de compuestos nitrogenados de las aguas residuales domésticas.

Debido a la diversidad metabólica que presentan las comunidades Anammox, es necesario que las investigaciones propuestas definan las diferentes rutas metabólicas, sus sustratos y productos para mejorar su desarrollo e incrementar la eficiencia en la remoción de nitrógeno en reactores biológicos.

Ø      REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

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