5. Eliminacio_n de P y N.pdf

Biotecnología para la eliminación de nitrógeno y fósforo de los efluentes Leonardo Erijman – CyTB– 2do cuatrimestre 2013 Por qué es necesario eliminar nitrógeno de los efluentes? Origen del nitrógeno en efluentes cloacales 13 gramos de nitrógeno (N orgánico) 2 gramos de nitrógeno 11 gramos de N (como urea) 25 mg/l-­‐60 mg/l como NKT en el efluente Límites de descarga Nitrógeno amoniacal Nitrógeno orgánico Nitrógeno Total Kjeldahl mg/l mg/l mg/l < 75 < 30 < 105 < 25 < 10 < 35 < 75 < 30 < 105 El nitrógeno inorgánico (nitrato y nitrito) solamente se detecta en la medición de nitrógeno total (pero no en TKN) Ciclo microbiano del nitrógeno estado de oxidación Cómo se elimina el nitrógeno de los efluentes? La remoción de N combina nitrificación aeróbica y desnitrificación anóxica Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica Nitrificación: clasificación filogenéCca de bacterias nitrificantes oxidantes de nitrito oxidantes de nitrito oxidantes de nitrito oxidantes de amonio Oxidación de amonio en bacterias oxidantes de amonio (AOB) Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed Oxidación de nitrito en bacterias oxidantes de nitrito (NOB) Brock Biology of Microorganisms (2011) 13rd ed Implementación: Procesos de tratamiento de efluentes retención de biomasa Cámara de aireación Sedimentador Distribuidor rotaSvo Lecho de relleno Digestor Quién nitrifica en las plantas de tratamiento de efluentes? Environmental Engineers Handbook © 1999 David Liu, Bèla Lipták, eds. Chapman & Hall, CRC Press Gray, N.F. © 2004 BIOLOGY OF WASTEWATER TREATMENT 2nd ed, Imperial College Press, London UK Fluorescence in situ hybridization
FISH
Quién nitrifica en las plantas de tratamiento de efluentes? Nitrosospira spp.
NH4+
NO2Schramm et al., Identification and Activities In
Situ of Nitrosospira and Nitrospira spp. as
Dominant Populations in a Nitrifying
Fluidized Bed Reactor (1998) Applied and
Environmental Microbiology, 64: 3480-3485
Nitrospira
NO2NO3- Diversidad en bioreactores nitrificantes Nitrospira competencia por NH3 otras AOB asimilación heterótrofos org liberación SMP Nitrosococcus mobilis 10 μm competencia otros recursos CSLM Adaptado de: Daims et al. (2006) Trends in Biotechnology 24, 483-­‐489 Factores que afectan la nitrificación •  Temperatura •  Concentración de oxígeno disuelto •  pH (ópSmo entre 7.5-­‐8.6) •  Relación C/N •  Compuestos inhibitorios El oxígeno disuelto debe ser suficiente para asegurar la nitrificación Graidy, C.P.L., Daigger, G, T., Li, H.C. (1999) Biological Wastewater Treatment, 2nd ed. Importancia del Cempo de retención celular •  Las bacterias nitrificantes son de crecimiento lento •  Tiende a ser un proceso de “todo o nada” Graidy, C.P.L., Daigger, G, T., Li, H.C. (1999) Biological Wastewater Treatment, 2nd ed. Mínimo SRT (días) Minimum
SRT (Days)
Importancia del Cempo de retención celular 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Nitrification
No Nitrification
10
15
20
Temp (Deg(°C) Cent)
Temperatura 25
30
Como aumentar el Sempo de retención celular? Sistemas híbridos: MBBR También hay arqueas oxidantes de amonio en plantas de tratamiento de efluentes! Park et al., Appl Environ Microbiol 72, 5643–5647 (2006) Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación Reacciones redox, equilibrio químico y energía libre La canSdad de energía que puede ser liberada se puede calcular a parSr de la diferencia en los potenciales de reducción de las 2 reacciones y el número de electrones transferidos: !G = "nF!E
0'
'
0
Zehnder, A.J.B. and W. Stumm. 1988. Geochemistry and biogeochemistry of anaerobic habitats. A.J.B. Zehnder (ed.) Biology of Anaerobic Microorganisms, pp. 1–38 Cómo se cierra el ciclo? Desnitrificación La mayoría de desnitrificantes son Proteobacterias aeróbicas/facultaSvas y son capaces de reducir (anaeróbicamente) otros aceptores de electrones Eliminación de N vía nitrificación-­‐ desnitrificación Recirculado de
nitrato
Líquido
crudo
Recirculación (RAS)
TN= 8-­‐10 mg/L Purga de barro
excedente
(WAS)
Desnitrificación en sistemas híbridos: MBBR Eliminación de N vía nitrificación-­‐ desnitrificación Recirculado de
nitrato
Metanol u otra
fuente de
carbono
Líquido
crudo
Recirculación (RAS)
TN < 5 mg/L Purga de barro
excedente
(WAS)
Nitrificación-­‐desnitrificación convencional Nitrificación aeróbica Materia orgánica Desnitrificación heterotrófica anóxica Single reactor for high ammonia removal over nitrite (SHARON) Nitrificación aeróbica Desnitrificación heterotrófica anóxica Qué variables se pueden controlar para parar la oxidación en nitrito? Factor
Efecto
Temperatura
T > 15°C
AOB crecen más rápido que NOB
T = 25°C
AOB pueden competir eliminando NOB
pH
7.0-8.0
Rango óptimo para nitrificación
7.9-8.2
Rango óptimo para AOB (Nitrosomonas)
7.2-7.6
Rango óptimo para NOB (Nitrobacter)
NH3 libre
150 mg/L
Inhibición de AOB
1.0-7.0 mg/L
Inhibición de NOB y acumulación de nitrito
Largo plazo
NOB pueden adaptarse a altas concentraciones de amoníaco
(40 mg/L) y se reduce la acumulación de nitrito
HNO2
> 2.8 mg/L
Inhibición de AOB y NOB
Predicción teórica de la oxidación anaeróbica de amonio Z Allg Mikrobiol. 1977;17(6): 491-­‐3. Mulder A, Van de Graaf AA, Robertson LA& Kuenen JG (1995)
Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized
bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16: 177-183
Descubrimiento de anammox (15NH4)2SO4 + NO3Na Nuevo paso en el ciclo de nitrógeno reducción anaeróbica de nitrato Oxidación aeróbica de amonio Importancia biogeoquímica de la oxidación anaeróbica de amonio NATURE | VOL 422 | 10 APRIL 2003 |"
Caracterización de bacterias anammox Anammoxosoma:propiedades de la membrana NATURE | VOL 419 | 17 OCTOBER 2002 "
Genoma de bacteria anammox Maquinaria enzimáCca de Kuenenia stu*gar-ensis Cluster Fe-­‐S Flujo de electrones B Kartal et al Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidaSon. Nature (2011) doi:10.1038/nature10453 Anammox: pathway metabólico Nature Reviews | Microbiology Volume 9 | June 2011 | 403 Anammox: aplicaciones biotecnológicas Annamox: aplicaciones biotecnológicas Aplicaciones en escala de anammox Roferdam, Holanda Más de 500 kg N/d
Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite (CANON) Oxidación anaeróbica de amonio (anammox) NH 4+ + 1.30NO2! + 0.13H + " 1.02N 2 + 0.26NO3! + 2.03H 2O
Comparación con métodos convencionales Uso de energía en el tratamiento de efluentes Problema
Alto consumo de energía usando tratamientos aeróbicos
No se puede eliminar nitrógeno con tratamientos
anaeróbicos
C
B
Posible solución B. Kartal, et al. Science 328, 702 (2010) Tratamiento de efluentes: AS/AD/Anammox Kartal et al., (2010) Sewage Treatment with Anammox Science. 328, 702-­‐703 Resumen de esquemas para eliminación de N Nutrient Removal. Manual of PracSce No. 34. (2010) Water Environment FederaSon, Alexandria, Va Fósforo: mucho o muy poco? Eliminación biológica de fósforo Formación de PHA y acumulación de poli-­‐P Microscopía electrónica PHA Poly-­‐P Formación de PHA y acumulación de poli-­‐P Yuan et al., Curr Opin Biotechnol 2012, 23:878–883 Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) }
ΔPi
Secuencia de reactores aeróbicos y anaeróbicos ANAEROBICO EFLUENTE AFLUENTE ANOXICO AEROBICO WAS (con exceso de P) P es retenido y se elimina del sistema con el barro excedente Polyphosphate accumulaCng organisms (PAO): Rhodocyclus Tinción de azul de meSleno. La flechas comunes señalan gránulos de polifosfato, las células señaladas con flechas con rombos no conSenen polifosfato
SCLM EUB338 y una mezcla de 3 PAO. Por la superposición se ve amarillo
FISH con sondas EUB338 y PAO651 La células teñidas con azul de meSleno (gránulos de
polifosfato) son las mismas que las amarillas en el panel E panel
Crocetti et al., IdenSficaSon of Polyphosphate-­‐AccumulaSng Organisms and Design of 16S rRNA-­‐Directed Probes for Their DetecSon and QuanStaSon Appl. Environ. Microbiol. (2000) 66: 1175-1182
Polyphosphate accumulaCng organisms (PAO): AcCnobacteria FISH de EUBmix y PAO revelado
con sonda Actino-658
MAR mostrando PAO Actinobacteria
y algunos PAO Rhodocyclales que
incorporan 33Pi aeróbicamente luego
de preincubación anaeróbica con
casaminoacidos.
PAO Actinobacteria consumen
ácido oleico anaeróbicamente
Kong et al., Identity and Ecophysiology of Uncultured Actinobacterial Polyphosphate-Accumulating Organisms in Full-Scale Enhanced
Biological Phosphorus Removal Plant. Appl. Environ. Microbiol. (2005) 71: 4076-4085
Polyphosphate accumulaCng organisms (PAO): Tetrasphaera FISH de EUBmix y PAO revelado
con sondas Tet3- 654 o Tet2-­‐892 MAR mostrando Tetrasphaera ( s o n d a T e t 2 -­‐ 1 7 4 ) . L o s c o c o s
incorporan 33Pi aeróbicamente luego
de preincubación anaeróbica con
casaminoacidos.
Tet3-­‐654 -­‐ PAO Tetrasphaera
consumen glucosa anaeróbicamente
Nguyen et al., High diversity and abundance of putaSve polyphosphate – accumulaSng Tetrasphaera-­‐ related bacteria in acSvated sludge systems FEMS Microbiol Ecol 76 (2011) 256–267
Metabolismo de EBPR Proteínas involucradas en la β-oxidación
de ácidos grasos
Enzimas claves en la
producción de PHA
Proteinas asociadas con
la síntesis de glucógeno
Proteinas asociadas con
la degradación de
glucógeno
Alta expresión de proteínas del
pathway de glioxilato
Sistema de transporte
específico para fosfato
Modelo basado en la reconstrucción de datos proteómicos de Accumulibacter Forbes et al., The contribuSon of ‘omic’-­‐ based approaches to the study of enhanced biological phosphorus removal microbiology FEMS Microbiol Ecol 69 (2009) 1–15 Pathway de glucógeno Glycogen accumulaCng organisms (GAO) glucogeno
PHA
propionato
Meyer et al., Putative glycogen-accumulating
organisms belonging to the Alphaproteobacteria
identified through rRNA-based stable isotope
probing Microbiology (2006)152: 419-429
GAO predomina sobre PAO cuando… Bibliograla adicional •  Peredes et al. New Aspects of Microbial Nitrogen TransformaSons in the Context of Wastewater Treatment – A Review Eng. Life Sci. (2007) 7, 13–25 •  Hu et al., Nitrogen removal with the anaerobic ammonium oxidaSon process Biotechnol Le@ (2013) 35: 1145–1154 •  Van Hulle et al., Engineering aspects and pracScal applicaSon of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams Chem Eng J 162 (2010) 1–20 •  Nielsen et al., Microbial communiSes involved in enhanced biological phosphorus removal from wastewater — a model system in environmental biotechnology. Curr Op Biotech (2012) 23, 452–459 •  Albertsen et al., A metagenome of a full-­‐scale microbial community carrying out enhanced biological phosphorus removal. ISME J (2012) 6, 1094–1106