MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

1. MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA María Cecilia Arango Jaramilllo

2. Digestión anaerobia: • Proceso en el cual bacterias anaerobias producen CH4 y CO2 desde un marial orgánico complejo

3. Ocurre en diferentes ambientes naturales: Ríos Lagos Pantanos Sedimentos marinos Interior del suelo Tracto gastrointestinal de animales superiores

4. Produce CH4 combustible Fermentación anaerobia alternativa para degradación Descontamina • Grandes cantidades de residuos orgánicos generados en: • Áreas urbanas • Actividades industriales

5. Energía para fermentación anaerobia: 1/3 oxidación 2/3 síntesis de nuevos compuestos ( 80% de la energía utilizada por los microorganimsos se excreta en forma de ácidos volátiles y H2S) Energía química de carbohidratos, lípidos y proteínas

6. La digestión anaerobia es un proceso conocido desde hace 90 años pero todavía poco comprendido por dificultades en la manipulación de microorganismos anaerobios obligados.

7. ETAPAS METABÓLICAS INVOLUCRADAS EN LA DIGESTIÓN

8. COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES Azúcares, aminoácidos, péptidos ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato) H2, CO2 Ácido acético (Acetato) CO2 CO2 CH4 COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas Acetogénesis:bacterias acetogénicas Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas

9. Conocimiento de la ecología de los sistemas anaerobios • Mejoramiento del tratamiento anaerobio de aguas residuales

10. BACTERIAS INVOLUCRADAS EN LOS PROCESOS ANAEROBIOS

11. Bacterias involucradas en los procesos anaerobios: • Bacterias fermentativas • Bacterias acetogénicas productoras de H2 • Bacterias homoacéticas • Bacterias metanogénicas • Bacterias reductoras de sulfato

12. Responsables de las dos primeras etapas de la respiración anaerobia: Hidrólisis y Acidogénesis COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES Azúcares, aminoácidos, péptidos COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato) Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas 1. BACTERIAS FERMENTATIVAS

13. Bacterias fermentadoras: • Sterptococoaceae • Enterobacteriaceae • Bacillaceae • Lactobacillaceae

14. Fermentación Bacterium Lactobacillus Clostridium Bifidobacterium Eubacterium Butyrivibrio Las exoenzimas desdoblan polímeros en pequeñas moléculas para ser transportadas al interior de la célula: • Etanol • Butirato • Acetato • Propionato • etc. • Celulosa • Hemicelulosa • Almidón, etc.

15. Condiciones de crecimiento de las bacterias fermentativas: CO2 y ácidos orgánicos como fuente de C. Amonio como fuente de N Cisteína o sulfuro como fuente de S. Vitamina B, hemina, menodione Sales minerales especialmente de Na+

16. 1. Sustrato inicial 2. Condiciones ambientales 3. Presencia de H2 Baja: Favorece la producción de acetato, CO2 y H2 Alta: Sólo formación de propionatos y otros ácidos orgánicos , lactato y etanol. Los productos finales de este metabolismo dependen de:

17. COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS Proteínas, carbohidratos y lípidos Hidólisis por exoenzimas de: bacterias fermentativas, Protozoos, levaduras y mohos COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES Azúcares, aminoácidos, péptidos Acidogénesis por exoenzimas de: bacterias fermentativas ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato) Acetogénesis:bacterias acetogénicas H2, CO2 Ácido acético (Acetato) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) CO2 CO2 Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas CH4

18. 2. BACTERIAS ACETOGÉNICAS PRODUCTORAS DE H2 • Catabolizan: • Propionatos • Ácidos orgánicos de cadena larga • Alcoholes • Compuestos aromáticos (benzoato) • H2 • CO2 • Acetato • -

19. Syntrophobacter Wolinii  H2 Desulfovibrio Hay asociación sintrópica entre bacterias acetogénicas productoras de H2 y bacterias consumidoras de H2 regulando el nivel de H2 en su ambiente. H2, CO2 Ácido acético (Acetato)

20. Bacterias quimiolitotróficas que usan H2 y CO2 y dan como producto final acetato. En lodos de aguas negras parece que: Clostridium aceticum Acetobacter woodii Metanogénicas consumidoras de H2 3. BACTERIAS HOMOACÉTICAS Compiten por H2

21. Metanogénicas: Bacterias metanogénicas reductoras (autótrofos) Metanogénicas: Bacterias metanogénicas acetogénicas H2, CO2 Ácido acético (Acetato) CO2 CO2 CH4 4. BACTERIAS METANOGÉNICAS

22. Las bacteria metanogénicas: • Son anaerobias obligadas. Sólo algunas conservan su viabilidad después de ser expuestas al oxígeno. • Se desarrollan en ambientes donde el potencial de oxido-reducción es de -300 mV. • Tienen dos rangos de temperatura: mesofílicas 15-40°C, termofílicas 55-65°C. • pH ideal para producir CH4: 6, 8 - 7, 2, pero puede variar entre especies.

23. Utilizan acetato Methanosarcina sp (acetato, metanol, CO2, H2, metilaminas). Methanothrix soehngenii (sólo usa acetatos y ha sido aislada en reactores mesofílicos. Methanococcus masei. Utilizan formato En aguas residuales: Methanobacterium Methanobrevibacter Methanococcus Methanomicrobium Methanogenium Methanospirillum En digestor de caña a 60°C: Methanobacterium Mhermoautotrophicum Sólo metabolizan determinados sustratos:

24. Necesidades nutricionales de las bacterias metanogénicas: • Fuente de N y S: Sulfuro, amonio, cisteína. • Fuente de C: Compuestos orgánicos o específicos, acetato, CO2 y formato. Los autótrofos utilizan CO2y CO • Su crecimiento se estimula con Vitamina B, cisteína y aún acetato. • La mayoría utilizan CO2 y H2.

25. Etapas involucradas en la formación de CH4 a partir de CO2: 1. Activación del CO2 2. Reducción a formil 3. Reducción de hidroximetil-S-CoM a metil-S-CoM(fluorescente en su forma oxidada bajo luz ultravioleta) 4. Formación de metano

26. Se encuentran asociadas a las metanogénicas. Han sido aislados tres géneros de los reactores anaerobios: Desulfovibrio Desulfotomaculum Desulfobulbus 5. BACTERIAS REDUCTORAS DE SULFATO

27. En sedimentos acuáticos: La metanogénesis se inhibe cuando la concentración de sulfato se incrementa porque las reductoras de sulfato compiten con las metanogénicas por el H2 Además la producción de sulfuro es tóxica para las metanogénicas. Esta competencia es básica en biodigestores de tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de sulfato.

28. Dependiendo de la concentración de sulfato, las bacterias reductoras de sulfato pueden actuar como: Bacterias acetogénicas Competir por nutrientes metanogénicos Inhibir la metonogénesis

29. EVALUACIÓN DE BIOMASA EN SISTEMA ANAEROBIOS

30. Para medir actividad metanogénica: • Medir biomasa (células vivas o muertas) • Sólidos suspendidos volátiles (SSV): mide célula y materia orgánica inerte. • Actividad metanogénica: especial para lodos activados. Cambios pueden indicar presencia de tóxicos o acumulación de ácidos. Se mide reducción de CH4 o desaparición del sustrato. • Cuantificación delípidos: mido incremento en producción de lípidos. Este método es promisorio. Depende del estado nutricional.

31. AGREGACIÓN BACTERIANAEN SISTEMAS ANAEROBIOS

32. A este fenómeno se llama: Floculación microbiana, peletización, granulación. Los microorganismos en diferentes ambientes forman agregados, fijan material inerte (arena, compuestos de calcio) y/o forman biofilm activo.

33. La floculación o agregación: • Optimiza procesos bioquímicos e indica buenas condiciones de crecimiento en lodos activados y retiene biomasa en el reactor. • La agregación depende de factores genéticos, nutricionales y condiciones de crecimiento.

34. La formación de diferentes tipos de gránulos y de bacterias depende de: tipo de sustrato y de las condiciones del proceso. Ejemplo: En efluente tratado de cervecerías • Methanotrix solingenii • Methanotrix balleri • La formación de gránulos y flóculos optimiza el arranque del biorreactor.

35. Falta investigación sobre: Metabolismo y fisiología de los microorganismos. Conocer anaerobios termófilos. Papel de la reductoras del S. Métodos de evaluación de biomasa. Cepas más activas en desdoblar celulosa o resistentes a altas concentraciones de metal. PERSPECTIVAS: Recobrar ecosistemas poluídos

36. APLICACIONES DE LOSREACTORES ANAEROBIOS

37. Estabilización de lodos orgánicos de plantas de tratamiento de aguas residuales. • Tratamiento de residuos industriales con alto contenido de materia orgánica soluble o coloidal: • Tratamiento completo. • Tratamiento parcial antes de la descarga al alcantarillado. • Etapa previa a un tratamiento secundario. • Sistema productor de energía. • Procesos donde la desnitrificación es necesaria. • Recuperación de subproductos.

38. DESVENTAJAS DE LOS REACTORES ANAEROBIOS

39. Sólo residuos con concentraciones mayores a 2.000 mg/l podrán degradarse a máxima velocidad. Dificultad para dosificar el sustrato. • Largos tiempos de arranque. • Alta sensibilidad a compuestos tóxicos. • No son tratamientos completos. • Existe poca experiencia operacional. • En condiciones reales se presentan fluctuaciones del proceso no previstas en experimentaciones en condiciones estables.

40. CLASIFICACIÓN DE BACTERIAS DE ACUERDO CON SUS PRINCIPALES PRODUCTOS DE DESASIMILACIÓN DE LA GLUCOSA

41. HOMOFERMENTATIVAS Streptococcus Ácido láctico HETEROFEROMENTATIVAS Lactobacillus Ácido láctico + acético Leuconostoc Ácido láctico + etanol  Ácido láctico - Á. fórmico BACTERIAS DEL ÁCIDO LÁCTICO

42. Propionibacterium Veillonella  Ácido propiónico + Á. acético + CO2 BACTERIAS DEL ÁCIDO PROPIÓNICO

43. Escherichia  Enterobacter  Salmonella  Producidos en cantidades y combinaciones diversas: Ácidos fórmico, acético, láctico y succínico Etanol Dióxido de C Hidrógeno 2,3-butilenglicol BACTERIAS COLI-AEROGENES-TÍFICAS

44. Clostridium  Eubacterium Bacillus  En cantidades y combinaciones diversas: Ácidos butírico, acético y fórmico Butanol, etanol, isopropanol Acetona Hidrógeno Dióxido de carbono. BACTERIAS DE LA ACETONA Y EL BUTANOL

45. Acetobacter Ácidos acético, glucónico y kójico. BACTERIAS DEL ÁCIDO ACÉTICO