*Biorreactores
Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas residuales se vienen usando desde hace casi un siglo. Dentro de éstas, la tecnología de membrana (MBR) ha cobrado en los últimos años un gran interés. Consiste en una unidad biológica responsable de la degradación de los compuestos presentes en el agua a depurar y en un módulo de membrana encargado de llevar a cabo la separación física del agua ya depurada. Dependiendo de la configuración del sistema, podemos hablar de MBR de membrana sumergida o MBR con recirculación. Los primeros se denominan así porque en ellos la unidad de membrana está inmersa en el tanque biológico (Figura 11); son los más empleados por la aparición de membranas poliméricas menos costosas y más resistentes, junto con los requerimientos de presión menores (Adham y col., 2001).
Figura 11. Esquema de un biorreactor de membrana sumergida. La fuerza impulsora a través de la membrana es alcanzada presurizando el biorreactor o creando presión negativa en el lado permeado de la membrana (Buisson y col., 1998; Cote et al. 1997; Rosemberger el al. 2002).
El rendimiento de los biorreactores depende tanto de la actividad desnitrificante de las bacterias como de su capacidad para formar biopelículas. El principal problema de la desnitrificación biológica es la contaminación potencial del agua tratada con bacterias, con fuente de carbono residual (desnitrificación heterótrofa) y la posibilidad de formación de nitritos, lo cual hace necesario un post-tratamiento. Pero hay que destacar que prácticamente la totalidad de los sistemas de biorremediación desarrollados se basan en la desnitrificación heterótrofa, habiendo un gran vacío en el conocimiento y desarrollo de la desnitrificación autótrofa. Los desnitrificantes autótrofos utilizan el dióxido de carbono como fuente de carbono y el hidrógeno o los compuestos reducidos de azufre como donantes de electrones. Son empleados en los llamados bioelectrorreactores (BERs), con bastantes ventajas que serán comentadas más adelante.
En relación con los MBR basados en procesos de desnitrificación heterótrofa, en los últimos años se están empleando unidades de membrana formadas por polihidroxialcanoatos (PHAs) y polímeros biodegradables relacionados. Éstos, además de constituir la matriz sólida para la formación de biopelículas, presentan la ventaja adicional de servir como aporte constante de poder reductor para el proceso de desnitrificación, mejorando la calidad del agua depurada al reducir el contenido residual en sustratos carbonados. La mayoría de los microorganismos desnitrificantes degradadores de PHA pertenecen a la clase Betaproteobacteria(Hiraishi y Khan, 2003).
*Relación con otros ciclos biogeoquímicos: Eliminación de fósforo y azufre
En condiciones normales de un medio acuático, el fósforo constituye un factor limitante para la proliferación de algas en el mismo (Kortstee y col., 1994). Sin embargo, en los últimos años las descargas de fósforo procedentes de actividades agrícolas, industriales y domésticas ha llegado a constituir un problema medioambiental importante, similar al que representan los nitratos. Como consecuencia, la eliminación de fósforo se está convirtiendo en un tratamiento estándar en las plantas de purificación de aguas residuales.
La descontaminación biológica de fósforo es el más común de los métodos utilizados. Se basa en el enriquecimiento de las aguas a depurar en los llamados organismos acumuladores de
polifosfatos (PAOs), los cuales eliminan fósforo en las zonas anaerobias y lo almacenan como polifosfato en la aerobia, de donde es descartada la biomasa(Toerien y col., 1990). Recientemente, se ha demostrado que existen microorganismos que no sólo bajo condiciones aerobias forman gránulos de polifosfatos, sino también cuando el nitrato es el aceptor terminal de electrones (Egly y Zehnder, 1994; Jorgensen y Pauli, 1995; Barker y Dold, 1996; Barak y van Rijn, 2000). Estos microorganismos, los dPAOs u organismos desnitrificantes acumuladores de polifosfatos, constituyen una herramienta poderosa en los tratamientos biológicos de depuración de aguas, al permitir combinar en un sólo paso la eliminación de nitrato y fósforo. Es el caso concreto de
Paracoccus denitrificans, que permite el diseño de biorreactores donde no exista la necesidad de
alternar fases de aerobiosis y anaerobiosis (Barak y van Rijn, 2000).
Por otra parte, como ya se ha mencionado anteriormente, existen microorganismos desnitrificantes autótrofos, capaces de emplear compuestos reducidos de azufre como donantes de electrones. En los tratamientos de depuración, las ventajas de utilización de estos microorganismos son obvias; por un lado el proceso es más económico ya que no requiere adición de ningún suplemento carbonado y, por otro, se producen menos sedimentos (Claus y Kutzner, 1985; Flere, 1997; Flere y Zhang, 1999; Koenig and Liu, 2004). El agua resultante es química y bacteriológicamente segura.
Entre los sistemas más novedosos de biorremediación basada en la desnitrificación se encuentran unos reactores tubulares especiales, dotados de un ánodo, donde se produce la oxidación microbiana de acetato y como consecuencia se generan electrones, y de un cátodo, en el cual los microorganismos realizan un proceso de desnitrificación completo, usando esos electrones donados del ánodo. Se produce de forma simultánea la eliminación de un sustrato carbonado y una desnitrificación completa sin necesidad de un aporte externo de poder reductor (Clauwaert y col., 2007). Existe una versión autótrofa de este sistema (Tan y col., 2006), en el cual los microorganismos desnitrificantes son inmovilizados mediante alcohol polivinílico en un cátodo fabricado con carbón activado. En este caso el hidrógeno es el donante de electrones.
II. OBJETIVOS
El Grupo de Investigación “Exopolisacáridos Microbianos” (CVI 188), de la Universidad de Granada, desarrolla actualmente su trabajo en las siguientes líneas de investigación:
-Biodiversidad, estructura y dinámica de ambientes hipersalinos. -Taxonomía y filogenia de bacterias halófilas.
-Caracterización molecular de genes en especies del género Halomonas.
-Análisis de exopolisacáridos de interés biotecnológico producidos por bacterias halófilas. -Estudio de los sistemas de comunicación intercelular tipo Quorum sensing, mediado por moléculas autoinductoras del tipo N-acilhomoserin lactonas.
En los últimos años se han estudiado distintos hábitats hipersalinos, describiéndose como resultado seis nuevas especies de microorganismos halófilos productores de exopolisacáridos:
Halomonas almeriensis, H. anticariensis, H. ventosae, Idiomarina fontislapidosi, I. ramblicola, Alteromonas hispanica, y dos nuevos géneros, cuyas especies tipo son Salipiger mucosus y Palleronia marisminoris (Martínez-Cánovas y col., 2004a, c, d y e; Martínez-Checa y col., 2005a,
b y c). Asimismo, la exploración de esos ambientes nos ha permitido disponer de una amplia colección de cepas, muchas de las cuales aún no han sido caracterizadas.
Con la descripción de Halomonas ventosae ya eran cuatro las especies desnitrificantes pertenecientes al género Halomonas, de acuerdo con la información bibliográfica disponible en el momento de iniciarse este trabajo. Las tres bacterias restantes eran H. campisalis (Mormile y col., 1999), H. desiderata (Berendes, 1996) y H. halodenitrificans (Robinson y Gibbons, 1952; Dobson y Franzmann, 1996). A pesar de que Halomonas es quizás el género más ampliamente representado en los medios hipersalinos, nos encontramos con un reducido número de miembros de este taxón descritos como desnitrificantes.
Así, considerando que los miembros de Halomonas, por su extensa distribución deben participar activamente en el proceso global de desnitrificación, se planteó como principal objetivo de esta Tesis Doctoral, el siguiente:
“Estudiar la diversidad de las especies desnitrificantes del género Halomonas, desde un punto de vista fenotípico, filogenético, fisiológico y ecológico”
Para dar cumplimiento al mismo, se establecieron los siguientes objetivos parciales:
I. Selección e identificación mediante taxonomía polifásica de nuevas cepas