Aplicación de bacterias benéficas como modelo experimental para la reducción de sólidos y conductividad en aguas residuales

APPLICATION OF BENEFICIAL BACTERIA AS MODEL EXPERIMENTAL FOR THE REDUCTION OF SOLIDS AND CONDUCTIVITY IN WASTEWATER

Gumercindo Pimentel¹

Roderick Flores¹

Yennifer Alfaro¹

Dayana Villarreal¹

Alexis de la Cruz^2*

¹ Licenciatura en Biología
Centro Regional Universitario de Azuero
Universidad de Panamá,

²Facultad de Ciencias Naturales Exactas y Tecnología
Centro Regional Universitario de Azuero
Universidad de Panamá

Resumen Se adicionó Pseudomona aeruginosa y Pseudomona fluorescens a agua residual de procedencia urbana para determinar la capacidad de reducción de sólidos suspendidos mediante ensayo de laboratorio en tres tratamientos y tres repeticiones en la unidad de investigación microbiológica del CRU-Azuero en junio de 2017, se encontró que, P. aeruginosa disminuyó la concentración de sólidos disueltos de 1,24 g (control) a 0,03g, y la conductividad a 235 µS/cm, en mayor proporción que P. fluorescens y cultivo mixto, observado a través de los valores obtenidos en los 5 días de tratamiento. De esta manera se estima que P. aeruginosa resulta efectiva en la biorremediacion de aguas residuales.

Palabras claves Agua residual, bacterias benéficas, biorremediación, biorreactor, conductividad.

Abstract Pseudomona aeruginosa and Pseudomona fluorescens were added to urban wastewater to determine the solids reduction capacity suspended by laboratory test in three treatments and three replicates in the microbiological unit of the CRU- Azuero in June 2017, it was found that , P. aeruginosa decreased the dissolved solids concentration from 1.24 g (con- trol) to 0.03 g, and the conductivity at 235 μS / cm, in a higher proportion than P. fluorescens and mixed culture, observed through the values obtained in the 5 days of treatment. Thus, P. aeruginosa is estimated to be effective in wastewater bio- remediation.

Keywords Wastewater, beneficial bacteria, bioremediation, bioreactor, conductivity.

* Corresponding author: [email protected]

1. Introducción

Actualmente la demanda de agua potable es muy abundante, por lo cual gran cantidad de esta, luego de ser utilizada, es vertida como agua residual de origen doméstico, que son aquellas procedentes de zonas de viviendas y servicios, generadas principalmente por el metabolismo humano y actividades domésticas [3]. Sin embargo, las aguas residuales al ser desechos generados de actividad industrial y de los residuos domésticos, no pueden ser vertidas a los cursos de aguas, corrientes o lagos [1]. De este modo se busca implementar técnicas no contaminantes para evitar el uso de químicos a través de la utilización de bacterias benéficas, debido a que estas poseen capacidades metabólicas las cuales pueden ser utilizadas en el tratamiento de aguas residuales, ya que utilizan como fuente de carbono la materia orgánica en suspensión, por lo tanto, reducirán el nivel de contaminación.

Una vez tratadas, estas aguas pueden ser utilizadas en actividades de ámbito urbano: irrigación de parques públicos, campos de atletismo, áreas residenciales y campos de golf; e industrial: sistemas de refrigeración y en el sector agrícola: irrigación de cultivo [8,9,10], sin embargo, puede ser utilizada también en jardinería, lava-autos, entre otras [7]. Entre algunos de los parámetros que indicarán si está o no contaminado y si se ha reducido la contaminación podemos mencionar: pH y conductividad, las cuales serán las medidas utilizadas como indicador de la calidad de aguas dulces.

Cada cuerpo de agua tiene un rango relativamente constante de conductividad, que una vez conocido, puede ser utilizado como línea de base para comparaciones con otras determinaciones puntuales [16], sin embargo la cuantificación de componentes como: la respiración aerobia y sólidos suspendidos nos permiten comprender la condición necesaria para definir una estrategia de tratamiento que garantice técnica y económicamente una calidad del agua residual tratada adecuada para su uso posterior y para minimizar el riesgo potencial para la salud pública y el ambiente [12] no obstante, se medirá el oxígeno disuelto, el cual es el oxígeno que está disuelto en el agua y que es esencial para los riachuelos y lagos saludables. El nivel de oxígeno disuelto, puede ser un indicador de cuan contaminada está el agua y si puede ser utilizada para la vida vegetal y animal [11].

Se busca aplicar técnicas de biorremediación microbianas mediante bacterias que sean capaces de reducir o eliminar los contaminantes presentes en aguas residuales, ya que, a lo largo del tiempo estas van afectando al ecosistema a través de la acumulación de sustancias, además, estos pueden llegar en algún momento a aguas subterráneas que son utilizadas para el consumo humano.

Estas aguas poseen propiedades las cuales ayudan al mejoramiento de la fertilidad de suelos agrícolas por el aporte de materia orgánica, nitrógeno, fósforo, potasio y sodio, lo que permite la reducción o eliminación del uso de fertilizantes químicos [20,21]. No obstante, se implementan técnicas de remediación con compuestos químicos, que igual pueden ocasionar daños futuros. Por esto y más aplicamos técnicas de biorremediación con microorganismos (bacterias benéficas) que puedan descomponer las sustancias presentes en dichas aguas.

Así pues, se aplicarán técnicas de tratamiento aerobio con la utilización de bacterias del género Pseudomona, las cuales poseen una gran capacidad por sus actividades metabólicas a la hora de tratar aguas residuales y en la eliminación de hidrocarburos alifáticos y aromáticos, ya que los utilizan como una fuente de alimento [13, 14].

2. Metodología

2.1 Trabajo de campo

Se colectaron muestras de aguas residuales aproximadamente 8 litros por cada ensayo experimental, con la ayuda de envases con capacidad para 3,75 L. Dichas muestras fueron tomadas de la parte media y superficial del cuerpo de agua que contenía agua residual. Esta presentaba un color gris oscuro y un fuerte olor a putrefacto y la cantidad de materia orgánica e inorgánica que poseía era abundante (figura1).

2.2 Trabajo de Laboratorio

Las muestras previamente colectadas fueron agregadas en balones aforados con capacidad para 6 L, estos se colocaron en baño María, y se llevó a ebullición para eliminar cualquier microorganismo presente en estas aguas y así, a la hora de utilizar microorganismos remediadores sea de notar que estos son los que actuaron sobre la materia y realizaron el trabajo de biorremediación. Para comprobar la inexistencia de microorganismos en el agua residual esterilizada, se procedió a sembrar en platos con agar Chromocult, el cual nos indica la presencia de coliformes. Para esto se puso a prueba inóculos del agua antes y después de la esterilización (figura 2 y 3).

Figura 1. Colecta de agua residual de origen doméstico, a la cual se le aplicará tratamiento biológico.

Figura 2 y 3. Sembrado de inoculo de agua residual en agar Chromocult, antes (izquierda) y después (derecha) de la esterilización.

2.2.1 Montaje de los sistemas

El agua previamente esterilizada fue colocada en sistemas montados (tanques de biorremediación), los cuales están compuestos por envases de 4 L, bombas de aire para la oxigenación de las bacterias, policiales huecos los cuales estaban conectados con las mangueras de las bombas y su- jetos a la tapa para airear en el fondo de los galones. Todos estos equipos fueron esterilizados con ayuda de agua en punto de ebullición, se dejó enfriar un poco y se les agregó a los tanques, los cuales fueron agitados por un determinado tiempo para así asegurar la esterilización de los mismos y de tal manera asegurar la no contaminación de las cepas a utilizar. El equipo estaba formado por una escalera de tanques, en donde el primer escalón lleva los galones con el agua, residual estéril (2 l/galón, por cepa), el segundo escalón lleva el agua destilada (1 l/galón) con el inoculo bacteriano (10mL/cepa) y el tercero, tanques para la colecta de las muestras a medir procedentes del tanque del escalón 2 (figura 4 ).

Figura 4. Sistema de biorremediación en forma de escala, en donde caerán a favor de la gravedad el flujo de nutrientes de un escalón a otro.

2.2.2 Inoculación de las bacterias

Las cepas utilizadas en esta fase experimental fueron: P. aeruginosa y P. fluorescens las cuales se aislaron de cultivos puros (cepa madre), se inocularon en caldo Tripticasa de soja (200 mL del caldo) para su crecimiento durante 24 horas. Luego de tener montados con anticipación todos los tanques de tratamiento, se procedió a agregar 10 mL de cada cepa en 1000 mL de agua destilada (segundo nivel de galones) previamente esterilizada, los 10 mL fueron agregados con ayuda de micropipetas y cada tanque se rotuló con su respectiva cepa y se dejó un blanco (control), así pues, utilizamos cuatro tanques (control, P. aeruginosa, P. fluorescens y cepas mixtas).

2.2.3 Monitoreo de biorremediación

Luego de agregadas las cepas bacterianas, se dejaron en crecimiento por 48 horas, esto se realizó para que la cepa tuviese una mayor adaptación al medio, ya que, estas fueron pasadas de un medio artificial (con todos los nutrientes esenciales) a uno natural (agua residual).

Cada tanque estaba conectado con mangueras de venoclisis con su respectivo regulador de flujo que permitía el paso de nutrientes (escalón 1 al escalón 2) y este fue regulado a una tasa de dos gotas por minuto de entrada y salida.

2.2.4 Mediciones

Se realizó una primera medición la cual provino directamente del agua residual en donde se tomaron cuatro muestras y a cada una se le aplicaron mediciones de pH, conductividad y oxígeno disuelto y de ahí se sacó un valor promedio para cada uno de estos factores; el cual se utilizó para ser comparado con los valores después del tratamiento.

Dichos equipos mencionados son de las marcas HANNA y CRISON. De igual forma se realizaron mediciones al agua destilada y agua potable para ser comparadas con las realizadas después, del tratamiento. De cada tanque de biorremediación con sus respectivas cepas (escalón 3) se tomaron aproximadamente 15 mL, a los cuales le realizamos mediciones (pH, conductividad, y oxígeno disuelto). Este procedimiento fue realizado por cinco días. Para comparar si las cepas utilizadas tienen la capacidad y efectividad a nivel experimental de reducir los contaminantes en aguas residuales (fosfatos, nitratos, entre otros), se realizaron tres repeticiones.

Se incorporaron mediciones de sólidos suspendidos antes y después del tratamiento, para corroborar la efectividad de las cepas utilizadas sobre el agua residual, para esto se tomaron tres muestras de 100 mL cada una, la primera corresponde al agua residual no estéril, la segunda, al agua residual estéril y la tercera, al agua tratada con cada cepa. Estas muestras se llevan a horno para su secado y luego se pesan, no obstante, se conocía el peso del Erlenmeyer a usar para así restar, comparar y observar si hay cambios. Por otro lado, aplicamos técnicas de respiración aeróbica para determinar la producción de CO2 producida en un día de tratamiento. Esto se hace colocando Ca (OH)2 en un tubo de ensayo y se deja colgando dentro del biorreactor con condiciones aerobias. Luego, se procede a hacer titulación después de haberle agregado Ba (OH)2 y fenolftaleína. La titulación se realizó con HCl 0.2N (figura 6 y 7).

Figura 5 y 6.Pruebas de respirometria (izquierda) y sólidos suspendidos (derecha).

3. Resultados y discusión

Las lecturas de los parámetros medidos se realizaron en períodos de 24 horas, para comprobar que las cepas utilizadas resultaron positivas para la utilización del material presente como fuente de carbono. La efectividad metabólica de las bacterias en este medio se determinó a través de las mediciones realizadas en las cuales, los niveles de pH y conductividad bajaron y el porcentaje de oxígeno disuelto aumentó comparado con la medición inicial (cuadro 1).

Dentro de las cepas, la mayor degradación y biorremediación del material orgánico lo produjo P. aeruginosa, que presentó bajos niveles de conductividad (grafica 1) y un incremento de oxígeno disuelto; en segunda instancia la P. fluorescens, presentó un aumento menor que P. aeruginosa. Sin embargo, al mezclar las cepas los resultados no mostraron mucha degradación, observado a partir de las mediciones realizadas por separado (cuadro 2).

Se realizaron repeticiones para corroborar el papel que ejecutan dichas cepas sobre el agua residual. Al igual que el primer ensayo, estas fueron monitoreadas cada 24 horas después de agregado el inoculo bacteriano, y se tomó en cuenta las mediciones iniciales (48 horas).

Las mediciones, sólidos suspendidos y respiración aeróbica mostraron valores en donde P. aeruginosa presentó una degradación de solidos de 0,03 g después del tratamiento con respecto al control 1,24 g. Sin embargo, antes del tratamiento, las muestras poseían un peso en sólidos suspendidos 1,97 g. Por técnicas de mediciones aerobias, la P. aeruginosa dio un aumento de CO2, a través de las pruebas realizadas lo cual demuestra la actividad biorremediadora del agua residual con técnicas a nivel de laboratorio.

Tabla 1.Datos obtenidos de la colecta de agua residual, en la cual muestra valores elevados de conductividad, pero el bajo porcentaje de oxígeno

Tabla 2. Resultados obtenidos a partir de la repetición realizada en donde se muestra que P. aeruginosa pudo atacar y utilizar con mayor eficacia los compuestos presentes en las aguas residuales estudiadas

Luego del tratamiento con bacterias biorremediadores, se pudo notar la gran capacidad que presentan estos microorganismos, ya que, a nivel de laboratorio logran incrementar el bajo porcentaje de oxígeno, punto característico de estas aguas residuales, sin embargo, hay que tomar en cuenta la entrada de aire a través de bombas. Ya que, estas cepas poseen un metabolismo aeróbico, y además que, si se efectúa a través de procesos anaerobios se liberan muchos gases tóxicos como el metano, sin embargo, con procesos aerobios como los realizados se recrea el medio ambiente de estas bacterias y se evita así la liberación de gases tóxicos.

Gráfica 1. Se muestran los resultados obtenidos de la conductividad en las diversas mediciones realizadas en la fase 1 a lo largo de los cinco días de tratamiento.

Un punto crucial es la demanda de oxigeno por las bacterias, ya que, al conectar bombas aumentan la cantidad de este gas en el medio y puede afectar las mediciones.

Los valores obtenidos son muy importantes para determinar el comportamiento de cepas como P. aeruginosa y P. fluorescens frente a aguas residuales, sin embargo, la cantidad de inoculo utilizada varió, ya que, le agregamos 10 ml del inoculo bacteriano por litro de agua destilada. No obstante, [3,23] deben ser utilizados 50 mL del inoculo bacteriano en 450 ml del medio, sin embargo, preferimos realizarlos con menor cantidad de bacterias y mayor de medio, ya que, el método mencionado es para organismos anaerobios y al realizar el ensayo con esta cantidad, no se aprecia la curva de crecimiento y los valores no son comparables.

4. Conclusión

De las bacterias benéficas aplicadas, la P. aeruginosa fue eficiente provocando una mayor reducción de los parámetros medidos, los cuales son indicadores de la calidad del agua, ya que, el valor inicial de la conductividad del agua residual a tratar era de 800 µS/cm y el final fue de 235 µS/cm. En cuanto a la reducción de sólidos fue casi total, el peso inicial era de 1,24 g y el peso final fue de 0,03g.

RECONOCIMIENTO

Damos gracias a Dios por mantenernos con salud, por darnos fortalezas para salir adelante y sobre todo debilidades, ya que, son las que en realidad nos enseñan a mirar el mundo con ojos de científicos creyentes en él.

Al Dr. Alexis De La Cruz por asesorarnos en este proyecto tan importante como lo es el tema de agua residual, ya que amplia es la demanda de agua potable.

A todos los que formamos parte de este grupo de trabajo que día a día hemos luchado por aprender y formar un mundo nuevo.

Al profesor Ítalo Goty por su apoyo y conocimientos aportados sobre datos estadísticos.

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