El documento proporciona información sobre microbiología anaerobia. Brevemente describe las características de las bacterias, archaeas y eukaryotes, así como los procesos de respiración anaerobia y los grupos representativos de bacterias anaerobias como las metanogénicas y sulfatoreductoras. También resume los principales bioprocesos anaerobios como la fermentación, acetogénesis y metanogénesis.

1. Microbiología Anaerobia Dra. Florina Ramírez Vives Laboratorio de Tratamiento de Aguas Residuales Departamento de Biotecnología Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa CURSO

2. ¿Sabías que los microorganismos ayudan a limpiar las aguas residuales?

3. Características diferenciadoras de los tres dominios (Madigan et al ., 1998) Característica Bacteria Archaea Eukaria DNA circular Presente Presente Ausente Núcleo encerrado en una membrana Ausente Ausente Presente Pared celular Ácido murámico Ausencia del ácido murámico Ausencia del ácido murámico Lípidos de membrana Uniones éster Uniones éter Uniones éster RNA polimerasas 1 (4 subunidades) Varias (de 8 a 12 subunidades c/u) 3 (de 12 a 14 subunidades c/u) Sensibilidad al cloramfenicol, estreptomicina y kanamicina Sí No No Metanogénesis No Sí No Reducción de S 0 a H 2 S Sí Sí No Desnitrificación Sí Sí No Quimiolitotrofía (Fe, S, H 2 ) Sí Sí No

4. RESPIRACIÓN ANAEROBIA El oxígeno molecular funciona como un aceptor externo de electrones en los microorganismos aerobios. Sin embargo, en vez de oxígeno algunos microorganismos pueden utilizar otros aceptores de electrones, en cuyo caso el proceso se denomina respiración anaeróbica.

5. Relación de los microorganismos con el Oxígeno Anaerobios Aerotolerantes Obligados Obligados Facultativos Microaerofílicos Aerobios

6. Reducción del oxígeno hasta agua mediante la incorporación secuencial de electrones O 2 + e -  O 2 - O 2 - + e - + 2 H +  H 2 O 2 H 2 O 2 + e - + H +  H 2 O + OH - OH - + e - + H +  H 2 O O 2 + 4 e - + 4 H +  2 H 2 O

7. Enzimas que actúan sobre especies moleculares derivadas del oxígeno Catalasa H 2 O 2 + H 2 O 2  2 H 2 O + O 2 Peroxidasas H 2 O 2 + NADH + H +  2 H 2 O + NAD + Superóxido dismutasa O 2 - + O 2 + 2 H +  H 2 O 2 + O 2 Superóxido dismutasa/catalasa 4 O 2 - + 4 H +  2 H 2 O + 3 O 2

8. Grupos representativos de las bacterias anaerobias Bacteria Archaea Anaerobias Aerotolerantes Bacterias del ácido láctico Anaerobias Obligadas Clostridios Homoacetogénicas Bacterias intestinales Sulfatoreductoras Extremófilas Metanogénicas Extremófilas

9. Degradacion Anaerobia de la materia organica Materia orgánica AGV H 2 + CO 2 acetato Hidrólisis, fermentación Acetogénesis Metanogénesis Metanogénesis CH 4 + CO 2 H 2 S + CO 2 Fermentativas, acetogénicas y BSR Metanogénicas y BSR Metanogénicas y BSR

10. HIDRÓLISIS- FERMENTACIÓN Polímeros complejos (carbohidratos, proteínas, lípidos ) Oligómeros (azúcares, aminoácidos, péptidos ) 1 Propionato, Butirato, (AG de cadena larga) 1 CO 2 + H 2 S H 2 , CO 2 ACETATO 1 1 CO 2 + H 2 S 5 5 5 CH 4 , CO 2 CH 4 , CO 2 4 3 2 HIDRÓLISIS y FERMENTACIÓN ACIDOGÉNESIS ACETOGÉNESIS METANOGÉNESIS Bacterias hidrolíticas y fermentativas. Bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno. Bacterias metanogénicas consumidoras de hidrógeno. Bacterias metanogénicas acetotróficas. Bacterias sulfatorreductoras. SO 4 2- SO 4 2- 2

11. Bioprocesos anaerobios Anaerobios y anóxicos Fermentativos: C x H y O z -----> R-COOH Metanogénicos: Acetato ------> CH 4 + CO 2 Sulfato reductores: Mo +SO 4 = --->H 2 S +CO 2 Desnitrificantes heterotróficos: 2 NO 3 - +C x H y O z ---> N 2 +CO 2 + OH - 2 NO 3 - +C x H y O z + HS - ---> N 2 + xCO 2 + OH - + S o Desnitrificantes litoautotróficos: 8 NO 3 - + 5 HS - + 8 H + --->4 N 2 + 4 H 2 O + 5 SO 4 = ANAMMOX: NO 2 - + NH 4 + -----> N 2 + 2 H 2 O

12. Bacterias Hidrolíticas Sustrato hidrolizado Microorganismo 1. Celulosa Acetovibrio cellulolyticus, Bacteroides succinogenes. Butyrovibrio fibrisolvens, Cillobacterium cellulosolvens, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavifaciens, Clostridium thermocellum 2. Hemicelulosa Bacteroides ruminonicola, Butyrovibrio fibrisolvens 3. Almidón Bacillus spp, Bacteroides spp, Clostridium butyricum. Clostridium spp , Lactobacillus spp , Micrococcus spp , Pseudomonas spp Clostridium thermohydrosulfuricum 4. Pectinas Costridium butyricum, Clostridium thermohydrosulfuricum 5. Lípidos Anaerovibrio lipolytica, Bacillus spp 6. Compuestos nitrogenados Costridium acidiurici, Clostridium cylindrosporum, Micrococcus aerogenes Micrococcus lactilycus 7. Proteínas Bacillus spp , Clostridium spp , Bifidobacterium spp , Peptococcus anaerobus, Staphylococcus spp

13. Bacterias Fermentativas Microorganismos Productos formados Acetobacterium woodii, Clostridium aceticum, Clostridium formiaceticum Clostridium thermoaceticum, Acetogenium kivui (termófila) Acetato Butyrobacterium methylotrophicum Eubacterium sp , Acidaminococcus sp Acetato, butirato Clostridium sp . Acetato, butirato, etanol Propionibacterium sp ., Anaerovibrio sp ., Veillonella sp . Acetato, propionato Lactobacillus sp ., Thermoanaerobium brockii Acetato, etanol, lactato, Bifidobacterium sp . Acetato, lactato Ruminococcus sp . Acetato, lactato, formiato Leptotrichia sp ., Streptococcus sp. Lactato Succinivibrio sp . Succinato Butyrivibrio sp., Fusobacterium sp . Butirato Megasphaera sp . Butirato, isobutirato, valerato, isovalerato, caproato Thermobacteroides acetoethilicus Etanol, acetato, butirato, isobutirato Thermoanaerobacter ethanolicus Etanol, acetato, lactato, isobutirato, isovalerato Clostridium thermosaccharolyticum Etanol, acetato, lactato, butirato, formiato

14. Bacterias homoacetogénicas (Madigan et al ., 1998) I. La síntesis de acetato es el resultado del metabolismo energético Acetoanaerobium noterae Acetobacterium woodii Acetobacterium wieringae Acetogenium kivui Acetitomaculum ruminis Desulfotomaculum orientis Sporomusa paucivorans Eubacterium limosum II. Síntesis de acetato en el metabolismo autotrófico Bacterias homoacetogénicas autotróficas Bacterias reductoras de sulfato autotróficas

15. Algunas características de las bacterias reductoras de sulfato (Madigan et al ., 1998) Género Morfología Gram Especies reportadas Desulforidina y otras características Grupo I. Reductores de sulfato: no oxidantes de acetato Desulfovibrio Desulfomicrobium Desulfobotulus Desulfotomaculum Desulfomonile Desulfobacula Desulfobulbus Thermodesulfobacterium Bacilos curvos Bacilos móviles Vibrios Bacilos rectos o curvos Bacilos Ovales o cocos Ovoides Bacilos - - - - - - - - 14 2 1 4 1 1 3 1 + - - - - - - + Grupo II. Reductores de sulfato: oxidantes de acetato Desulfobacter Deulfobacterium Desulfococcus Desulfonema Desulfosarcina Desulfoarculus Desulfacinum Desulforhabdus Thermodesulforhabdus Bacilos Bacilos Cocos Filamentos Cocos en paquetes Vibrios Cocos u ovales Bacilos Bacilos - - - + - - - - - 4 3 2 2 1 1 1 1 1 - - + + - - - - -

16. Algunas características de las bacterias metanogénicas (Holt et al ., 1994) Género Morfología Gram Especies reportadas Sustratos Grupo I Methanobacterium Methanobrevibacter Methanosphaera Methanothermus Bacilos alargados Bacilos cortos Cocos Bacilos + ó – + + + 13 3 1 2 H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato Metanol + H 2 H 2 + CO 2 Grupo II Methanococcus Methanomicrobium Methanogenium Methanospirillum Methanoplanus Methanoculleus Methanocorpusculum Methanolacinia Cocos irregulares Bacilos cortos Cocos irregulares Espiral Células en forma de placa Cocos irregulares en agregados Cocos irregulares Cocos grandes - - - - - - - - 7 2 4 1 2 4 5 1 H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 y formiato H 2 + CO 2 Grupo III Methanosarcina Methanolobus Methanohalobium Methanococoides Methahalophilus Methanotrix (Methanosaeta) Cocos grandes e irregulares en paquetes Cocos irregulares Cocos irregulares Cocos irregulares Cocos irregulares Bacilos alargados o filamentos + - - - - - 6 3 1 2 4 2 Acetato, Metanol, Mono, di ó trimetil aminas Metanol, mono, di ó trimetil aminas Metanol, mono, di y trimetil aminas Metanol, mono, di y trimetil aminas Metanol, mono, di y trimetil aminas Acetato

17. Sustratos tipo CO 2 Dióxido de carbono (con electrones derivados de H 2 , algunos alcoholes o piruvato) Formiato (HCOO - ) Monóxido de carbono (CO) Sustratos de metilo Metanol (CH 3 OH) Metilamina (CH 3 NH 3 + ) Dimetilamina [(CH 3 ) 2 NH 2 + ] Trimetilamina [(CH 3 ) 3 NH + ] Metilmercaptano (CH 3 SH) Dimetilsulfuro [(CH 3 ) 2 S] Sustratos acetotróficos Acetato (CH 3 COO - ) Sustratos convertibles a metano (Madigan et al ., 1998)

18. Lodos Anaerobios Granulares

19. Estructura del gránulo

20. Kato et al ., 1997 Aerobios Facultativos Metanótrofos Sulfatorreductores Acidogénicos Acetogénicos Hidrogenotrofos Metanogénicos Sulfatorreductores SUSTRATO CH 4 CO 2 H 2 S O 2

21. Biodegradación anaerobia

25. AISLAMIENTO DE BACTERIAS ANAEROBIAS

26. Análisis Microbiológicos Feed Biogas 10 -1 10 -2 -----------------10 -9 10 -10 Microbial counts (R2A, WWA) Strain isolation Strain identification Sherlock® Microbial Identification System (CFA analysis) 16S rDNA sequencing Unidentified strains Carbon sources Anaerobic growth Morphology, Gram, etc

27. Reactores Anaerobios Ventajas Limitada producción de lodos de desecho Bajos requerimientos de nutrientes Diseños relativamente simples Se pueden aplicar altas cargas orgánicas La actividad microbiana puede conservarse después de varios meses sin alimentación Producción de energía en forma de CH 4 Menor costo Desventajas Periodos largos para el arranque Microflora sensible a cambios bruscos de pH, compuestos tóxicos, oxígeno Efluente de menor calidad que el aerobio

28. TIPOS DE REACTORES TIPO DE REACTOR CARACTERÍSTICAS Discontinuo Alto rendimiento en la eliminación de componentes individuales Tanque agitado de flujo continuo CSTR Digestión anaerobia de lodos y aguas concentradas, balsas aireadas, estabilización de estanques, tratamiento de lodos Flujo pistón Tratamiento de lodos activados, tratamiento de balsas aireadas, estabilización de estanues, nitrificación, alta eliminación de componenetes individuales Lecho empacado Tratamiento aerobio y anaerobio, nitrificación y desnitrificación Lecho fluidificado Tratamiento aerobio con baja concentración de DBO, biodegradación de compuestos orgánicos tóxicos, Tratamiento anaerobio con baja DBO, desnitrificación Contacto biológico rotatorio (RBC) Tratamiento aerobio, eliminación de productos orgánicos, nitrificación

29. Reactores UASB V T = 35ºC TRH Inóculo

30. Reactores empacados con soporte de PVC colonizado

31. Reactor EGSB

32. Disposición de los Reactores Con recirculación (de células sedimentadas, del influente después de la sedimentación) Tratamiento aerobio y anaerobio En serie Nitrificación, desnitrificación, remoción de fosfato, Eliminación de DBO, anaerobio en etapas. En paralelo En plantas con elevados flujos de aguas Híbridos Tratamientos combinados para la remoción completa de contaminantes: DBO, nitrificación, desnitrificación Discontinuo secuencial Eliminación de productos orgánicos biodegradables peligrosos, procesos aerobios-anaerobios, eliminación de materia orgánica , nitrógeno y fósforo

33. GRACIAS Dra. Florina Ramírez Vives Departamento de Biotecnología, UAM-Iztapalapa San Rafael Atlixco 186, Col. Vicentina 09340 México, D.F. Tel/Fax: (55) 50804-4723 E-mail: frav@xanum.uam.mx