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REVISTA DE BIOLOGIA E CIÊNCIAS DA TERRA ISSN 1519-5228
Volume 24 - Número 1 - 1º Semestre 2024
USO DE BIOFILME COMO BIORREMEDIADOR DA QUALIDADE DA AGUA NA
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (ETE), JOÃO PESSOA-BRASIL
Jhazaira Mantilla Pérez1
, Maria Cristina Crispim2
, Flavia Martins Franco de Oliveira³
RESUMO
A problemática da eutrofização da agua em lagoas facultativas de estações de tratamento de águas
residuais tem aumentado devido a carencia na operação, que em muitos casos não cumprem as
regulamentações estipuladas pela legislação. Nesta pesquisa foram utilizados substratos artificiais para
o biofilme, colocadas em tanques de 500 litros (mesocosmos). Foram implementadas 6 unidades
experimentais: 3 tanques controle (sem substrato) e 3 tanques com biofilme. As variáveis físicas,
químicas e biológicas foram medidas e coletadas a cada 20 dias durante 3 meses. Os resultados
evidenciaram redução de nitrito, amônia, ortofosfato e clorofila-a, e aumento significativo nas
concentrações de oxigênio e transparencia da agua nos tanques com biofilme. O cladócera Moina Minuta
apresentou maior abundancia nos tanques com biofilme e Brachionus angularis (rotífera) apresentou
maior densidade nos tanques controle. As algas perifíticas mais abundantes no biofilme foram os gêneros
Chroococcus sp, Characium sp, Nitzschia sp, Stigeoclonium sp y Oscillatoria sp.. As variáveis biológicas
mostraram correlação com as variáveis físicas e químicas evidenciando notável melhoria na qualidade
da água. O uso do biofilme como biorremediador contribuiu para a absorção do excesso de nutrientes e
para o aumento do oxigênio em águas eutrofizadas.
Palavras-chave: Biorremediação, Plâncton, Remoção de nutrientes, Sistema ecológico.
USE OF BIOFILM AS BIORREMEDIATOR OF WATER QUALITY IN THE SEWAGE
TREATMENT STATION, JOÃO PESSOA-BRASIL
ABSTRACT
The problem of eutrophication of water in optional ponds of wastewater treatment plants has increased
due to lack of operation, which in many cases do not comply with the regulations stipulated by law. In
this research,, biofilm on artificial substrate was used, placed in 500 liter tanks (mesocosmos). Six
experimental units were implemented: 3 control tanks (without substrate) and 3 tanks with artificial
substrate for biofilm. Physical, chemical and biological variables were measured and collected every 20
days for 3 months. The results showed a reduction of nitrite, ammonia, orthophosphate and chlorophyll-
a, and a significant increase in oxygen concentrations and water transparency in the tanks with biofilm.
The cladoceran Moina minuta was more abundant in the biofilm tanks and Brachionus angularis
(rotifera) was more dense in the control tanks. The most abundant periphytic algae in the biofilm were
Chroococcus sp, Characium sp, Nitzschia sp, Stigeoclonium sp and Oscillatoria sp. The use of biofilm
as bioremediator contributes to the absorption of excess nutrients and to the increase of oxygen in
eutrophic waters.
Keywords: Biorremediation, Plâncton, Nutrient removal, Ecologic system.
11
1 - INTRODUCCIÓN
Con el aumento progresivo de la carga de
agua residual proveniente de los centros urbanos,
las lagunas facultativas de algunos países en
desarrollo, no siempre son idóneas para la correcta
disminución de la carga orgánica e inorgánica.
Pese a que estos reactores biológicos contribuyen
en la degradación de los contaminantes, en
diversos casos no es suficiente para alcanzar un
nivel aceptable bajo el marco de las normas de
vertimientos de aguas residuales tratadas en
cuerpos de agua naturales (Chai et al., 2021). En
Brasil, las lagunas facultativas han sido
ampliamente utilizadas para el tratamiento
convencional de aguas residuales domésticas e
industriales. Uno de los métodos alternativos de
reducción de contaminantes en el agua, es el uso
de biopelículas que se desarrollan en diferentes
tipos de sustratos. Este tratamiento biológico
incluye la acción de las microalgas de la
comunidad perifítica en la remoción de nutrientes
de cuerpos de agua contaminados (Crispim et al.,
2009; Sousa, 2015; Crispim et al, 2018; Crispim et
al, 2019; Sousa, 2020; Oliveira, 2020; Altunoz et
al., 2020). El crecimiento de las microalgas en los
cuerpos de agua eutrofizados se relaciona con la
absorción del exceso de nutrientes, y se expresa en
términos de abundancia y biomasa de la
comunidad perifítica y fitoplanctónica (Hernández
et al., 2011; Couto et al., 2021).
En esta investigación se analizó el efecto
biorremediador de las biopelículas en la calidad de
agua de una laguna facultativa de agua residual
urbana, utilizando tanques de 500 litros como
mesocosmos. Igualmente, se analizó la diversidad
y densidad de los géneros de microalgas del
perifiton y los organismos zooplanctónicos
asociados a la calidad de agua de los tanques, con
y sin tratamiento con biopelículas. Las hipótesis de
investigación planteadas fueron las siguientes: (1)
Las biopelículas tienen la capacidad de remover el
exceso de nutrientes del agua en lagunas
facultativas de estaciones de tratamiento de agua e
(2) Los taxa de las algas perifíticas y del
zooplancton registrados en los tanques tratados
con las biopelículas, están relacionados con la
mejora en la calidad de agua de la laguna
facultativa.
2 - FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
En los últimos años la biorremediación
con microalgas se ha extendido mediante la
implementación de tratamientos de tipo
biorreactor y tanques de producción de biomasa.
Estos tratamientos registran buena relación costo-
eficiencia, y son apropiados en términos de
mínimos impactos ambientales (Akao et al., 2021).
Mediante la fotosíntesis las microalgas fijan CO₂,
producen oxígeno, absorben nitrógeno y fósforo
para formación de biomasa, disminuyendo la carga
elevada de nutrientes orgánicos e inorgánicos en
aguas residuales (Mohsenpour et al., 2021).
Además de los macronutrientes N y P, las
microalgas bioacumulan y degradan sustancias
tóxicas, antibióticos y metales pesados presentes
en cuerpos de agua contaminados (Mustafa et al.,
2021).
La versatilidad de varios grupos de
microalgas en términos de hábitos de nutrición y
metabolismo, radica en la capacidad de
desarrollarse como organismos autótrofos,
heterótrofos o mixótrofos. Los grupos de
microalgas más reportados en investigaciones de
biorremediación de aguas residuales corresponden
a los phylum Chlorophyta y Cyanophyta (Kumar
et al., 2021, Sutherland et al., 2020). Las
biopelículas al ser matrices compuestas por
diferentes comunidades de microorganismos como
bacterias, hongos, microalgas y protozoos,
participan en la absorción, degradación y
metabolización de nutrientes, contaminantes,
tintes y otras sustancias presentes en los cuerpos
de agua (Shabbir et al., 2017). La composición de
la comunidad de microalgas además de ser
determinante en los procesos de biorremediación,
según su grupo funcional, está relacionada con la
dinámica y el estado trófico de los ecosistemas
acuáticos (Çelekli et al., 2014). Así, las microalgas
son consideradas bioindicadores de calidad de
agua, que, junto con la composición y tamaño de
la comunidad zooplanctónica, pueden orientar
estudios de detección de procesos de eutrofización
(Yun Li; Chen, 2020). La determinación de grupos
taxonómicos de microalgas, así como sus grupos
funcionales, son importantes en el monitoreo de
calidad de agua por su sensibilidad a las
variaciones ambientales naturales y antrópicas
(Cupertino et al., 2019). Considerando la
necesidad de utilizar métodos alternativos
naturales de tratamiento de agua residual, la
biorremediación con biopelículas en sustrato
artificial constituye una herramienta efectiva,
económica y complementaria a los tratamientos
convencionales de saneamiento.
3 - MATERIAL Y MÉTODOS
Nuestra investigación fue realizada en la
estación de tratamiento de agua residual de
Mangabeira, en la ciudad de Joao Pessoa-Brasil.
La estación se encuentra localizada en las
coordenadas 297585.97 E, 9205052.86 S (Fig.1),
con una altitud de 36 msnm. El efluente que sale
de la laguna facultativa es vertido en el río Cuiá.
La laguna presenta una profundidad de 1.7 m y un
área de 3,2 hectáreas.
Figura 1. Localización de la laguna facultativa de la estación de tratamiento de agua residual de Mangabeira. Location of
facultative pond of Mangabeira wastewater treatment plant.
Diseño experimental y métodos de muestreo
Se utilizaron como mesocosmos 6 tanques
de agua de 500 litros con área superficial de 4.43
m², y cada uno fue llenado con el agua que sale de
la laguna facultativa. Tres de los tanques fueron
utilizados como control (sin sustrato) (Figura 2 C),
y en los tres tanques restantes se colocaron 7
plásticos como sustrato artificial para las
biopelículas como se muestra en la figura 2 (A, B).
El área total de los sustratos corresponde a 6.44 m².
En cada tanque se colectaron 3 réplicas de las
biopelículas (recortes) con un área de 14.4cm². Los
sustratos recortados fueron raspados y la matriz
perifítica fue colocada en frascos plásticos y
preservada con formol glicosilado al 4%.
La comunidad zooplanctónica fue
colectada filtrando 40 litros de agua de cada tanque
con biopelículas y en los tanques control, las
muestras fueron preservadas con formol
glicosilado al 4%. El conteo de zooplancton se
realizó con un aumento de 200X, efectuando el
barrido de toda la cámara hasta contar 100
individuos del morfotipo dominante.
Las variables físicas fueron medidas con
sondas para cada parámetro: oxígeno, pH y
temperatura con el equipo PHTEK, la
conductividad con el equipo TEC-4MP. Para las
variables químicas se colectaron muestras de agua
de cada tanque y se procesaron en el Laboratorio
de Ecología Acuática de la UFPB, con base en la
metodología de la APHA (Baird et al., 2005). La
medición de la transparencia se realizó con el disco
Secchi. El conteo de algas de las biopelículas fue
realizado con una cámara Sedgwick Rafter y un
microscopio OLYMPUS CBA, en aumento de
400X. Se contaron hasta 400 células del morfotipo
dominante.
La concentración de clorofila-a se
determinó espectrofotométricamente
(BIOSPECTRO SP-22), con acetona como
disolvente extractor. La toma de datos se realizó
cada 20 días, iniciando en el mes de febrero y
finalizando en el mes de abril (T0: febrero, T1:
marzo, T2 abril. Se determinó la composición
taxonómica y la densidad de las microalgas de las
biopelículas y de los organismos zooplanctónicos,
mediante la metodología de la APHA (Baird et al.,
2005)
.
Figura 2. Diseño experimental con los tanques y sustratos de fijación para las biopelículas (A y B), y los tanques de control
©. Experimental design of the tanks and biofilm fixing substrate (A y B), and control tanks ©.
Fuente: Jhazaira Mantilla, 2014
Análisis de datos
Los análisis físicos, químicos y biológicos
se realizaron utilizando un diseño experimental de
medidas repetidas. Se realizó estadística
descriptiva y regresiones lineales de las variables
físicas y químicas, ajustando un modelo lineal al
vector de medidas repetidas de cada unidad de
observación. Mediante las nuevas variables
representadas en los coeficientes estimados β0, β1,
se realizó ANOVA de una vía con validación de
supuestos de los residuales.
Se realizaron pruebas Post hoc de
Bonferroni (BF) para las variables que presentaron
diferencias significativas entre tratamientos, y para
determinar las diferencias intra-sujetos para dos
niveles (tratamientos) en los tres tiempos T0, T1 y
T2. Para las variables biológicas se realizó análisis
de correspondencia canónica (ACC) considerando
la densidad relativa de microalgas de las
biopelículas, la densidad relativa del zooplancton,
y las variables físicas y químicas que presentaron
diferencias significativas entre los tiempos de
muestreo T1 y T2 en los que se desarrolló
completamente la comunidad perifítica. Los
análisis fueron realizados utilizando los softwares
RStudio 1.3 y Past 4.03.
4 – RESULTADOS
Efecto de las biopelículas en las variables
físicas y químicas
En la comparación de los tanques con
biopelículas y los tanques control no se
encontraron diferencias significativas en las
variables amonio (F=0.405, p=0.559), nitrato
(F=3.241, p=0.146), Nitrito (F=03.84, p=0.122),
conductividad (F=1.492, p=0.289) y temperatura
(F=1.841, p=0.246). No obstante, el amonio y el
nitrato presentaron diferencias disminuyendo y
aumentando su concentración durante el
experimento, entre los tiempos de aplicación de las
biopelículas T0 -T1 (BF p=0.00714e-³), T0-T2
(BF p=0.00744 e-³), y T0-T2 (BF p=0.03), T1-T2
(BF p=0.018) respectivamente.
La clorofila-a y el ortofosfato, presentaron
diferencias entre los tanques con biopelículas y los
tanques control, disminuyendo sus
concentraciones a lo largo del tiempo (F=13.6,
p=0,0211) y (F=261.8, p=0.00854 e-²).
Igualmente, en el tratamiento con biopelículas se
observaron diferencias en estas variables en cuanto
a su disminución durante el experimento:
Clorofila-a entre los tiempos T1-T2 (BF p=0.042),
y ortofosfato T0-T1 (BF p=0.005), T0-T2 (BF
p=0.002), T1-T2 (BF p=0.006). El oxígeno y la
transparencia aumentaron sus valores al final de
experimento en los tanques con biopelículas
(F=123.8, p=0.00037) y (F=9.60, p=0.00065 e-³)
respectivamente.
Entre los tiempos T1-T2 el oxígeno
presentó diferencias T0-T1 (BF p=0.018) y T1-T2
(BF p=0.032), en tanto que la transparencia
presentó diferencias entre los tres tiempos
analizados T0-T1 (BF p=0.021), T0-T2 (BF
p=0.00019) y T1-T2 (BF p=0.002). Si bien el pH
no presentó cambios significativos durante el
estudio (F=6.62, p=0.0618), sus valores
aumentaron en T0 a T2 de 6 a 10, tanto en los
tanques control como en los tanques con
biopelículas.
En los tanques de control, las variables
amonio y ortofosfato disminuyeron
significativamente en T0-T2 (BF p=0.00504 e-²)
(BF p=0.005), sin embargo, su disminución fue
menor que la de los tanques tratados con
biopelículas. Así mismo, las variables oxígeno y
transparencia aumentaron en los tanques de
control a lo largo del tiempo T0-T2 (BF p=0.01),
T0-T2 (BF p=0.003) respectivamente, no obstante,
su aumento fue superior en los tanques con
biopelículas (Tabla 1).
TABLA 1. Variables físicas y químicas con diferencias
significativas en los tanques con biopelículas y en los
tanques de control. Physical and chemical variables with
significant differences in biofilm tanks and control tanks.
Elaborado por el autor
Comunidades hidrobiológicas: fitoperifiton y
zooplancton
En total fueron registrados 46 taxa de algas
perifíticas distribuidos en 4 phylum:
Bacillariophyta, Chlorophyta, Cyanophyta y
Euglenozoa. La densidad total de algas perifíticas
de las biopelículas aumentó con el tiempo,
registrando y un total de 37607 Org.cm-² en T1 y
75205 Org.cm-² en T2 (Figura 3).
Figura 3. Densidad total de algas perifíticas (Org.cm-²)
presentes en los tanques con biopelículas T1 y T2. Total
density of Periphyton algae (Org.cm-²) in biofilms tanks at
T1 and T2.
Elaborado por el autor
Variable Tiempo
Tanque
Biopelícula
(média +
DP)
Tanque
Control
(média + DP)
Amonio
(mg. L⁻¹)
T0 9.950 + 10,0 9.946 +37,86
T1 0.047 +0,033 0.024 +0,01
T2 0.037 +0,028 0.075 +0,11
Ortofosfato
(mg. L⁻¹)
T0 2.68 +0,015 2.68 +0,01
T1 2.11 +0,040 2.18 +0,06
T2 1.24 +0,061 1.98 +0,05
Oxígeno
(mg. L⁻¹)
T0 7.96 +0,058 7.83 +0,12
T1 4.45 +0,436 6.6 +0,23
T2 10.58 +0,674 6.13 +0,15
Transparen
cia (cm)
T0 0.18 +0,010 0.18 +0,01
T1 21.00 +3,0 9.33 +1,04
T2 42.66 +0,577 10.33 +0,58
Org.cm
-2
Los grupos de algas más representativos
corresponden a los phylum Cyanophyta y
Chorophyta. Los géneros Chroococcus sp (14357
Org.cm-²) y Nitzschia sp (6394 Org.cm-²)
presentaron la densidad más elevada en T1. Para
T2 los géneros que registraron las densidades más
elevadas corresponden a Chroococcus sp (19119
Org.cm-²) y Characium sp (19312 Org.cm-²)
(Tabla 2).
La comunidad zooplanctónica presentó un
total de 6 taxa distribuidos en los phylum
Arthropoda y Rotifera. La densidad total del
zooplancton disminuyó en los tanques con
biopelículas (142 Ind.L-¹) en T2, en contraste con
los tanques control (305 Ind.L-¹). La densidad más
elevada se observó en los tanques con biopelículas
en T1 (545 Ind.L-¹) (Figura 4).
Figura 4. Densidad total del zooplancton (Ind.L-¹) en los
tanques con biopelículas y en los tanques de control para T1
y T2. Total density of zooplankton (Ind.L-¹) in biofilms tanks
and control tanks at T1 and T2.
Elaborado por el autor
La especie M. minuta registró la mayor
densidad en los tanques con biopelículas para T1 y
T2, en contraste con la especie B. angularis que
registró la densidad más elevada en los tanques
control y ningún organismo en T2 de los tanques
con biopelículas (Tabla 2)
.
Tabla 2. Densidad y determinación taxonómica de los géneros más abundantes de la comunidad zooplanctónica y de algas
perifíticas en los tiempos T1 y T2 en los tanques con biopelículas. Density and taxonomic determination of the most abundant
taxa of zooplankton and periphyton algae communities at T1 and T2 in biofilms tanks.
Elaborado por el autor
El ACC de las variables físicas, químicas
y biológicas muestra la relación entre dos de los
géneros de algas perifíticas más abundantes de
los tanques con biopelículas en T2 (Characium
sp, Oscillatoria sp), y las variables
transparencia, oxígeno, pH y temperatura. En T2
estas variables físicas y químicas aumentaron,
favoreciendo el incremento en la densidad de
algas perifíticas y la absorción de nutrientes.
Adicionalmente, se observó una asociación entre
las variables conductividad y ortofosfato y las
algas Nitzschia sp y Chroococcus sp en T1
(Figura 5).
Comunidad zooplanctónica Densidad (Ind.L⁻¹)
Phylum Clase Orden Género T1 T2
Rotifera Monogononta Plioma B. angularis 242 0
Arthropoda Branchiopoda Cladócera M. minuta 298 129
Comunidad perifítica Densidad (Org.cm⁻¹)
Bacillariophyta Bacillariophyceae Bacillariales Nitzschia sp T1 T2
Cyanophyta Cyanophyceae Oscillatoriales Oscillatoria sp 6394 679
Chlorophyta Chlorophyceae Chaetophorales Stigeoclonium sp 3286 1297
Chlorophyta Chlorophyceae Sphaeropleales Characium sp 2230 19312
Cyanophyta Cyanophyceae Chroococcales Chroococcus sp 14357 19119
Ind.L
-1
Figura 5. Diagrama del análisis de correspondencia canónica de las variables físicas, químicas y biológicas de densidad de
algas perifíticas en T1 y T2. Canonical correspondence analysis of physical, chemical and biological variables of periphytic
algae at T1 and T2.
Elaborado por el autor
Los valores elevados de conductividad y
ortofosfato propios de ambientes eutrofizados
similares a las condiciones en T1, propician el
crecimiento de algunos morfotipos de algas. El
género Nitzschia sp y las cianobacterias, han
sido registradas como indicadoras de agua rica
en nutrientes (Lepšová-Skácelová et al., 2018;
Tsoi et al., 2020).
Para la comunidad zooplanctónica, el
ACC asocia la especie Moina minuta con las
variables transparencia, oxígeno, temperatura y
conductividad en los tanques con biopelículas en
T2. Para este tiempo, al igual que el ACC del
perifiton, esta asociación de variables puede
estar relacionada con la mejora en la calidad de
agua, dada la presencia del cladócero M. minuta
(Vieira et al., 2009) y el incremento en la
transparencia, el oxígeno y la disminución de la
conductividad en comparación con T1. Los
tanques control se relacionaron con la especie
Brachionus angularis, Asplanchna sp y las
variables ortofosfato, amonio y pH en T1(Figura
6).
Figura 6. Diagrama del análisis de correspondencia canónica de las variables físicas, químicas y biológicas de densidad del
zooplancton en T1, T2 y en los tanques control (Tcontrol) y con biopelículas (Tanque b). Canonical correspondence analysis
of physical, chemical and biological variables of zooplankton density at T1, T2 in biofilm (Tanque b) and control tanks.
Elaborado por el autor
En la figura 7 se presenta un modelo
conceptual del efecto de las biopelículas en el
mesocosmos analizado, considerando las
variables evaluadas en el presente estudio. Pese
a que el número de repeticiones del experimento
fue limitado, los cambios en la calidad de agua
en los tanques tratados con biopelículas fueron
evidentes. Las variables químicas ortofosfato y
amonio presentaron las concentraciones más
elevadas (>2 mg. L⁻¹ y >9 mg. L⁻¹), al inicio del
experimento.
Figura 7. Modelo conceptual del efecto de las biopelículas en el mesocosmos utilizado en la estación de tratamiento de agua
residual de Mangabeira. Conceptual model of biofilms effect on the mesocosm applied in Mangabeira wastewater treatment
plant
Elaborado por el autor
5 – DISCUSIÓN
El vertimiento de efluentes ricos en
nutrientes y contaminantes provenientes de
lagunas facultativas puede tener un efecto nocivo
para la biota acuática de los cuerpos de agua
naturales (Itzel et al., 2020). Los tratamientos de
biorremediación no convencionales como el uso
de biopelículas, humedales artificiales y
macrófitas acuáticas, constituyen una alternativa
eficiente en la remoción del exceso de nutrientes y
contaminantes de las aguas residuales, mediante
transformación bioquímica a partir de procesos de
fijación, absorción, metabolización y
volatilización (Kataki et al., 2021). Las altas
concentraciones de amonio detectadas al inicio del
experimento y su posterior disminución, se debe
en parte, a la asimilación por las microalgas
perifíticas y planctónicas, además de la
amonificación de compuestos nitrogenados
provenientes de la materia orgánica (Cárdenas
Calvachi; Sánchez Ortiz, 2013).
Los valores elevados de nitrato observados
en T2 en los tanques control y con biopelículas,
están relacionados con la concentración de
oxígeno que durante el experimento se mantuvo
elevada >6 mg. L⁻¹, con excepción de los tanques
con biopelículas en T1, donde el oxígeno
disminuyó a 4 mg. L⁻¹. La concentración elevada
de oxígeno favoreció la nitrificación, en la cual se
produce la oxidación del amonio a nitrato (Zimmo
et al., 2004). En el caso de T1 en los tanques con
biopelículas donde se presentó disminución del
oxígeno y aumento de pH, la concentración de
amonio aumentó ligeramente en comparación con
los tanques de control.
Este resultado evidencia la relación
inversamente proporcional entre el oxígeno y el
amonio, remarcando la importancia de la
oxigenación en los cuerpos de agua para mantener
las concentraciones de amonio en niveles no
tóxicos (Silver et al., 2018). El pH, que se mantuvo
básico durante los tiempos T1 y T2 (>8) en los
tanques control y con biopelículas, revela la
relación con la disminución del nitrito cuya
remoción promedio fue mayor en los tanques con
biopelículas (de 0,010 para 0,001 mg. L⁻¹)
comparando con el control (de 0,01 a 0,009 mg.
L⁻¹). Debido a la buena oxigenación y a los valores
básicos de pH registrados en los tanques con
biopelículas en T1 y T2, el proceso de
desnitrificación fue poco estimulado; en
consecuencia, la concentración de nitrato fue
elevada en T2. Sin embargo, estas concentraciones
de nitrato (<0.1 mg. L⁻¹) no constituyen niveles
tóxicos para la biota acuática.
Es necesario profundizar en las
investigaciones de la dinámica del proceso de
desnitrificación en concentraciones altas de
oxígeno y pH, considerando igualmente un mayor
tiempo de exposición del agua residual al
tratamiento con las biopelículas.
La acumulación de nutrientes en las aguas
residuales promueve el desarrollo de diferentes
grupos de algas planctónicas y perifíticas. Las
algas absorben y asimilan estos nutrientes para sus
funciones celulares, teniendo un efecto
biorremediador en el agua residual (Li et al.,
2020a). Se ha demostrado que el crecimiento de
algas perifíticas en sustratos naturales y
artificiales, acompañan procesos de remoción de
nitrógeno y fósforo de manera eficiente (Liu et al.,
2016). Este efecto fue observado en los tanques
con biopelículas en T2, mostrando una reducción
en las concentraciones de ortofosfato de 2.7 mg.
L⁻¹ en T0 a <1.3 mg. L⁻¹ en T2. El phylum
Cyanophyta fue el más representativo durante el
experimento en términos de abundancia con el
género Chroococcus sp, cuya abundancia fue la
más elevada en T1 y T2 (>14000 org.cm-²).
Este grupo de algas presenta una
importante afinidad con las formas inorgánicas del
nitrógeno, especialmente con el amonio, en
comparación con otros taxones de algas (Li et al.,
2020b). En términos de riqueza, el phylum
Chlorophyta registró el mayor número de taxa
(20). Este grupo ha sido ampliamente utilizado
para el tratamiento de aguas residuales en forma de
cultivo (biorreactores), y registrado de forma
natural en sustratos de corrientes de agua residual.
El efecto de las Chlorophyta en la remoción de
nitrógeno y fósforo es más eficiente en aguas
residuales domésticas, que en aguas residuales
industriales dada la elevada concentración de
metales pesados(Abinandan; Shanthakumar,
2015).
Las Chlorophytas de los géneros
Stigeoclonium sp y Characium sp encontrados en
el presente estudio, son frecuentes en la
comunidad perifítica de diferentes ambientes, y
poseen alto potencial de cultivo para el tratamiento
de agua (Jiajun Liu et al., 2019). El efecto
biorremediador de las algas en biopelículas,
representadas en los principales grupos
taxonómicos del perifiton Bacillariophyta,
Chlorophyta y cianobacterias, ha sido registrado
en diversas investigaciones (Santhana Kumar et
al., 2017; Jiajun Liu et al., 2019; Mantzorou;
Ververidis, 2019; Al Momani; Örmeci, 2020).
La densidad total de las algas perifíticas
aumentó a lo largo de experimento, en detrimento
de la concentración de clorofila-a asociada a la
biomasa fitoplanctónica. Este resultado puede
indicar que las algas de las biopelículas, al tener
una mayor participación en la en la remoción de
nitrógeno y degradación del fósforo por procesos
de asimilación, absorción, precipitación (Ma et al.,
2019), favoreció el aumento de su densidad entre
T1 yT2. Se ha reportado que las biopelículas son
más efectivas en la remoción de nutrientes y
producen mayor biomasa, que los sistemas de
algas de cultivos en suspensión (Mantzorou;
Ververidis, 2019).
En ecosistemas naturales eutrofizados, el
perifiton puede inhibir el crecimiento de
floraciones de fitoplancton, y contribuir en la
disminución del estado trófico del cuerpo de agua
(Ma et al., 2019). La reducción en la clorofila-a en
los tanques con biopelículas, revela la dominancia
de las algas perifíticas sobre las fitoplanctónicas, y
reflejándose en el aumento de la transparencia del
agua en T1 y T2. El perifiton tiene la capacidad de
absorber y procesar nutrientes dentro de la matriz,
disminuyendo su disponibilidad en la columna de
agua para el crecimiento del fitoplancton
(Rodríguez; Pizarro, 2015).
El zooplancton es utilizado como indicador
del estado trófico de los ecosistemas con base en
su composición y densidad. La estructura de esta
comunidad es sensible a los cambios ambientales
de los cuerpos de agua, incluyendo las variaciones
en el fósforo total y la clorofila (García-Chicote et
al., 2018). La densidad total de la comunidad
zooplanctónica disminuyó considerablemente en
T2 en los tanques con biopelículas. En los tanques
control la densidad se mantuvo estable en T1 y T2.
La reducción de la biomasa fitoplanctónica de los
tanques con biopelículas en T2, pudo afectar la
disponibilidad de alimento para estos organismos,
lo que ocasionaría una reducción en su densidad.
El rotífero Brachionus angularis presentó
la mayor densidad en los tanques control, en tanto
que, el cladócero Moina minuta fue más
representativo en los tanques con biopelículas en
T1 y T2. Los rotíferos son frecuentemente
asociados a cuerpos de agua eutrofizados y
responden a la variación en concentración de
clorofila-a y biomasa fitoplanctónica (Crispim et
al., 2014). En los tanques con biopelículas en T2,
no se registraron organismos de B. angularis y la
densidad de M. minuta disminuyó de T1 a T2. En
ese sentido, la ausencia de B. angularis y la
presencia de M. minuta en los tanques con
biopelículas puede indicar una mejora en la calidad
de agua, ya que B. angularis es un indicador de
aguas eutróficas. No obstante, la disminución de la
densidad de M. minuta entre T1 y T2 puede
deberse a la disminución de la clorofila-a, dada la
alta capacidad de filtración y las necesidades
alimenticias de los cladóceros en comparación con
los rotíferos (Vieira et al., 2009).
Sin embargo, M. minuta requiere altas
concentraciones de algas (Vieira et al., 2011) y con
la reducción de la producción primaria no T2 esta
especie ha reducido sus densidades. La presión de
herbivoría tuvo un efecto en la disminución de la
biomasa fitoplanctónica en términos de clorofila-a
(Montemezzani et al., 2016), favoreciendo a su
vez, el aumento de la densidad del perifiton en T2.
El efecto biorremediador de las
biopelículas junto con la capacidad de filtración de
los organismos zooplanctónicos, y la acción de las
bacterias nitrificantes promovieron la reducción de
la turbidez en T2, en los tanques tratados con
biopelículas. Los tratamientos de agua residual
utilizando biorreactores que combinan
biopelículas, bacterias y zooplancton (Daphnia
sp), han demostrado una alta eficiencia en la
remoción de nutrientes como tratamiento terciario
(Pous et al., 2020).
6 – CONCLUSIÓN
Los resultados de esta investigación
permitieron observar el efecto positivo de las
biopelículas en la remoción del exceso de
nutrientes en aguas procedentes de lagunas
facultativas. La biorremediación con biopelículas
puede ser aplicada en cuerpos de agua eutróficos
como tratamiento biologico dado su alto potencial
de fijación, absorción y metabolización de
nutrientes. Esta metodología puede contribuir en el
mejoramiento de la calidad de agua provenientes
de lagunas facultativas, que son vertidas en
cuerpos de agua naturales. La biorremediación con
biopelículas aumenta la oxigenación del agua,
facilitando los procesos de oxidación de la materia
orgánica. No obstante, son necesarias más
investigaciones para fortalecer el análisis del
efecto biorremediador de las biopelículas en
tiempos más extensos y frecuentes de aplicación
del tratamiento, así como la relación de
competencia entre la biomasa fitoplanctónica y la
comunidad perifítica. La aplicación de este
método de biorremediación con el aumento del
biofilm también debe realizarse en ambientes
lóticos .
7 – REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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GIJZEN, H. J. Nitrogen Mass Balance Across
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________________________________________
1- Bióloga, M.Sc. Departamento de Sistemática e
Ecologia; Centro de Ciências Exatas e da
Natureza; Universidade Federal da Paraíba
(UFPB); Cidade Universitária; Caixa-postal:
5065; CEP 58059-900, João Pessoa, PB, Brasil (in
memorian)
2- Professora titular do Departamento de
Sistemática e Ecologia; Centro de Ciências Exatas
e da Natureza; Universidade Federal da Paraíba
(UFPB); Cidade Universitária; CEP 58059-900,
João Pessoa, PB, Brasil. E-mail:
ccrispim@hotmail.com
3- Doutora pelo Programa de Pós-graduação em
Desenvolvimento e Meio Ambiente
(PRODEMA); Centro de Ciências Exatas e da
Natureza da Universidade Federal da Paraíba
(UFPB); Cidade Universitária; Caixa-postal:
5065; CEP 58059-900, João Pessoa, PB, Brasil.
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  • 1. REVISTA DE BIOLOGIA E CIÊNCIAS DA TERRA ISSN 1519-5228 Volume 24 - Número 1 - 1º Semestre 2024 USO DE BIOFILME COMO BIORREMEDIADOR DA QUALIDADE DA AGUA NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (ETE), JOÃO PESSOA-BRASIL Jhazaira Mantilla Pérez1 , Maria Cristina Crispim2 , Flavia Martins Franco de Oliveira³ RESUMO A problemática da eutrofização da agua em lagoas facultativas de estações de tratamento de águas residuais tem aumentado devido a carencia na operação, que em muitos casos não cumprem as regulamentações estipuladas pela legislação. Nesta pesquisa foram utilizados substratos artificiais para o biofilme, colocadas em tanques de 500 litros (mesocosmos). Foram implementadas 6 unidades experimentais: 3 tanques controle (sem substrato) e 3 tanques com biofilme. As variáveis físicas, químicas e biológicas foram medidas e coletadas a cada 20 dias durante 3 meses. Os resultados evidenciaram redução de nitrito, amônia, ortofosfato e clorofila-a, e aumento significativo nas concentrações de oxigênio e transparencia da agua nos tanques com biofilme. O cladócera Moina Minuta apresentou maior abundancia nos tanques com biofilme e Brachionus angularis (rotífera) apresentou maior densidade nos tanques controle. As algas perifíticas mais abundantes no biofilme foram os gêneros Chroococcus sp, Characium sp, Nitzschia sp, Stigeoclonium sp y Oscillatoria sp.. As variáveis biológicas mostraram correlação com as variáveis físicas e químicas evidenciando notável melhoria na qualidade da água. O uso do biofilme como biorremediador contribuiu para a absorção do excesso de nutrientes e para o aumento do oxigênio em águas eutrofizadas. Palavras-chave: Biorremediação, Plâncton, Remoção de nutrientes, Sistema ecológico. USE OF BIOFILM AS BIORREMEDIATOR OF WATER QUALITY IN THE SEWAGE TREATMENT STATION, JOÃO PESSOA-BRASIL ABSTRACT The problem of eutrophication of water in optional ponds of wastewater treatment plants has increased due to lack of operation, which in many cases do not comply with the regulations stipulated by law. In this research,, biofilm on artificial substrate was used, placed in 500 liter tanks (mesocosmos). Six experimental units were implemented: 3 control tanks (without substrate) and 3 tanks with artificial substrate for biofilm. Physical, chemical and biological variables were measured and collected every 20 days for 3 months. The results showed a reduction of nitrite, ammonia, orthophosphate and chlorophyll- a, and a significant increase in oxygen concentrations and water transparency in the tanks with biofilm. The cladoceran Moina minuta was more abundant in the biofilm tanks and Brachionus angularis (rotifera) was more dense in the control tanks. The most abundant periphytic algae in the biofilm were Chroococcus sp, Characium sp, Nitzschia sp, Stigeoclonium sp and Oscillatoria sp. The use of biofilm as bioremediator contributes to the absorption of excess nutrients and to the increase of oxygen in eutrophic waters. Keywords: Biorremediation, Plâncton, Nutrient removal, Ecologic system. 11
  • 2. 1 - INTRODUCCIÓN Con el aumento progresivo de la carga de agua residual proveniente de los centros urbanos, las lagunas facultativas de algunos países en desarrollo, no siempre son idóneas para la correcta disminución de la carga orgánica e inorgánica. Pese a que estos reactores biológicos contribuyen en la degradación de los contaminantes, en diversos casos no es suficiente para alcanzar un nivel aceptable bajo el marco de las normas de vertimientos de aguas residuales tratadas en cuerpos de agua naturales (Chai et al., 2021). En Brasil, las lagunas facultativas han sido ampliamente utilizadas para el tratamiento convencional de aguas residuales domésticas e industriales. Uno de los métodos alternativos de reducción de contaminantes en el agua, es el uso de biopelículas que se desarrollan en diferentes tipos de sustratos. Este tratamiento biológico incluye la acción de las microalgas de la comunidad perifítica en la remoción de nutrientes de cuerpos de agua contaminados (Crispim et al., 2009; Sousa, 2015; Crispim et al, 2018; Crispim et al, 2019; Sousa, 2020; Oliveira, 2020; Altunoz et al., 2020). El crecimiento de las microalgas en los cuerpos de agua eutrofizados se relaciona con la absorción del exceso de nutrientes, y se expresa en términos de abundancia y biomasa de la comunidad perifítica y fitoplanctónica (Hernández et al., 2011; Couto et al., 2021). En esta investigación se analizó el efecto biorremediador de las biopelículas en la calidad de agua de una laguna facultativa de agua residual urbana, utilizando tanques de 500 litros como mesocosmos. Igualmente, se analizó la diversidad y densidad de los géneros de microalgas del perifiton y los organismos zooplanctónicos asociados a la calidad de agua de los tanques, con y sin tratamiento con biopelículas. Las hipótesis de investigación planteadas fueron las siguientes: (1) Las biopelículas tienen la capacidad de remover el exceso de nutrientes del agua en lagunas facultativas de estaciones de tratamiento de agua e (2) Los taxa de las algas perifíticas y del zooplancton registrados en los tanques tratados con las biopelículas, están relacionados con la mejora en la calidad de agua de la laguna facultativa. 2 - FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA En los últimos años la biorremediación con microalgas se ha extendido mediante la implementación de tratamientos de tipo biorreactor y tanques de producción de biomasa. Estos tratamientos registran buena relación costo- eficiencia, y son apropiados en términos de mínimos impactos ambientales (Akao et al., 2021). Mediante la fotosíntesis las microalgas fijan CO₂, producen oxígeno, absorben nitrógeno y fósforo para formación de biomasa, disminuyendo la carga elevada de nutrientes orgánicos e inorgánicos en aguas residuales (Mohsenpour et al., 2021). Además de los macronutrientes N y P, las microalgas bioacumulan y degradan sustancias tóxicas, antibióticos y metales pesados presentes en cuerpos de agua contaminados (Mustafa et al., 2021). La versatilidad de varios grupos de microalgas en términos de hábitos de nutrición y metabolismo, radica en la capacidad de desarrollarse como organismos autótrofos, heterótrofos o mixótrofos. Los grupos de microalgas más reportados en investigaciones de biorremediación de aguas residuales corresponden a los phylum Chlorophyta y Cyanophyta (Kumar et al., 2021, Sutherland et al., 2020). Las biopelículas al ser matrices compuestas por diferentes comunidades de microorganismos como bacterias, hongos, microalgas y protozoos, participan en la absorción, degradación y metabolización de nutrientes, contaminantes, tintes y otras sustancias presentes en los cuerpos de agua (Shabbir et al., 2017). La composición de la comunidad de microalgas además de ser determinante en los procesos de biorremediación, según su grupo funcional, está relacionada con la dinámica y el estado trófico de los ecosistemas acuáticos (Çelekli et al., 2014). Así, las microalgas son consideradas bioindicadores de calidad de agua, que, junto con la composición y tamaño de la comunidad zooplanctónica, pueden orientar
  • 3. estudios de detección de procesos de eutrofización (Yun Li; Chen, 2020). La determinación de grupos taxonómicos de microalgas, así como sus grupos funcionales, son importantes en el monitoreo de calidad de agua por su sensibilidad a las variaciones ambientales naturales y antrópicas (Cupertino et al., 2019). Considerando la necesidad de utilizar métodos alternativos naturales de tratamiento de agua residual, la biorremediación con biopelículas en sustrato artificial constituye una herramienta efectiva, económica y complementaria a los tratamientos convencionales de saneamiento. 3 - MATERIAL Y MÉTODOS Nuestra investigación fue realizada en la estación de tratamiento de agua residual de Mangabeira, en la ciudad de Joao Pessoa-Brasil. La estación se encuentra localizada en las coordenadas 297585.97 E, 9205052.86 S (Fig.1), con una altitud de 36 msnm. El efluente que sale de la laguna facultativa es vertido en el río Cuiá. La laguna presenta una profundidad de 1.7 m y un área de 3,2 hectáreas. Figura 1. Localización de la laguna facultativa de la estación de tratamiento de agua residual de Mangabeira. Location of facultative pond of Mangabeira wastewater treatment plant. Diseño experimental y métodos de muestreo Se utilizaron como mesocosmos 6 tanques de agua de 500 litros con área superficial de 4.43 m², y cada uno fue llenado con el agua que sale de la laguna facultativa. Tres de los tanques fueron utilizados como control (sin sustrato) (Figura 2 C), y en los tres tanques restantes se colocaron 7 plásticos como sustrato artificial para las biopelículas como se muestra en la figura 2 (A, B). El área total de los sustratos corresponde a 6.44 m². En cada tanque se colectaron 3 réplicas de las biopelículas (recortes) con un área de 14.4cm². Los sustratos recortados fueron raspados y la matriz perifítica fue colocada en frascos plásticos y preservada con formol glicosilado al 4%. La comunidad zooplanctónica fue colectada filtrando 40 litros de agua de cada tanque con biopelículas y en los tanques control, las muestras fueron preservadas con formol glicosilado al 4%. El conteo de zooplancton se realizó con un aumento de 200X, efectuando el barrido de toda la cámara hasta contar 100 individuos del morfotipo dominante. Las variables físicas fueron medidas con sondas para cada parámetro: oxígeno, pH y
  • 4. temperatura con el equipo PHTEK, la conductividad con el equipo TEC-4MP. Para las variables químicas se colectaron muestras de agua de cada tanque y se procesaron en el Laboratorio de Ecología Acuática de la UFPB, con base en la metodología de la APHA (Baird et al., 2005). La medición de la transparencia se realizó con el disco Secchi. El conteo de algas de las biopelículas fue realizado con una cámara Sedgwick Rafter y un microscopio OLYMPUS CBA, en aumento de 400X. Se contaron hasta 400 células del morfotipo dominante. La concentración de clorofila-a se determinó espectrofotométricamente (BIOSPECTRO SP-22), con acetona como disolvente extractor. La toma de datos se realizó cada 20 días, iniciando en el mes de febrero y finalizando en el mes de abril (T0: febrero, T1: marzo, T2 abril. Se determinó la composición taxonómica y la densidad de las microalgas de las biopelículas y de los organismos zooplanctónicos, mediante la metodología de la APHA (Baird et al., 2005) . Figura 2. Diseño experimental con los tanques y sustratos de fijación para las biopelículas (A y B), y los tanques de control ©. Experimental design of the tanks and biofilm fixing substrate (A y B), and control tanks ©. Fuente: Jhazaira Mantilla, 2014 Análisis de datos Los análisis físicos, químicos y biológicos se realizaron utilizando un diseño experimental de medidas repetidas. Se realizó estadística descriptiva y regresiones lineales de las variables físicas y químicas, ajustando un modelo lineal al vector de medidas repetidas de cada unidad de observación. Mediante las nuevas variables representadas en los coeficientes estimados β0, β1, se realizó ANOVA de una vía con validación de supuestos de los residuales. Se realizaron pruebas Post hoc de Bonferroni (BF) para las variables que presentaron diferencias significativas entre tratamientos, y para determinar las diferencias intra-sujetos para dos niveles (tratamientos) en los tres tiempos T0, T1 y T2. Para las variables biológicas se realizó análisis de correspondencia canónica (ACC) considerando la densidad relativa de microalgas de las biopelículas, la densidad relativa del zooplancton, y las variables físicas y químicas que presentaron diferencias significativas entre los tiempos de muestreo T1 y T2 en los que se desarrolló completamente la comunidad perifítica. Los análisis fueron realizados utilizando los softwares RStudio 1.3 y Past 4.03. 4 – RESULTADOS Efecto de las biopelículas en las variables físicas y químicas En la comparación de los tanques con biopelículas y los tanques control no se encontraron diferencias significativas en las variables amonio (F=0.405, p=0.559), nitrato (F=3.241, p=0.146), Nitrito (F=03.84, p=0.122), conductividad (F=1.492, p=0.289) y temperatura (F=1.841, p=0.246). No obstante, el amonio y el nitrato presentaron diferencias disminuyendo y aumentando su concentración durante el experimento, entre los tiempos de aplicación de las
  • 5. biopelículas T0 -T1 (BF p=0.00714e-³), T0-T2 (BF p=0.00744 e-³), y T0-T2 (BF p=0.03), T1-T2 (BF p=0.018) respectivamente. La clorofila-a y el ortofosfato, presentaron diferencias entre los tanques con biopelículas y los tanques control, disminuyendo sus concentraciones a lo largo del tiempo (F=13.6, p=0,0211) y (F=261.8, p=0.00854 e-²). Igualmente, en el tratamiento con biopelículas se observaron diferencias en estas variables en cuanto a su disminución durante el experimento: Clorofila-a entre los tiempos T1-T2 (BF p=0.042), y ortofosfato T0-T1 (BF p=0.005), T0-T2 (BF p=0.002), T1-T2 (BF p=0.006). El oxígeno y la transparencia aumentaron sus valores al final de experimento en los tanques con biopelículas (F=123.8, p=0.00037) y (F=9.60, p=0.00065 e-³) respectivamente. Entre los tiempos T1-T2 el oxígeno presentó diferencias T0-T1 (BF p=0.018) y T1-T2 (BF p=0.032), en tanto que la transparencia presentó diferencias entre los tres tiempos analizados T0-T1 (BF p=0.021), T0-T2 (BF p=0.00019) y T1-T2 (BF p=0.002). Si bien el pH no presentó cambios significativos durante el estudio (F=6.62, p=0.0618), sus valores aumentaron en T0 a T2 de 6 a 10, tanto en los tanques control como en los tanques con biopelículas. En los tanques de control, las variables amonio y ortofosfato disminuyeron significativamente en T0-T2 (BF p=0.00504 e-²) (BF p=0.005), sin embargo, su disminución fue menor que la de los tanques tratados con biopelículas. Así mismo, las variables oxígeno y transparencia aumentaron en los tanques de control a lo largo del tiempo T0-T2 (BF p=0.01), T0-T2 (BF p=0.003) respectivamente, no obstante, su aumento fue superior en los tanques con biopelículas (Tabla 1). TABLA 1. Variables físicas y químicas con diferencias significativas en los tanques con biopelículas y en los tanques de control. Physical and chemical variables with significant differences in biofilm tanks and control tanks. Elaborado por el autor Comunidades hidrobiológicas: fitoperifiton y zooplancton En total fueron registrados 46 taxa de algas perifíticas distribuidos en 4 phylum: Bacillariophyta, Chlorophyta, Cyanophyta y Euglenozoa. La densidad total de algas perifíticas de las biopelículas aumentó con el tiempo, registrando y un total de 37607 Org.cm-² en T1 y 75205 Org.cm-² en T2 (Figura 3). Figura 3. Densidad total de algas perifíticas (Org.cm-²) presentes en los tanques con biopelículas T1 y T2. Total density of Periphyton algae (Org.cm-²) in biofilms tanks at T1 and T2. Elaborado por el autor Variable Tiempo Tanque Biopelícula (média + DP) Tanque Control (média + DP) Amonio (mg. L⁻¹) T0 9.950 + 10,0 9.946 +37,86 T1 0.047 +0,033 0.024 +0,01 T2 0.037 +0,028 0.075 +0,11 Ortofosfato (mg. L⁻¹) T0 2.68 +0,015 2.68 +0,01 T1 2.11 +0,040 2.18 +0,06 T2 1.24 +0,061 1.98 +0,05 Oxígeno (mg. L⁻¹) T0 7.96 +0,058 7.83 +0,12 T1 4.45 +0,436 6.6 +0,23 T2 10.58 +0,674 6.13 +0,15 Transparen cia (cm) T0 0.18 +0,010 0.18 +0,01 T1 21.00 +3,0 9.33 +1,04 T2 42.66 +0,577 10.33 +0,58 Org.cm -2
  • 6. Los grupos de algas más representativos corresponden a los phylum Cyanophyta y Chorophyta. Los géneros Chroococcus sp (14357 Org.cm-²) y Nitzschia sp (6394 Org.cm-²) presentaron la densidad más elevada en T1. Para T2 los géneros que registraron las densidades más elevadas corresponden a Chroococcus sp (19119 Org.cm-²) y Characium sp (19312 Org.cm-²) (Tabla 2). La comunidad zooplanctónica presentó un total de 6 taxa distribuidos en los phylum Arthropoda y Rotifera. La densidad total del zooplancton disminuyó en los tanques con biopelículas (142 Ind.L-¹) en T2, en contraste con los tanques control (305 Ind.L-¹). La densidad más elevada se observó en los tanques con biopelículas en T1 (545 Ind.L-¹) (Figura 4). Figura 4. Densidad total del zooplancton (Ind.L-¹) en los tanques con biopelículas y en los tanques de control para T1 y T2. Total density of zooplankton (Ind.L-¹) in biofilms tanks and control tanks at T1 and T2. Elaborado por el autor La especie M. minuta registró la mayor densidad en los tanques con biopelículas para T1 y T2, en contraste con la especie B. angularis que registró la densidad más elevada en los tanques control y ningún organismo en T2 de los tanques con biopelículas (Tabla 2) . Tabla 2. Densidad y determinación taxonómica de los géneros más abundantes de la comunidad zooplanctónica y de algas perifíticas en los tiempos T1 y T2 en los tanques con biopelículas. Density and taxonomic determination of the most abundant taxa of zooplankton and periphyton algae communities at T1 and T2 in biofilms tanks. Elaborado por el autor El ACC de las variables físicas, químicas y biológicas muestra la relación entre dos de los géneros de algas perifíticas más abundantes de los tanques con biopelículas en T2 (Characium sp, Oscillatoria sp), y las variables transparencia, oxígeno, pH y temperatura. En T2 estas variables físicas y químicas aumentaron, favoreciendo el incremento en la densidad de algas perifíticas y la absorción de nutrientes. Adicionalmente, se observó una asociación entre las variables conductividad y ortofosfato y las algas Nitzschia sp y Chroococcus sp en T1 (Figura 5). Comunidad zooplanctónica Densidad (Ind.L⁻¹) Phylum Clase Orden Género T1 T2 Rotifera Monogononta Plioma B. angularis 242 0 Arthropoda Branchiopoda Cladócera M. minuta 298 129 Comunidad perifítica Densidad (Org.cm⁻¹) Bacillariophyta Bacillariophyceae Bacillariales Nitzschia sp T1 T2 Cyanophyta Cyanophyceae Oscillatoriales Oscillatoria sp 6394 679 Chlorophyta Chlorophyceae Chaetophorales Stigeoclonium sp 3286 1297 Chlorophyta Chlorophyceae Sphaeropleales Characium sp 2230 19312 Cyanophyta Cyanophyceae Chroococcales Chroococcus sp 14357 19119 Ind.L -1
  • 7. Figura 5. Diagrama del análisis de correspondencia canónica de las variables físicas, químicas y biológicas de densidad de algas perifíticas en T1 y T2. Canonical correspondence analysis of physical, chemical and biological variables of periphytic algae at T1 and T2. Elaborado por el autor Los valores elevados de conductividad y ortofosfato propios de ambientes eutrofizados similares a las condiciones en T1, propician el crecimiento de algunos morfotipos de algas. El género Nitzschia sp y las cianobacterias, han sido registradas como indicadoras de agua rica en nutrientes (Lepšová-Skácelová et al., 2018; Tsoi et al., 2020). Para la comunidad zooplanctónica, el ACC asocia la especie Moina minuta con las variables transparencia, oxígeno, temperatura y conductividad en los tanques con biopelículas en T2. Para este tiempo, al igual que el ACC del perifiton, esta asociación de variables puede estar relacionada con la mejora en la calidad de agua, dada la presencia del cladócero M. minuta (Vieira et al., 2009) y el incremento en la transparencia, el oxígeno y la disminución de la conductividad en comparación con T1. Los tanques control se relacionaron con la especie Brachionus angularis, Asplanchna sp y las variables ortofosfato, amonio y pH en T1(Figura 6). Figura 6. Diagrama del análisis de correspondencia canónica de las variables físicas, químicas y biológicas de densidad del zooplancton en T1, T2 y en los tanques control (Tcontrol) y con biopelículas (Tanque b). Canonical correspondence analysis of physical, chemical and biological variables of zooplankton density at T1, T2 in biofilm (Tanque b) and control tanks. Elaborado por el autor
  • 8. En la figura 7 se presenta un modelo conceptual del efecto de las biopelículas en el mesocosmos analizado, considerando las variables evaluadas en el presente estudio. Pese a que el número de repeticiones del experimento fue limitado, los cambios en la calidad de agua en los tanques tratados con biopelículas fueron evidentes. Las variables químicas ortofosfato y amonio presentaron las concentraciones más elevadas (>2 mg. L⁻¹ y >9 mg. L⁻¹), al inicio del experimento. Figura 7. Modelo conceptual del efecto de las biopelículas en el mesocosmos utilizado en la estación de tratamiento de agua residual de Mangabeira. Conceptual model of biofilms effect on the mesocosm applied in Mangabeira wastewater treatment plant Elaborado por el autor 5 – DISCUSIÓN El vertimiento de efluentes ricos en nutrientes y contaminantes provenientes de lagunas facultativas puede tener un efecto nocivo para la biota acuática de los cuerpos de agua naturales (Itzel et al., 2020). Los tratamientos de biorremediación no convencionales como el uso de biopelículas, humedales artificiales y macrófitas acuáticas, constituyen una alternativa eficiente en la remoción del exceso de nutrientes y contaminantes de las aguas residuales, mediante transformación bioquímica a partir de procesos de fijación, absorción, metabolización y volatilización (Kataki et al., 2021). Las altas concentraciones de amonio detectadas al inicio del experimento y su posterior disminución, se debe en parte, a la asimilación por las microalgas perifíticas y planctónicas, además de la amonificación de compuestos nitrogenados provenientes de la materia orgánica (Cárdenas Calvachi; Sánchez Ortiz, 2013). Los valores elevados de nitrato observados en T2 en los tanques control y con biopelículas, están relacionados con la concentración de oxígeno que durante el experimento se mantuvo elevada >6 mg. L⁻¹, con excepción de los tanques con biopelículas en T1, donde el oxígeno disminuyó a 4 mg. L⁻¹. La concentración elevada de oxígeno favoreció la nitrificación, en la cual se produce la oxidación del amonio a nitrato (Zimmo et al., 2004). En el caso de T1 en los tanques con biopelículas donde se presentó disminución del oxígeno y aumento de pH, la concentración de amonio aumentó ligeramente en comparación con los tanques de control. Este resultado evidencia la relación inversamente proporcional entre el oxígeno y el amonio, remarcando la importancia de la oxigenación en los cuerpos de agua para mantener las concentraciones de amonio en niveles no
  • 9. tóxicos (Silver et al., 2018). El pH, que se mantuvo básico durante los tiempos T1 y T2 (>8) en los tanques control y con biopelículas, revela la relación con la disminución del nitrito cuya remoción promedio fue mayor en los tanques con biopelículas (de 0,010 para 0,001 mg. L⁻¹) comparando con el control (de 0,01 a 0,009 mg. L⁻¹). Debido a la buena oxigenación y a los valores básicos de pH registrados en los tanques con biopelículas en T1 y T2, el proceso de desnitrificación fue poco estimulado; en consecuencia, la concentración de nitrato fue elevada en T2. Sin embargo, estas concentraciones de nitrato (<0.1 mg. L⁻¹) no constituyen niveles tóxicos para la biota acuática. Es necesario profundizar en las investigaciones de la dinámica del proceso de desnitrificación en concentraciones altas de oxígeno y pH, considerando igualmente un mayor tiempo de exposición del agua residual al tratamiento con las biopelículas. La acumulación de nutrientes en las aguas residuales promueve el desarrollo de diferentes grupos de algas planctónicas y perifíticas. Las algas absorben y asimilan estos nutrientes para sus funciones celulares, teniendo un efecto biorremediador en el agua residual (Li et al., 2020a). Se ha demostrado que el crecimiento de algas perifíticas en sustratos naturales y artificiales, acompañan procesos de remoción de nitrógeno y fósforo de manera eficiente (Liu et al., 2016). Este efecto fue observado en los tanques con biopelículas en T2, mostrando una reducción en las concentraciones de ortofosfato de 2.7 mg. L⁻¹ en T0 a <1.3 mg. L⁻¹ en T2. El phylum Cyanophyta fue el más representativo durante el experimento en términos de abundancia con el género Chroococcus sp, cuya abundancia fue la más elevada en T1 y T2 (>14000 org.cm-²). Este grupo de algas presenta una importante afinidad con las formas inorgánicas del nitrógeno, especialmente con el amonio, en comparación con otros taxones de algas (Li et al., 2020b). En términos de riqueza, el phylum Chlorophyta registró el mayor número de taxa (20). Este grupo ha sido ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales en forma de cultivo (biorreactores), y registrado de forma natural en sustratos de corrientes de agua residual. El efecto de las Chlorophyta en la remoción de nitrógeno y fósforo es más eficiente en aguas residuales domésticas, que en aguas residuales industriales dada la elevada concentración de metales pesados(Abinandan; Shanthakumar, 2015). Las Chlorophytas de los géneros Stigeoclonium sp y Characium sp encontrados en el presente estudio, son frecuentes en la comunidad perifítica de diferentes ambientes, y poseen alto potencial de cultivo para el tratamiento de agua (Jiajun Liu et al., 2019). El efecto biorremediador de las algas en biopelículas, representadas en los principales grupos taxonómicos del perifiton Bacillariophyta, Chlorophyta y cianobacterias, ha sido registrado en diversas investigaciones (Santhana Kumar et al., 2017; Jiajun Liu et al., 2019; Mantzorou; Ververidis, 2019; Al Momani; Örmeci, 2020). La densidad total de las algas perifíticas aumentó a lo largo de experimento, en detrimento de la concentración de clorofila-a asociada a la biomasa fitoplanctónica. Este resultado puede indicar que las algas de las biopelículas, al tener una mayor participación en la en la remoción de nitrógeno y degradación del fósforo por procesos de asimilación, absorción, precipitación (Ma et al., 2019), favoreció el aumento de su densidad entre T1 yT2. Se ha reportado que las biopelículas son más efectivas en la remoción de nutrientes y producen mayor biomasa, que los sistemas de algas de cultivos en suspensión (Mantzorou; Ververidis, 2019). En ecosistemas naturales eutrofizados, el perifiton puede inhibir el crecimiento de floraciones de fitoplancton, y contribuir en la disminución del estado trófico del cuerpo de agua (Ma et al., 2019). La reducción en la clorofila-a en los tanques con biopelículas, revela la dominancia de las algas perifíticas sobre las fitoplanctónicas, y reflejándose en el aumento de la transparencia del agua en T1 y T2. El perifiton tiene la capacidad de absorber y procesar nutrientes dentro de la matriz, disminuyendo su disponibilidad en la columna de agua para el crecimiento del fitoplancton (Rodríguez; Pizarro, 2015).
  • 10. El zooplancton es utilizado como indicador del estado trófico de los ecosistemas con base en su composición y densidad. La estructura de esta comunidad es sensible a los cambios ambientales de los cuerpos de agua, incluyendo las variaciones en el fósforo total y la clorofila (García-Chicote et al., 2018). La densidad total de la comunidad zooplanctónica disminuyó considerablemente en T2 en los tanques con biopelículas. En los tanques control la densidad se mantuvo estable en T1 y T2. La reducción de la biomasa fitoplanctónica de los tanques con biopelículas en T2, pudo afectar la disponibilidad de alimento para estos organismos, lo que ocasionaría una reducción en su densidad. El rotífero Brachionus angularis presentó la mayor densidad en los tanques control, en tanto que, el cladócero Moina minuta fue más representativo en los tanques con biopelículas en T1 y T2. Los rotíferos son frecuentemente asociados a cuerpos de agua eutrofizados y responden a la variación en concentración de clorofila-a y biomasa fitoplanctónica (Crispim et al., 2014). En los tanques con biopelículas en T2, no se registraron organismos de B. angularis y la densidad de M. minuta disminuyó de T1 a T2. En ese sentido, la ausencia de B. angularis y la presencia de M. minuta en los tanques con biopelículas puede indicar una mejora en la calidad de agua, ya que B. angularis es un indicador de aguas eutróficas. No obstante, la disminución de la densidad de M. minuta entre T1 y T2 puede deberse a la disminución de la clorofila-a, dada la alta capacidad de filtración y las necesidades alimenticias de los cladóceros en comparación con los rotíferos (Vieira et al., 2009). Sin embargo, M. minuta requiere altas concentraciones de algas (Vieira et al., 2011) y con la reducción de la producción primaria no T2 esta especie ha reducido sus densidades. La presión de herbivoría tuvo un efecto en la disminución de la biomasa fitoplanctónica en términos de clorofila-a (Montemezzani et al., 2016), favoreciendo a su vez, el aumento de la densidad del perifiton en T2. El efecto biorremediador de las biopelículas junto con la capacidad de filtración de los organismos zooplanctónicos, y la acción de las bacterias nitrificantes promovieron la reducción de la turbidez en T2, en los tanques tratados con biopelículas. Los tratamientos de agua residual utilizando biorreactores que combinan biopelículas, bacterias y zooplancton (Daphnia sp), han demostrado una alta eficiencia en la remoción de nutrientes como tratamiento terciario (Pous et al., 2020). 6 – CONCLUSIÓN Los resultados de esta investigación permitieron observar el efecto positivo de las biopelículas en la remoción del exceso de nutrientes en aguas procedentes de lagunas facultativas. La biorremediación con biopelículas puede ser aplicada en cuerpos de agua eutróficos como tratamiento biologico dado su alto potencial de fijación, absorción y metabolización de nutrientes. Esta metodología puede contribuir en el mejoramiento de la calidad de agua provenientes de lagunas facultativas, que son vertidas en cuerpos de agua naturales. La biorremediación con biopelículas aumenta la oxigenación del agua, facilitando los procesos de oxidación de la materia orgánica. No obstante, son necesarias más investigaciones para fortalecer el análisis del efecto biorremediador de las biopelículas en tiempos más extensos y frecuentes de aplicación del tratamiento, así como la relación de competencia entre la biomasa fitoplanctónica y la comunidad perifítica. La aplicación de este método de biorremediación con el aumento del biofilm también debe realizarse en ambientes lóticos . 7 – REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ABINANDAN, S.; SHANTHAKUMAR, S. Challenges And Opportunities In Application Ofmicroalgae (Chlorophyta) For Wastewater Treatment: A Review. Renewable And Sustainable Energy Reviews, 52, 123–132. 2015. AKAO, P. K.; SINGH, B.; KAUR, P.; SOR, A.; AVNI, A.; DHIR, A.; VERMA, S.; KAPOOR, S.; PHUTELA, U. G.; SATPUTE, S.; SHARMA, S.; AVISAR, D.; SANDHA, K. S.; MAMANE, H.
  • 11. Coupled Microalgal–Bacterial Biofilm For Enhanced Wastewater Treatment Without Energy Investment. Journal Of Water Process Engineering, 2021. ALMOMANI, F.; ÖRMECI, B. Assessment Of Algae-Based Wastewater Treatment In Hot Climate Region: Treatment Performance And Kinetics. Process Safety And Environmental Protection, 141, 140–149. 2020. ALTUNOZ, M.; ALLESINA, G.; PEDRAZZI, S.; GUIDETTI, E. Integration of biological waste conversion and wastewater treatment plants by microalgae cultivation. Process Biochemistry, 91, 158-164, 2020. BAIRD, R. B.; EATON, A. D.; RICE, E. W. Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. American Public Health Association, 2005. ÁRDENAS CALVACHI, G. L.; SÁNCHEZ ORTIZ, I. A. Nitrógeno En Aguas Residuales: Orígenes, Efectos Y Mecanismos De Remoción Para Preservar El Ambiente Y La Salud Pública. Universidad Y Salud, 15(1), 72–88. 2013. ÇELEKLI, A.; ÖZTÜRK, B.; KAPI, M. Relationship Between Phytoplankton Composition And Environmental Variables In An Artificial Pond. Algal Research, 5(1), 37–41. 2014. CHAI, W. S.; TAN, W. G.; HALIMATUL MUNAWAROH, H. S.; GUPTA, V. K.; HO, S. H.; SHOW, P. L. Multifaceted Roles Of Microalgae In The Application Of Wastewater Biotreatment: A Review. Environmental Pollution, 269. 2021. CONAMA. (2005). Resolução Conama No 357 Conselho Nacional Do Meio Ambiente. Classificação E Diretrizes Ambientais Para O Enquadramento Dos Corpos De Água Superficiais E Padrões De Lançamento De Efluentes, 2005. COUTO, E.; CALIJURI, M. L.; ASSEMANY, P.; CECON, P. R. Evaluation Of High Rate Ponds Operational And Design Strategies For Algal Biomass Production And Domestic Wastewater Treatment. Science Of The Total Environment, 791, 2021. CRISPIM, M. C.; PAZ, R. J.; WATANABE, T. Ecological Succession Of Zooplankton Species In A Temporary River In A Semi Arid Region Of Brazil. Brazilian Journal Of Biological Sciences, 1(2), 51, 2014. CRISPIM, M.C; OLIVEIRA, F.M.F.; ANTÃO- GERALDES, A.M. Diagnóstico E Proposta De Restauração De Rio Urbano Em Região Tropical. Ambiente E Direitos Humanos. Universidade De Aveiro - Portugal, Vol II. 2018. CRISPIM, M.C; ANTÃO-GERALDES, A.M.; OLIVEIRA, F.M.F.; MARINHO, R.S.; MORAES, M.M. Potencialidades Na Implementação De Biorremediação Na Reabilitação De Rios: Dados Iniciais E Considerações. Saindo Da Zona De Conforto: A Interdisciplinaridade Das Zonas Costeiras - Tomo VIII da Rede Braspor, 2019. CUPERTINO, A.; GÜCKER, B.; VON RÜCKERT, G.; FIGUEREDO, C. C. Phytoplankton Assemblage Composition As An Environmental Indicator In Routine Lentic Monitoring: Taxonomic Versus Functional Groups. Ecological Indicators, 101(January), 522–532, 2019. GARCÍA-CHICOTE, J.; ARMENGOL, X.; ROJO, C. Zooplankton Abundance: A Neglected Key Element In The Evaluation Of Reservoir Water Quality. Limnologica, 69, 46–54. 2018. HERNÁNDEZ, E.; AGUIRRE, N. J.; PALACIO, J. A. Relación Entre La Determinación Del Pigmento Clorofila A Y El Biovolumen Geométrico Algal En Un Lago De Planicie De Inundación (Ciénaga De Ayapel, Córdoba- Colombia). Revista Facultad De Ingenieria, 60, 159–169, 2011.
  • 12. ITZEL, F.; BAETZ, N.; HOHRENK, L. L.; GEHRMANN, L.; ANTAKYALI, D.; SCHMIDT, T. C.; TUERK, J. Evaluation Of A Biological Post-Treatment After Full-Scale Ozonation At A Municipal Wastewater Treatment Plant. Water Research, 170, 2020. KATAKI, S.; CHATTERJEE, S.; VAIRALE, M. G.; DWIVEDI, S. K.; GUPTA, D. K. Constructed Wetland, An Eco-Technology For Wastewater Treatment: A Review On Types Of Wastewater Treated And Components Of The Technology (Macrophyte, Biolfilm And Substrate). Journal Of Environmental Management, 283, 2021. KUMAR, V.; JAISWAL, K. K.; VERMA, M.; VLASKIN, M. S.; NANDA, M.; CHAUHAN, P. K.; SINGH, A.; KIM, H. Algae-Based Sustainable Approach For Simultaneous Removal Of Micropollutants, And Bacteria From Urban Wastewater And Its Real-Time Reuse For Aquaculture. Science Of The Total Environment, 774, 2021. LEPŠOVÁ-SKÁCELOVÁ, O.; FIBICH, P.; WILD, J.; LEPŠ, J. Trophic Gradient Is The Main Determinant Of Species And Large Taxonomic Groups Representation In Phytoplankton Of Standing Water Bodies. Ecological Indicators, 85, 262–270, 2018. LI, L. H.; LI, X. Y.; HONG, Y.; JIANG, M. R.; LU, S. L. Use Of Microalgae For The Treatment Of Black And Odorous Water: Purification Effects And Optimization Of Treatment Conditions. Algal Research, 47(March), 2020a. LI, Y.; NWANKWEGU, A. S.; HUANG, Y.; NORGBEY, E.; PAERL, H. W. Evaluating The Phytoplankton , Nitrate , And Ammonium Interactions During Summer Bloom In Tributary Of A Subtropical Reservoir. Journal Of Environmental Management, 271(March), 2020b. LI, Y.; CHEN, F. Are Zooplankton Useful Indicators Of Water Quality In Subtropical Lakes With High Human Impacts? Ecological Indicators, 113(January), 2020. LIU, J.; PEMBERTON, B.; LEWIS, J.; SCALES, P. J.; MARTIN, G. J. O. Wastewater Treatment Using Filamentous Algae – A Review. Bioresource Technology, 298, 2019. LIU, J.; WANG, F.; LIU, W.; TANG, C.; WU, C.; WU, Y. Nutrient Removal By Up-Scaling A Hybrid Floating Treatment Bed (HFTB) Using Plant And Periphyton: From Laboratory Tank To Polluted River. Bioresource Technology, 207, 142–149. 2016. MA, D.; CHEN, S.; LU, J.; LIAO, H. Study Of The Effect Of Periphyton Nutrient Removal On Eutrophic Lake Water Quality. Ecological Engineering, 130, 122–130. 2019. MANTZOROU, A.; VERVERIDIS, F. Microalgal Biofilms: A Further Step Over Current Microalgal Cultivation Techniques. Science Of The Total Environment, 651, 3187–3201. 2019. MOHSENPOUR, S. F.; HENNIGE, S.; WILLOUGHBY, N.; ADELOYE, A.; GUTIERREZ, T. Integrating Micro-Algae Into Wastewater Treatment: A Review. Science Of The Total Environment, 752, 142168. 2021. MONTEMEZZANI, V.; DUGGAN, I. C.; HOGG, I. D.; CRAGGS, R. J. Zooplankton Community Influence On Seasonal Performance And Microalgal Dominance In Wastewater Treatment High Rate Algal Ponds. Algal Research, 17, 168– 184. 2016. MUSTAFA, S.; BHATTI, H. N.; MAQBOOL, M.; IQBAL, M. Microalgae Biosorption, Bioaccumulation And Biodegradation Efficiency For The Remediation Of Wastewater And Carbon Dioxide Mitigation: Prospects, Challenges And Opportunities. Journal Of Water Process Engineering, 41, 2021. OLIVEIRA, F.M.F. Biorremediação: Uma Forma De Despoluição De Ecossistema Lótico Com A
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  • 14. 2- Professora titular do Departamento de Sistemática e Ecologia; Centro de Ciências Exatas e da Natureza; Universidade Federal da Paraíba (UFPB); Cidade Universitária; CEP 58059-900, João Pessoa, PB, Brasil. E-mail: ccrispim@hotmail.com 3- Doutora pelo Programa de Pós-graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente (PRODEMA); Centro de Ciências Exatas e da Natureza da Universidade Federal da Paraíba (UFPB); Cidade Universitária; Caixa-postal: 5065; CEP 58059-900, João Pessoa, PB, Brasil. 24