The role of microbial ecology during biogas production from renewable energy sources. Characterizing microbial community structures in bioenergy production systems for future water resource recovery facilities

Resumen

La Microbiología tiene un rol fundamental en la integración de procesos para la recuperación de nutrientes, energía y agua durante el tratamiento biológico del agua residual. La identificación de los grupos microbiológicos clave, así como de sus dinámicas, ecología y estructuras microbianas, mejorará el entendimiento de los procesos que integran las futuras plantas de recuperación de recursos, conocidas por sus siglas en inglés como Water Resource Recovery Facilities (WRRF). Este conocimiento podría ser de gran utilidad durante la optimización de sistemas anaerobios que recuperan energía a partir de fuentes de biomasa renovables. Hasta la fecha, diferentes estudios han demostrado que la combinación de los biorreactores anaerobios de membranas (AnMBR) para el tratamiento de agua residual y los fotobiorreactores de membranas para el cultivo de microalgas producen un efluente de alta calidad y son una opción sostenible, enmarcada en un concepto de economía circular. Además, el aumento del potencial hidrolítico de las comunidades microbianas ha demostrado ser una prometedora estrategia para incrementar el potencial de recuperación de metano a partir de fuentes de biomasa renovables, que se generan en las áreas municipales (como la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) o durante los tratamientos del agua residual (biomasa de microalgas o fangos de depuradora). Este trabajo evalúa la ecología microbiana de un total de siete reactores anaerobios empleados en la recuperación de bioenergía a partir de fuentes de biomasa renovables. La secuenciación masiva del biomarcador de microorganismos procariotas (gen 16S rDNA) ha sido aplicada en todos estos sistemas para detectar la influencia de los parámetros operacionales sobre la ecología microbiana de los biorreactores durante la optimización del proceso. Los estudios han sido llevados a cabo a escala de laboratorio y de planta piloto. La complejidad de estos estudios de secuenciación ha motivado el desarrollo de una metodología en este trabajo para el análisis de datos de bioinformática y su posterior tratamiento con técnicas de bioestadística. En este contexto, la aplicación de técnicas de análisis multivariante ha permitido comprender el efecto de parámetros operacionales clave tales como la temperatura, la fuente de inóculo, los tiempos de retención hidráulico y celular, la velocidad de carga orgánica y la composición del afluente. Además, se han comparado diversas configuraciones de reactores, incluyendo el reactor AnMBR por su alto potencial de integración en las futuras WRRF. En este estudio se demuestra que la temperatura es el parámetro con la mayor influencia sobre las comunidades microbianas. Los phyla más abundantes en condiciones mesofílicas fueron 15-30% Chloroflexi, 14-27% Proteobacteria, 2-19% Bacteroidetes, 2-15% Firmicutes, y 1-7% Synergistes. En los sistemas termofílicos destacaron 17-32% Firmicutes y 6-44% Thermotoga. Cabe destacar que los sistemas mesofílicos de degradación de microalgas compartían un 57% de su diversidad microbiana y que las diferencias observadas se atribuían a los tiempos de retención hidráulico y celular. El análisis de rDNA y rRNA se recomienda para sistemas termofílicos con el fin de eliminar los grupos de microorganismos de fondo que se asocian a la diversidad microbiana intrínseca de la biomasa. Finalmente, en este trabajo se concluye que el uso de comunidades aclimatadas a altos tiempos de retención celular en reactores AnMBR es una mejor alternativa que el uso de cultivos externos hidrolíticos, ya que tienen una mayor resistencia ante cambios en las condiciones operacionales. Además, las microalgas Scenedesmus y Chlorella, que crecen en efluentes anaerobios, pueden ser degradadas por comunidades microbianas sin aplicar pretratamientos.