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El proceso de tratamiento biológico de aguas residuales, enfatizando el papel de las bacterias en la eliminación de componentes solubles y nutrientes. Se abordan los sistemas aerobios y anaerobios, el metabolismo celular y las reacciones biológicas, con énfasis en la producción de microorganismos floculantes y la oxidación-reducción.
Tipo: Apuntes
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INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL “Metabolismo de bacterias en los procesos biológicos para depuración de aguas residuales”
El tratamiento de las aguas residuales es generalmente un proceso que se realiza en varios pasos, en los que se utilizan tratamientos químicos y biológicos. El tratamiento inicial consiste solamente en separaciones físicas. El material que entra en la planta de tratamiento pasa a través de unas rejillas y cribas que eliminan los objetos grandes, y luego de efluentes se deja reposar durante varias horas para permitir que se sedimenten los sólidos. Debido a la fuerte carga de nutrientes que quedan en el efluente, después del tratamiento inicial, las plantas de tratamiento emplean un proceso de tratamiento secundario para reducir la carga orgánica de las mismas hasta niveles aceptables, antes de liberarlo a las conducciones naturales del agua. El tratamiento secundario está íntimamente ligado a procesos microbiológicos. El tratamiento biológico de aguas residuales se lleva a cabo mediante una serie de importantes procesos de tratamiento que tienen en común la utilización de microorganismos (entre los que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. Estos procesos aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar la materia orgánica y los nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento. Cuando se reproducen, se agregan entre ellos y forman unos flóculos macroscópicos con suficiente masa crítica como para decantar en un tiempo razonable. La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen Metabolismo de bacterias en los procesos biológicos para depuración de aguas residuales
EL METABOLISMO CELULAR En el metabolismo celular, juega un papel fundamental el aceptor final de electrones en los procesos de oxidación de la materia orgánica. Este aspecto, además, tiene una importante incidencia en las posibilidades de aplicación al tratamiento de aguas residuales. Atendiendo a cuál es dicho aceptor final de electrones se distinguen tres casos: Sistemas aerobios: el oxígeno es el aceptor final de electrones preferido por cualquier célula. Si existe oxígeno en el medio, éste será el aceptor final de electrones, lo que conlleva que se obtengan rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, debido al alto crecimiento de las bacterias en condiciones aerobias. Sistemas anaerobios: en este caso el aceptor final de electrones es la propia materia orgánica que actúa como fuente de carbono. Como resultado de este metabolismo, la mayor parte del carbono se destina a la formación de subproductos del crecimiento (biogás, que es CO2 y metano) mientras que la fracción de carbono utilizada para la síntesis celular es baja. De cara al tratamiento, este hecho supone una doble ventaja: se produce poca cantidad de lodos a la vez que se produce biogás, el cual puede ser revalorizado. Normalmente se aprovecha para producir energía eléctrica, la cual se autoconsume en la propia instalación. Sistemas anóxicos: Se denominan así los sistemas en los que el aceptor final de electrones no es el oxígeno ni tampoco la materia orgánica. En condiciones anóxicas el aceptor final de electrones suelen ser los nitratos, los sulfatos, el hidrógeno, etc. Cuando el aceptor final de electrones es el nitrato, como resultado del proceso metabólico, el nitrógeno de la molécula de nitrato es transformado en nitrógeno gas. Así pues, este metabolismo permite la eliminación biológica del nitrógeno del agua residual (desnitrificación). VENTAJAS DE CADA SISTEMA
Las reacciones biológicas más importantes son aerobias, anaerobias o fotosintéticas. Se observa un esquema general de las actividades de síntesis y respiración que se producen por las actividades biológicas. Como se muestra en la figura, hay fuentes nutritivas necesarias como C, O2, H 2 , N 2 , P, ya sea como orgánicas o inorgánicas que deben ser transportadas a la célula en forma soluble. La energía debe suministrarse como energía contenida en compuestos orgánicos o como energía radiante de la luz solar. Una fracción de la energía es usada para la biosíntesis de biomasa y la restante es dispersada como calor. Los microorganismos producen también productos de desecho que dependen de las especies consideradas y las condiciones ambientales. Los productos más deseables son gases como CO2, N2, O2 y CH4, que pueden ser fácilmente separados de la fase líquida. Otros gases como H2S NH3 y aminas son indeseables. Un requerimiento importante para la mayor parte de los procesos biológicos usados en el tratamiento de efluentes es la producción de microorganismos floculantes, que pueden ser fácilmente separados por medios físicos como sedimentación por gravedad, centrifugación o filtración. En los seres vivos, la utilización de la energía potencial contenida en los nutrientes se produce por reacciones de oxido-reducción. Químicamente la oxidación está definida por la pérdida de electrones (e-) y la reducción por la ganancia de los mismos. En bioquímica, las reacciones de oxido-reducción frecuentemente incluyen no sólo la transferencia de e-sino
pequeña parte del total de la energía libre que potencialmente puede derivar de la degradación de una molécula de glucosa queda disponible por esta vía, debido a que los productos finales son compuestos en los que el carbono se encuentra todavía en estado reducido. Vía de las pentosas fosfato Mientras que la vía glucolítica es la más importante en células eucariotas y procariotas, no es la única. El shunt de las pentosas es una ruta multifuncional para la degradación de hexosas, pentosas, y otros hidratos de carbono. Para los fermentadores heterolácticos es la principal fuente productora de energía, aunque la mayoría de las bacterias utilizan esta vía como fuente de NADPH y de pentosas para la síntesis de nucleótidos. La vía de Entner-Doudoroff Es la ruta principal para la degradación de la glucosa en bacterias aerobias estrictas como Neisseria y Pseudomonas. Como sucede en la vía de las pentosas, aquí sólo se produce una molécula de ATP por molécula de glucosa degradada. Destino final del piruvato El ácido pirúvico derivado de la glucosa es un compuesto clave en el metabolismo fermentador de los hidratos de carbono. En su formación, el NAD es reducido a NADH, y éste debe reoxidarse nuevamente a NAD para alcanzar el equilibrio final de oxidoreducción. Las bacterias se diferencian de las células eucariotas por la forma en que eliminan el piruvato; en las bacterias la oxidación incompleta es la regla, acumulándose gran cantidad de metabolitos finales de la fermentación. El estudio y conocimiento de las fermentaciones bacterianas tiene importancia práctica, ya que, proporcionan productos de valor industrial, y son de utilidad en el laboratorio para la identificación de diferentes especies.
Es el proceso por el cual un substrato es oxidado completamente a CO2 y H2O, con participación de una cadena de e- (ubicada en la membrana citoplasmática) y el aceptor final es el oxígeno molecular. Los primeros pasos en la respiración de la glucosa son idénticos a los de la glucólisis, pero mientras en esta última el piruvato es convertido en productos finales de la fermentación (ácido láctico, propiónico, etc.) en la respiración es oxidado completamente a CO2 a través del ciclo de Krebs. Por cada molécula de piruvato oxidada a través del ciclo se generan 3 moléculas de CO2. Al igual que en la fermentación, los e- generados en el ciclo de Krebs, pasan a coenzimas que tienen NAD. Sin embargo, en la respiración, los e- del NADH son transferidos al oxígeno para regenerar NAD a través de un sistema transportador, en lugar de cederlos al piruvato. SISTEMAS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES Y GENERACION DE ATP Estos sistemas están compuestos de "carriers" de e- asociados a la membrana citoplasmática y tienen 2 funciones básicas, 1. aceptar e- de un donador y cederlos a un aceptor, y 2. conservar algo de la energía liberada durante ese transporte en forma de ATP por el proceso conocido como fosforilación oxidativa.
Si se considera un coeficiente de rendimiento de 0.5 moles de microorganismo por mol de glucosa tendremos: Dado que el tiempo de residencia de los organismos en los procesos biológicos es suficientemente largo, es necesario considerar también una reacción de autooxidación o descomposición que no se considera nunca en procesos de fermentación normales.
Tuset, S. (abril 9, 2020). TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES. diciembre 11, 2020, de Condorchem envitech Sitio web: https://blog.condorchem.com/tratamiento-biologico-de-aguas-residuales/ http://www.higiene.edu.uy/cefa/Libro2002/Cap%2011.pdf Merli, G. & Ricciuti, N. (2009). Microbiología de las aguas residuales - Aplicación de Biosólidos en Suelo. Buenos Aires, Argentina: Editorial de la Universidad Tecnológica Nacional.
