Caracterización y cuantificación de las poblaciones de bacterias y arqueas presentes en digestores anaerobios de EDAR

Abstract

[ES] Conocer la microbiología que se desarrolla en los digestores anaerobios es de crucial importancia para obtener buenos rendimientos de biogás en estos sistemas. Este trabajo ha permitido conocer de forma global algunas poblaciones microbianas y las diferencias que existen en cuanto a presencia y abundancia de las poblaciones microbianas involucradas en los procesos de digestión y codigestión anaerobios llevados a cabo en tres digestores diferentes de tres EDAR de la provincia de Valencia (Quart-Benàger, Gandía y Ontinyent) que operan en condiciones mesofílicas. Posteriormente, se ha evaluado la relación de las poblaciones microbiológicas con los parámetros operacionales y físico-químicos. Este trabajo se enmarca en un convenio con la Cátedra de Aguas de Valencia, lo que ha facilitado la adquisición de las muestras. La identificación de las poblaciones microbianas se ha llevado a cabo empleando la técnica molecular FISH (Fluorescent in situ hybridization). Esta técnica reveló la presencia de bacterias de los phylum Firmicutes, Actinobacteria, Chloroflexi y de la clase Betaproteobacteria, así como de bacterias sulfatoreductoras (SRB) con diferentes abundancias en los tres digestores. En cuanto a la presencia de arqueas metanogénicas, se identificó el orden Methanosarcinales, Methanobacteriales y Methanomicrobiales, aunque éstos dos últimos solo se detectaron en dos de los tres digestores y presentaban una abundancia menor a un 1% respecto del total de arqueas y bacterias. De las metanogénicas detectadas, el orden Methanosarcinales fue el predominante en todas las muestras de los tres digestores, siendo el género Methanosaeta el único detectado. Esta técnica no reveló la presencia del orden Methanococcales. La comunidad microbiológica presentó más variabilidad entre las muestras en el digestor de Quart-Benàger en comparación con los otros dos, digestor en el que se añade más cantidad y variedad de cosustratos. En los otros dos digestores se observó que la población no variaba estadísticamente entre las muestras. Del estudio de la influencia de los parámetros de operación y de las variables fisicoquímicas del proceso sobre la población microbiológica se vio como los phylum Actinobacteria y Chloroflexi en el digestor de Quart-Benàger se ven afectados por las variaciones del tiempo de retención celular (TRC) y de la temperatura. En cuanto a los cosustratos añadidos, no se ha visto ningún efecto claro sobre la población microbiológica detectada ni en el rendimiento en cuanto a porcentaje de metano en el biogás. Probablemente, las cargas orgánicas debidas a los cosustratos sean muy bajas y éstas tengan que superar un cierto umbral para notar un efecto en el rendimiento del digestor. El mayor rendimiento del digestor de Quart-Benàger parece estar relacionado con la utilización de TRC, temperaturas y cargas orgánicas debida al cosustrato mayores, condiciones que favorecen el desarrollo de las metanogénicas.

[CA] Conéixer la microbiologia que es desenrotlla en els digestors anaerobis és de crucial importància per a obtindre bons rendiments de biogàs en estos sistemes. Este treball ha permés conéixer de forma global algunes poblacions microbianes i les diferències que existixen quant a presència i abundància de les poblacions microbianes involucrades en els processos de digestió i codigestión anaerobis duts a terme en tres digestors diferents de tres EDAR de la província de València (Quart-Benàger, Gandia i Ontinyent) que operen en condicions mesofílicas. Posteriorment, s'ha avaluat la relació de les poblacions microbiològiques amb els paràmetres operacionals i fisicoquímics. Este treball s'emmarca en un conveni amb la Càtedra d'Aigües de València, la qual cosa ha facilitat l'adquisició de les mostres. La identificació de les poblacions microbianes s'ha dut a terme emprant la tècnica molecular FISH (Fluorescent in situ hybridization). Esta tècnica va revelar la presència de bacteris dels phylum Firmicutes, Actinobacteria, Chloroflexi i de la classe Betaproteobacteria, així com de bacteris sulfatoreductoras (SRB) amb diferents abundàncies en els tres digestors. Quant a la presència d'arqueges metanogénicas, es va identificar l'orde Methanosarcinales, Methanobacteriales i Methanomicrobiales, encara que estos dos últims només es van detectar en dos dels tres digestors i presentaven una abundància menor a un 1% respecte del total d'arqueges i bacteris. De les metanogénicas detectades, l'orde Methanosarcinales va ser el predominant en totes les mostres dels tres digestors, sent el gènere Methanosaeta l'únic detectat. Esta tècnica no va revelar la presència de l'orde Methanococcales. La comunitat microbiològica va presentar més variabilitat entre les mostres en el digestor de Quart-Benàger en comparació amb els altres dos, digestor en què s'afig més quantitat i varietat de cosustratos. En els altres dos digestors es va observar que la població no variava estadísticament entre les mostres. De l'estudi de la influència dels paràmetres d'operació i de les variables fisicoquímiques del procés sobre la població microbiològica es va veure com els phylum Actinobacteria i Chloroflexi en el digestor de Quart-Benàger es veuen afectats per les variacions del temps de retenció cel·lular (TRC) i de la temperatura. Quant als cosustratos afegits, no s'ha vist cap efecte clar sobre la població microbiològica detectada ni en el rendiment quant a percentatge de metà en el biogàs. Probablement, les càrregues orgàniques degudes als cosustratos siguen molt baixes i estes hagen de superar un cert llindar per a notar un efecte en el rendiment del digestor. El major rendiment del digestor de Quart-Benàger pareix estar relacionat amb la utilització de TRC, temperatures i càrregues orgàniques deguda al cosustrato majors, condicions que afavorixen el desenrotllament de les metanogénicas.

[EN] Knowing the microbiology that develops in anaerobic digesters is of crucial importance to obtain good biogas yields in these systems. This work has allowed to know globally some microbial populations and the differences that exist in terms of presence and abundance of the microbial populations involved in the processes of digestion and anaerobic co-digestion carried out in three different digesters of three WWTPs in the province of Valencia (Quart-Benàger, Gandía and Ontinyent) that operate in mesophilic conditions. Subsequently, the relationship of the microbiological populations with the operational and physical-chemical parameters has been evaluated. This work is part of an agreement with the Water Chair of Valencia, which has facilitated the acquisition of samples. The identification of microbial populations has been carried out using the molecular technique FISH (Fluorescent in situ hybridization). This technique revealed the presence of bacteria of the phylum Firmicutes, Actinobacteria, Chloroflexi and of the Betaproteobacteria class, as well as sulfate-reducing bacteria (SRB) with different abundances in the three digesters. Regarding the presence of methanogenic archaea, the order Methanosarcinales, Methanobacteriales and Methanomicrobiales were identified, although these last two were only detected in two of the three digesters and presented an abundance of less than 1% with respect to the total number of archaea and bacteria. Of the methanogens detected, the order Methanosarcinales was the predominant in all samples of the three digesters, being the genus Methanosaeta the only detected. This technique did not reveal the presence of the Methanococcales order. The microbiological community presented more variability between the samples in the Quart-Benàger digester compared to the other two, a digester in which more quantity and variety of co-substrates are added. In the other two digesters it was observed that the population did not vary statistically between the samples. From the study of the influence of the operation parameters and the physicochemical variables of the process on the microbiological population, it was seen how the phylum Actinobacteria and Chloroflexi in the Quart-Benàger digester are affected by the variations of the cellular retention time and the temperature. Regarding added cosubstrates, no clear effect on the microbiological population detected or on the yield in terms of percentage of methane in the biogas has been seen. Probably, the organic loads due to co-substrates are very low and they have to overcome a certain threshold to notice an effect on the performance of the digester. The higher performance of the Quart-Benàger digester seems to be related to the use of cellular retention time, temperatures and organic loads due to co-substrate greater, conditions that favor the development of methanogens.