Perspectivas sobre las comunidades microbianas en digestores anaeróbicos

La digestión anaeróbica es un proceso que se usa para tratar aguas residuales fuertes, especialmente en industrias. Este método descompone los desechos sin oxígeno, produciendo Biogás que se puede usar como energía. Aunque este proceso funciona bien, a veces las cosas no salen como se planean y los tratamientos pueden fallar. Las razones de estos fracasos pueden no ser claras. Algunas posibles causas incluyen sustancias dañinas en las aguas residuales, demasiada materia orgánica, nutrientes faltantes o cambios repentinos en el tipo de desecho.

Los Microbios, o pequeñas cosas vivas que no se pueden ver a simple vista, juegan un papel importante en el proceso de digestión anaeróbica. Durante mucho tiempo, tuvimos información limitada sobre cómo estos microbios interactúan y afectan el proceso de digestión. Con los avances en los métodos de secuenciación, ahora podemos aprender más sobre estas comunidades microbianas y cómo se relacionan con el funcionamiento general de los digestores.

Muchos estudios han examinado cómo estas comunidades microbianas cambian durante la digestión de desechos orgánicos. Algunos de esta investigación se realizó en entornos de laboratorio más pequeños, mientras que otros estudiaron sistemas más grandes y a escala real. Aunque hemos obtenido información valiosa, todavía hay muchas incertidumbres y contradicciones en hallazgos previos. Por ejemplo, algunos investigadores encontraron que cambiar los parámetros de operación no alteró significativamente la comunidad microbiana, mientras que otros observaron cambios constantes en la comunidad a lo largo del tiempo.

Pocos estudios han investigado cómo los grupos de microbios trabajan juntos en un digestor. Estos grupos, conocidos como módulos, pueden proporcionar una mejor comprensión de cómo los organismos interactúan y funcionan durante el tratamiento de aguas residuales. Algunos estudios ya han identificado módulos en otros entornos. Por ejemplo, algunos investigadores encontraron grupos de microbios en el suelo que estaban involucrados en procesos específicos como la respiración y la fermentación. Otros estudios han identificado grupos de microbios en digestores que están relacionados con la descomposición de antibióticos.

En nuestra investigación, hemos identificado módulos únicos dentro de los digestores que operan algo independientemente y que están vinculados a varios parámetros operacionales. Al entender estas correlaciones, podemos captar mejor las relaciones en los digestores anaeróbicos. Sin embargo, encontrar relaciones significativas en comunidades microbianas es complicado. Problemas como datos de secuenciación desiguales y la presencia de organismos raros pueden llevar a conclusiones incorrectas.

Cada vez se utilizan más métodos computacionales para analizar estas relaciones. Estudios recientes compararon diferentes técnicas para generar redes de correlación en comunidades microbianas. Un método, conocido como Análisis de Similitud Local (LSA), mostró los mejores resultados para identificar correlaciones a lo largo del tiempo. Este método puede revelar tanto relaciones locales como retardadas. Entender estas relaciones puede mejorar nuestro conocimiento sobre las interacciones entre diferentes microbios y sus roles en el proceso de digestión.

#Metodología y Recolección de Datos

#Datos Operativos del Molino

Nuestra investigación se centró en tres fábricas de pulpa y papel que tienen diferentes tipos de sistemas de tratamiento anaeróbico. El Molino A combina dos tipos de fábricas de pulpa, mientras que los Molinos B y C se enfocan en un tipo específico conocido como BCTMP. Cada molino trata aguas residuales usando diferentes reactores, que tienen características y parámetros operacionales únicos.

En el Molino A, hay dos reactores que operan con un tiempo de retención hidráulica (HRT) que varía de 8 a 12 horas. Reciben aguas residuales de tres corrientes diferentes, que tienen diferentes tasas de flujo y composiciones. El Molino B opera tres digestores híbridos anaeróbicos con un HRT más largo de 2 a 3 días, y son alimentados con una mezcla de aguas residuales de BCTMP. El Molino C tiene una laguna anaeróbica con un HRT de 12 a 14 días, utilizando también aguas residuales compuestas de BCTMP.

Recopilamos datos diarios de estos reactores durante un período de aproximadamente 1.5 años. Estos datos incluían muchos parámetros diferentes como la eficiencia de remoción de demanda química de oxígeno (COD), la relación de ácidos grasos volátiles (VFA) a alcalinidad, y concentraciones de varios compuestos en las aguas residuales y biogás.

#Muestreo y Extracción de ADN

Para estudiar las comunidades microbianas, recolectamos muestras de biomasa anaeróbica de los reactores aproximadamente dos veces al mes. Estas muestras se tomaron a diferentes profundidades en cada Reactor para asegurar una sección transversal representativa de la población microbiana. Al recolectar, las muestras se congelaron o enfriaron durante el transporte a nuestro laboratorio para su análisis.

Una vez que las muestras llegaron, extrajimos el ADN comunitario total usando un kit especializado. La calidad y cantidad del ADN extraído se evaluaron antes del análisis posterior.

#Análisis de la Comunidad Microbiana

El ADN extraído se envió a secuenciación usando tecnologías avanzadas. Específicamente, nos enfocamos en ciertas regiones del ADN para identificar los diferentes tipos de microbios presentes en las muestras. Los datos de secuenciación en bruto se procesaron luego para generar una vista completa de la comunidad microbiana.

Para minimizar sesgos causados por diferentes profundidades de secuenciación, estandarizamos los conjuntos de datos a una profundidad igual antes del análisis. Luego clasificamos los diferentes microbios encontrados en las muestras según sus secuencias de ADN. Esta clasificación nos permitió desarrollar una comprensión detallada de la comunidad microbiana presente en cada digestor.

#Análisis de Correlación e Identificación de Módulos

Para identificar relaciones entre las comunidades microbianas y los parámetros operacionales, usamos un software específico diseñado para cálculos de correlación. Este software ayudó a determinar qué microbios estaban asociados entre sí y con las diversas condiciones operativas de los digestores.

Nos enfocamos en identificar módulos grandes e independientes dentro de la comunidad microbiana. Estos módulos contenían organismos que interactúan y funcionan juntos, apoyando el proceso de tratamiento anaeróbico. Los módulos que identificamos mostraron correlaciones fuertes con los parámetros operativos, indicando su importancia en el proceso de digestión.

#Resultados y Discusión

#Composición de la Comunidad Microbiana

Los análisis iniciales de las comunidades microbianas mostraron diferentes patrones a través de los tres molinos. En el Molino A, las comunidades microbianas fueron relativamente estables en el tiempo, indicando que estos digestores se habían adaptado bien a las aguas residuales que estaban siendo tratadas. En contraste, el Molino B mostró mayor variabilidad en su comunidad microbiana debido a su reciente inicio de operación. El Molino C también mostró variación, pero no tan extrema como el Molino B.

Los organismos más abundantes en todos los molinos fueron metanógenos acetoclásticos, que son esenciales para producir metano en el proceso de digestión anaeróbica. Estos organismos representaron más de la mitad de la población arquea total en los digestores. Otros grupos notables incluyeron metanógenos hidrogenotróficos y metilotróficos, que también desempeñan roles importantes en la producción de biogás.

Además de estos metanógenos, varias bacterias estaban presentes en los molinos. Por ejemplo, muchas de las bacterias más abundantes pertenecían al filo Bacteroidetes, que a menudo están involucradas en la descomposición de materiales orgánicos complejos en aguas residuales. Otras bacterias, como las de la familia Anaerolineaceae, también fueron identificadas como contribuyentes importantes al proceso de digestión anaeróbica.

#Identificación de Módulos Funcionales

Nuestros análisis revelaron de dos a tres módulos biológicos distintos en cada molino. Cada módulo consistía en organismos que abarcaban varias etapas de la digestión anaeróbica, incluyendo hidrólisis, fermentación, acetogénesis y metanogénesis. La presencia de estos módulos interconectados sugiere que las comunidades microbianas trabajan juntas de cerca para tratar eficientemente las aguas residuales.

Los módulos mostraron correlaciones significativas con parámetros operacionales, como pH y concentraciones de compuestos dañinos como sulfuro. Por ejemplo, un módulo se correlacionó positivamente con una mejor eficiencia de remoción de COD y niveles más bajos de ácidos grasos volátiles. Esto indica que ciertos grupos de microbios prosperan en condiciones estables, mientras que otros pueden ser más resilientes durante momentos de estrés ambiental causado por niveles más altos de sustancias inhibitorias.

#Respuesta a Cambios Operacionales

El estudio también exploró cómo las comunidades microbianas respondieron a cambios en los parámetros operacionales a lo largo del tiempo. Generamos versiones retardadas de varias condiciones operativas para observar su influencia en la abundancia microbiana.

En general, encontramos que el tiempo de respuesta entre los cambios en las condiciones operativas y los cambios en la abundancia microbiana fue típicamente de dos a cuatro días. Este retraso es importante para entender cómo la comunidad microbiana se adapta a modificaciones en el sistema de tratamiento y puede ayudar a optimizar el rendimiento.

#Eventos de Upset y Respuesta de la Comunidad Microbiana

Durante el estudio, identificamos períodos de upset en el digestor, particularmente durante paradas anuales o sobrecargas orgánicas. Durante estos períodos, las comunidades microbianas cambiaron significativamente en respuesta al estrés ambiental.

En los tres molinos, un organismo específico, Methanothrix_319, aumentó en abundancia durante tiempos de upset. Dominó la población arquea en cada molino, sugiriendo una resiliencia a condiciones adversas. La capacidad de este organismo de florecer en situaciones estresantes destaca su posible utilidad en mitigar ups en los digestores anaeróbicos.

Analizar estos eventos de upset proporciona información valiosa sobre cómo diferentes microorganismos responden a desafíos en el proceso de digestión anaeróbica. Reconocer qué organismos prosperan durante estos momentos puede informar estrategias para mejorar la estabilidad y el rendimiento de los digestores.

#Conclusión

Los hallazgos de esta investigación iluminan las complejas interacciones dentro de las comunidades microbianas en digestores anaeróbicos en tres fábricas de pulpa y papel. Entender estas relaciones e identificar módulos distintos de organismos puede enriquecer nuestro conocimiento de los procesos de digestión anaeróbica.

Al estudiar cómo estas comunidades microbianas responden a parámetros operacionales y estrés ambiental, podemos desarrollar mejores estrategias para optimizar la producción de biogás y el tratamiento de aguas residuales. Este conocimiento es valioso no solo para las industrias de pulpa y papel sino también para otros sectores que dependen de la digestión anaeróbica para la gestión de residuos.

En general, los conocimientos adquiridos de este estudio pueden llevar a mejoras en el diseño y operación de sistemas de tratamiento anaeróbico, beneficiando potencialmente a una amplia gama de aplicaciones industriales y municipales. Identificar organismos clave y sus roles dentro de la comunidad microbiana también puede abrir nuevas avenidas para bioaumentación y otras intervenciones que mejoren la eficiencia de los procesos de digestión anaeróbica.