Bionatura
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Latin American Journal of Biotechnology and Life Sciences
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2021.06.02.24
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INVESTIGATION / RESEARCH
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Uso de aguas residuales de porcicultura y faenamiento para el crecimiento y obtención de biomasa algal de Chlorella vulgaris
Slaughtering and piggery wastewater for cultivation and biomass generation of Chlorella vulgaris

Johanna Medrano-Barboza1, Alberto Alejandro Aguirre-Bravo1, Paula Encalada-Rosales1, Roberto Yerovi1, José Rubén Ramírez-Iglesias2
Available from: http://dx.doi.org/10.21931/RB/2021.06.02.24 (registering DOI)

 
RESUMEN

 
Diversas investigaciones respaldan el uso de microalgas como fuente de productos de interés biotecnológico, pero aún existen limitaciones para su implementación; como el uso de aguas residuales como medio de cultivo y la generación de biomasa en presencia de otros microorganismos que compiten por los nutrientes. En este estudio se compararon 3 métodos de desinfección para aguas residuales de porcicultura y faenamiento, y se evaluó su aplicabilidad para el cultivo de Chlorella vulgaris. Se probaron tres métodos de pretratamientos: irradiación UV, hipoclorito de sodio (NaClO) y ácido peracético (CH3CO3H) y se compararon los resultados con agua no tratada. Se determinó la generación de biomasa (g/L) y el consumo de nitratos, ortofosfatos y demanda química de oxígeno, durante 13 días de cultivo con pretratamiento y en agua sin tratar. La desinfección por UV durante 30 minutos eliminó completamente las bacterias, mientras que los tratamientos químicos con las concentraciones empleadas en este estudio lograron reducir parcialmente la carga bacteriana. El agua residual con pretratamiento por UV generó una biomasa de C. vulgaris de 0,2 g/L con elevados porcentajes de remoción de nutrientes del medio (97 y 89 % para nitratos y ortofosfatos), valores de remoción superiores a los presentados por la condición sin pretratamientos. Estos resultados sugieren la necesidad de desinfectar las aguas residuales para su implementación como medio de cultivo, además de indicar la factibilidad de su uso como medio de crecimiento complejo, con el objetivo de generar biomasa.
 
Palabras Clave: cultivo, desinfección, microalgas, pretratamiento, remoción de nutrientes.
 
 
 
ABSTRACT

 
Several studies support the use of microalgae as source of products of biotechnological interest, but there are limitations for their implementation, such as the use of wastewater as a culture medium and the generation of biomass in presence of other microorganisms that compete for nutrients. In this study, 3 disinfection methods for slaughtering and piggery wastewater were compared, and their applicability for the cultivation of Chlorella vulgaris was evaluated. Three pretreatment methods were tested: UV irradiation, sodium hypochlorite (NaClO) and peracetic acid (CH3CO3H), and the results were compared with untreated water. The generation of biomass (g / L) and the consumption of nitrates, orthophosphates and chemical oxygen demand was determined, during 13 days of culture with pretreatment and in untreated water. UV disinfection for 30 minutes completely eliminated the bacteria, while chemical treatments with the concentrations used in this study managed to partially reduce the bacterial load. The residual water with UV pretreatment generated a C. vulgaris biomass of 0,2 g / L with high percentages of removal of nutrients from the medium (97 and 89% for nitrates and orthophosphates), removal values ​​higher than those presented in the condition without pretreatments. These results suggest the need to disinfect wastewater for its implementation as a culture medium and support the feasibility of its use as a complex growth medium, to generate biomass.
 
Keywords: culture, disinfection, microalgae, nutrients removal, pretreatment.

 
 
INTRODUCIÓN

 
Las algas son un amplio grupo de organismos fotosintéticos cuyas formas de organización varían de unicelulares a pluricelulares, siendo las microalgas una de las formas de vida más primitivas del planeta junto con las cianobacterias procariotas y algas eucariotas1. El interés biotecnológico orientado al crecimiento y la obtención de biomasa a partir de estos microorganismos está asociado a la generación de diversos productos y aplicabilidades entre las cuales se encuentran su uso como biofertilizadores en la industria agrícola, como fuente de proteínas y ácidos grasos para la alimentación humana y animal, y para la generación de energía a partir de la producción de biodiesel y biocombustibles2. La producción de biocombustibles a través de microalgas se reconoce como una fuente potencial para reemplazar los derivados del petróleo, sin afectaciones en la alimentación humana2,3. Se estima que la misma área de campo usada para el cultivo de microalgas es 200 veces más productiva que el mismo campo sembrado con cultivos energéticos para la obtención de aceites vegetales4.
 
Los componentes lipídicos de las microalgas sirven de base para diferentes usos bioenergéticos: biodiesel, bioetanol, biogás y biohidrógeno5. Los triacilglicéridos (TAG) sirven como reserva de energía en las algas. Estas grasas neutras están formadas de una cadena triple de ésteres, unidas a una molécula de glicerol. Estos lípidos pueden ser convertidos en biodiesel con facilidad mediante transesterificación, cambiando el glicerol por alcohol (por ejemplo, metanol). Los productos obtenidos por este medio son glicerol y éster-metílico de ácidos grasos (biodiesel)6.
 
Algunas limitaciones que se presentan en el cultivo de microalgas son los elevados costos de los nutrientes que hay que aportar para el crecimiento de estos microorganismos. Sin embargo, alternativas como cultivar las microalgas en lugares donde ya existen los nutrientes adecuados puede reducir en un 50% los costos, comparado con el cultivo en biorreactores, los cuales requieren de energía eléctrica, fertilizantes e infraestructura7. En este contexto, las aguas residuales provenientes de desechos de porcicultura y/o faenamiento poseen características químicas potencialmente adecuadas, como alto contenido de fósforo y nitrógeno8, pero su implementación como medio de cultivo para microalgas presenta escasos estudios de aplicabilidad. El uso de microalgas no sólo contribuye a la disminución de nitrógeno y fósforo en los cuerpos de aguas en las cuales sean empleadas, también permite reducir el contenido de metales pesados y componentes orgánicos tóxicos, por lo cual puede obtenerse un doble beneficio, al facilitar el cultivo de microalgas y generar efectos de biorremediación4.
 
Sin embargo, la alta carga bacteriana presente en aguas residuales puede impedir el crecimiento de las microalgas. La proliferación bacteriana puede estar en contraposición al de las microalgas, lo que vuelve necesario el pretratar el agua para reducir o eliminar estas bacterias8. Las bacterias presentan una mayor capacidad de obtención de nutrientes, como el fósforo, en comparación con las microalgas, incluso bajo condiciones limitadas del mismo9. Para poder eliminar la mayor cantidad de estas bacterias, sin dañar los componentes necesarios para las microalgas, se deben emplear alternativas de desinfección al uso de autoclaves, los cuales generan altos costos de inversión y operación a escala industrial. La luz ultravioleta de 254 nm de longitud de onda (UV-C) se ha usado eficazmente para la desinfección de aguas residuales. Los microorganismos absorben la energía emitida por esta luz y las reacciones fotoquímicas alteran los componentes moleculares esenciales (ARN y ADN) resultando en efectos germicidas10. Por otra parte, el hipoclorito de sodio en concentraciones de 0,2 a 2 mg/L ha demostrado una buena desinfección, siendo recomendable 1,9 mg/L. Esta dosis permite desinfección y a la vez residuos de cloro de menos de 0,2 mg/L, al cabo de 24 horas11. Por último, el ácido peracético es un oxidante fuerte que actúa sobre las proteínas, enzimas y otros metabolitos, degradándolos, debido a la liberación de oxígeno activo. También actúa sobre las uniones dobles, impidiendo su función molecular, además de incidir de igual manera sobre las lipoproteínas citoplasmáticas12.
 
Debido a que varios estudios están orientados hacia el empleo de aguas residuales para disminuir costos derivados del uso de medios de cultivo definidos, es indispensable asegurar un adecuado rendimiento en la obtención de biomasa algal y que esta no se vea afectada por la carga bacteriana propia del agua empleada. Con base en lo anterior, el objetivo del presente estudio fue comparar métodos de desinfección de aguas residuales procedentes de granjas de faenamiento y porcicultura, y evaluar la factibilidad del uso de este tipo aguas pretratadas para el cultivo de Chlorella vulgaris, microalga conocida por su potencial para la remoción de nutrientes, la generación de lípidos y su posterior conversión a biocombustibles.

 
 
METODOS

 
Agua residual
 
Posterior a la autorización por parte de los propietarios del complejo industrial, aproximadamente 5000 mL de agua residual fueron colectados de una industria de cría y faenamiento de cerdos ubicada en la provincia de Cotopaxi, en la ciudad de Latacunga, Ecuador, y llevados a los laboratorios de la Universidad Internacional SEK para ser usada como medio de cultivo de microalgas. Para su caracterización, se determinó el contenido de nitrógeno en forma de nitratos, el contenido de fósforo en forma de ortofosfatos y la demanda química de oxígeno. Los parámetros fisicoquímicos se determinaron en un espectrómetro HACH DR5000.  

 
Métodos y protocolos de desinfección
 
En este estudio se trabajó con tres métodos para la desinfección del agua residual como pretratamiento previo al cultivo de microalgas; los métodos de desinfección seleccionados fueron: exposición a luz UV y uso de desinfectantes químicos, como hipoclorito de sodio (NaClO) y ácido peracético (CH₃CO₃H). También se realizaron ensayos empleando el agua residual sin pretratamiento, como muestra control. Los diferentes ensayos de desinfección se realizaron por triplicado, usando volúmenes de 50 mL de agua residual depositados en placas Petri.
 
Los tratamientos de desinfección por UV se llevaron a cabo con una lámpara de arco de mercurio a baja presión de 18 W y 253 nm (UV-C). La irradiación UV en la superficie de la muestra fue de 3,5 mW cm-2. Los protocolos se realizaron de acuerdo a lo descrito por Bolton y otros (2003)13 y Qin y otros (2014)14, con modificaciones. Para ello, las muestras de agua fueron colocadas a 53 cm de distancia de la luz UV-C y expuestas a 10, 30 y 60 minutos de radiación.
 
El tratamiento con NaClO y la neutralización del excedente de cloruros se realizó de acuerdo a lo descrito por Koivunen & Heinonen-Tanski (2005)15. En resumen, se usó NaClO a concentraciones finales de 10, 30 y 60 ppm. Posteriormente, las muestras se incubaron por 12 horas en oscuridad y 12 horas en presencia de luz solar. Por último, se agregó Tiosulfato de Sodio (Na2S2O3), en concentraciones de 2,3 ppm por cada ppm de NaClO para neutralizar el cloruro sobrante.
 
La desinfección con ácido peracético se realizó empleando concentraciones finales similares a las descritas por Rossi y otros (2007)16 (5; 12,5 y 50 ppm) de CH₃CO₃H. Posteriormente, se dejaron las muestras en reposo durante 10 minutos.
 
El conteo de unidades formadoras de colonias (UFC) para determinar la desinfección e inactivación de la carga bacteriana, se realizó siguiendo protocolos generales para la determinación de la calidad de aguas17. A partir de las muestras de agua residual pretratadas con los diferentes métodos de desinfección, se realizaron diluciones de 10-1, 10-2, 10-3, 1-4, 10-5 y 10-6; se tomaron 25 µL de cada una y fueron sembradas en placas de agar Levine al 1,5% y expandidas con asa Digralsky, por triplicado. Las placas se incubaron a 37 °C durante 24 horas. Para el conteo de colonias se tomó en cuenta únicamente las placas que presentaron entre 25 a 250 colonias, ya que este que este número de bacterias es estadísticamente representativo18 y el conteo se expresó como UFC por cada 100 mL.

 
Análisis de crecimiento de microalgas
 
Luego de analizar los resultados de los tratamientos de desinfección, se seleccionó el método que arrojó los mejores resultados de desinfección para el pretratamiento de aguas destinadas a los cultivos. El tipo de microalga utilizada fue Chlorella vulgaris, adquirida del Banco Español de Algas. Partiendo de un inóculo de las microalgas en Basal Bold Medium (BBM) en fase exponencial, con densidad celular de 2,75E6 y densidad óptica de 1,106 a 680 nm; en fotobiorreactores de vidrio (PBR) de 1 L, por duplicado. Los cultivos se mantuvieron durante 13 días expuestos a luz blanca artificial de 40 W e intensidad de luz de 3000 luxes, con fotoperiodo de 12:12 de luz:oscuridad y aireación constante de 4,2 L/min. La temperatura se mantuvo controlada en 21 ± 2°C. También se prepararon cultivos de microalgas en agua residual autoclavada y sin ningún pretratamiento (control).
 
Para la estimación de la biomasa se extrajo diariamente 5 mL de cada cultivo, los cuales se hicieron pasar por un filtro de jeringa, previamente pesado, y se secó usando una estufa durante la noche, hasta alcanzar peso constante. La diferencia entre el peso del filtro antes y después de aplicar el volumen de cultivo se usó para determinar el peso seco de la biomasa algal (g/L).
 

Análisis de parámetros fisicoquímicos
 
Se efectuaron análisis de nitratos, ortofosfatos, demanda química de oxígeno (DQO) y pH con el agua antes de ser tratada y durante el tiempo de cultivo de las microalgas en cada uno de los tratamientos. Los protocolos para realizar los análisis se efectuaron mediante espectrofotometría; el análisis de nitratos de rango bajo, medio y alto se realizó por el método de reducción de cadmio; la determinación de ortofosfatos o fósforo reactivo empleó el método con Molibdovanadato; mientras que la determinación de la DQO adaptado al método de digestión USEPA, acorde a los procedimientos estandarizados HACH, con espectrofotómetro HACH DR5000. El porcentaje de remoción de nutrientes (PRN) se calculó a partir de la siguiente fórmula:
 
PRN = (Co - Ci) / Co x 100%              Ecuación 1
 
Donde Co y Ci son definidos como los valores promedios de concentración de nutrientes al inicio y al final del ensayo, respectivamente.

 
 
Análisis estadístico
 
Los parámetros asociados al conteo de UFC y análisis de nutrientes fueron expresados como el valor ± desviación estándar (X ± DE), y se realizó una comparación de medias de los diferentes grupos de experimentación a través de la prueba Kruskal Wallis. Las diferencias de medias entre cada grupo se consideraron estadísticamente significativas al presentar valores de p<0,05.]

 
 
RESULTADOS

 
Evaluación de los métodos de desinfección
 
La Figura 1 muestra el conteo de las UFC por cada 100 mL pre y post tratamiento, a partir de los diferentes métodos de desinfección evaluados. El conteo para el agua del grupo control (sin tratamiento) presentó 4,12E7 ± 3,59E6 UFC. El tratamiento de radiación por luz UV-C durante 10 minutos no generó una disminución significativa (p>0,05) de UFC, respecto al grupo control. Sin embargo, no se observaron UFC en las condiciones de exposición a 30 y 60 minutos de radiación UV-C (p<0,05), siendo los únicos tratamientos que lograron la completa eliminación de la carga bacteriana en las diferentes muestras de agua pretratadas. La desinfección usando NaClO en la concentración de 10 ppm no tuvo reducciones de UFC significativas (p>0,05), mientras que a las concentraciones de 30 y 60 ppm se observó disminución en el número de UFC en rango cercano a 1 orden de magnitud. En el caso del tratamiento con CH₃CO₃H se presentaron reducciones de 2 log, estadísticamente significativas, para las concentraciones de 5 y 12,5 ppm y cerca de 3 log para la concentración de 50 ppm.
 

 
Figura 1. Conteo de UFC en las muestras de agua pretratadas bajo diferentes condiciones de desinfección. Las barras representan promedios de tres ensayos independientes, junto con la desviación estándar asociada (media ± DE).

 
 
La Tabla 1 muestra los tipos de bacterias detectadas en el agua residual de porcicultura y su eliminación a través de los métodos de desinfección aplicados. El agar Levine mostró una mayor presencia de bacterias entéricas seguido de bacterias no fermentadoras de lactosa y Escherichia coli en el agua residual control. Este número de UFC se redujo parcialmente en el tratamiento de 10 min UV-C, mientras que en los tratamientos 30 y 60 minutos de radiación se observó inactivación total (IT) para estas colonias. En el caso de los tratamientos de mayor concentración de NaClO y CH₃CO₃H, se observó una mayor resistencia a la desinfección por parte de las colonias de bacterias no fermentadoras de lactosa. A pesar de la disminución significativa de las diferentes UFC, los tratamientos químicos no lograron la IT bajo ninguna de las concentraciones usadas en los ensayos.
 


 
Tabla 1. Recuento de unidades formadoras de colonias de bacterias heterótrofas en las muestras de aguas residuales pretratadas.

 
 
Evaluación del crecimiento de microalgas
 
Con base en los resultados de los métodos de desinfección se seleccionó el pretratamiento con UV-C 30 min, el cual combinó la IT de bacterias junto con un menor tiempo de desinfección. Este tratamiento fue utilizado para desinfectar el agua destinada al cultivo de C. vulgaris; también se empleó agua residual esterilizada por ciclos estándar de autoclave, ya que el uso de este método es tradicionalmente empleado como garantía de esterilidad para los medios de cultivo. La Figura 2 muestra la curva de concentración de biomasa (g/L) de C. vulgaris cultivada en medio comercial BBM, en agua residual con el tratamiento UV-C 30 min, agua residual autoclavada y agua sin pretratamiento (control). El mayor crecimiento de microalgas determinado a partir de las aguas residuales se obtuvo con los tratamientos de autoclave y de UV-C, con valores finales de biomasa de 0,22 ± 0,03 g/L y 0,21 ± 0,04 g/L, respectivamente. Estos valores son estadísticamente superiores a la biomasa total generada en el agua sin pretratamiento, la cual generó un valor final promedio de 0,11 ± 0,05 g/L (p<0,05). Como era de esperarse para un medio comercial, la biomasa generada en el medio BBM alcanzó valores de 0,61 ± 0,06 g/L, superiores a los demás cultivos con agua residual. Durante el tiempo de cultivo no se hizo reposición de medio o de nutrientes en ninguno de los casos de estudio.
 


 
Figura 2. Concentración de biomasa de C. vulgaris en 13 días (d) de cultivo empleando un medio comercial y agua de porcicultura pretratada y sin tratar. Se muestra cada punto de medición registrado, junto con su desviación estándar asociada (media ± DE).

 
 
Evaluación de parámetros fisicoquímicos
 
La Tabla 2 muestra los valores iniciales y finales de los parámetros fisicoquímicos evaluados en el agua de faenamiento usada para el cultivo de C. vulgaris, previamente sometida a diferentes métodos de desinfección. Posterior a los 13 días de cultivo, se observó una notoria reducción en el contenido de nitratos evaluados, en las muestras de los tratamientos con autoclave y luz UV-C, lo cual representa hasta un 97,6 % de PRN.
 


 
Tabla 2. Porcentaje de remoción de nutrientes en el cultivo de C. vulgaris para el agua residual con y sin pretratamiento.  

 
 
 
Estos valores fueron estadísticamente superiores (p<0,05) en comparación a los mostrados por el cultivo en el agua sin pretratar (control), cuyo porcentaje de remoción de nitratos alcanzó el 90,2 %. Los ortofosfatos también presentaron una reducción general, con diferencias significativas entre los grupos con y sin pretratamiento de desinfección. Finalmente, los valores de DQO presentaron la menor reducción de los tres parámetros evaluados, con valores máximos de PRN de 80 y 81 % en el caso del tratamiento con UV y en el agua autoclavada. Estos valores representan alrededor de 7 % más de PRN en comparación con el agua sin pretratar.  
 
Las cinéticas de remoción de nutrientes muestran una disminución drástica de los tres parámetros evaluados durante los primeros 5-6 días posterior al inicio de los cultivos con C. vulgaris (Figuras 3 a, b y c). A partir de los días 6-7, la remoción de nitratos, ortofosfatos y DQO se estabilizó hasta el final de la experimentación. A diferencia de las condiciones de cultivo con el agua pretratada, C. vulgaris en el agua sin pre tratamiento presentó una menor capacidad de remoción de nutrientes durante el tiempo de cultivo.


 
Figura 3. Cinética de remoción de nutrientes. Se muestran los cambios de concentración de diferentes parámetros químicos, durante 13 días de cultivo de C. vulgaris en agua de porcicultura con y sin pretratamiento: a) remoción de nitratos; b) remoción de ortofosfatos y c) remoción de DQO. Se muestra cada punto de medición registrado, junto con su desviación estándar asociada (media ± DE).

 
 
 
DISCUSIÓN

 
En el presente estudio, se demostró que la luz UV fue capaz de lograr la IT de la carga bacteriana presente en el agua residual de faenamiento, a diferencia de los tratamientos químicos con NaClO y CH₃CO₃H. Una de las particularidades del uso de aguas residuales destinadas al cultivo de microalgas y a la generación de biomasa, es que cada tipo de agua presenta características propias y retos asociados tanto a la disponibilidad de nutrientes como a la presencia de inhibidores de crecimiento, entre los cuales se ubican los microorganismos presentes19. Comúnmente, la esterilización por autoclave se ha empleado para la eliminación de bacterias, hongos y protozoarios presentes en aguas residuales para su posterior uso en ensayos a escala de laboratorio, pero los costos derivados de escalar dicho método obligan a la búsqueda de pretratamientos más económicos y que logren la eliminación de microorganismos predadores20. En los ensayos realizados, el pretratamiento por 30 min de luz UV logró eliminar por completo la carga bacteriana presente en las muestras de agua. Otros estudios han descrito la inactivación de microorganismos presentes en aguas procedentes de granjas lecheras, con tiempos de exposición a la radiación tan bajos como 15 min14. Estas diferencias en los tiempos de exposición para la desinfección podrían estar asociadas a la variabilidad de microorganismos presentes entre los diferentes tipos de aguas, así como a la intensidad de la luz UV empleada, volúmenes de muestra y contenedores usados para las desinfecciones. Lo anterior, confirma la necesidad de estandarizar los procedimientos de desinfección a emplear junto con la evaluación de las características biológicas de las muestras de aguas residuales a emplear como medios de cultivo. Adicionalmente, estudios han demostrado que la aplicación de luz UV-C (longitud de onda λ: 200 - 280 nm), como la empleada en este estudio, presenta una mejor capacidad para la desinfección en comparación con la luz UV-B (λ: 280 - 320 nm)21,22. Sin embargo, para que la luz UV pueda ejercer efectos desinfectantes es necesario que la longitud de onda sea absorbida con la finalidad de generar alteraciones en los ácidos nucleicos, como la formación de dímeros de pirimidina, para la interrupción de procesos como la replicación celular en los microorganismos contaminantes. Con base en lo anterior, es necesaria la implementación de reactores de pre tratamiento de luz UV que permitan maximizar la exposición del agua a la radiación y evitar problemas asociados con compuestos que absorban la luz y disminuyan su capacidad de desinfección23. Con respecto a los tratamientos químicos, las máximas concentraciones empleadas en este estudio no lograron eliminar por completo la carga bacteriana, a pesar de presentar disminuciones de UFC significativas, en comparación con el agua sin pre tratar. Con relación a esto, una aproximación alternativa es el empleo de aguas residuales sin pre tratamientos de desinfección, en las cuales se ha demostrado la viabilidad de las microalgas para crecer en un medio con microorganismos24,25. No obstante, la aplicación de pretratamientos de desinfección sobre los diversos tipos de aguas residuales destinadas para el crecimiento microalgas son procesos recomendados con la finalidad eliminar agentes competitivos, como los microorganismos autóctonos presentes en las aguas, y asegurar una mayor generación de biomasa4,26,27. Otro tipo de tratamientos químicos, como el uso de 5 M NaOH junto con 5 M HCl son capaces de disminuir una elevada carga bacteriana hasta valores de 100 UFC/mL27. A pesar de esto, en general, los métodos de desinfección químicos suelen tener como una mayor desventaja frente a la luz UV la presencia de cloro o sustancias químicas residuales o la necesidad de aplicar tratamientos posteriores a la desinfección del agua empleada23,28. En el caso del CH₃CO₃H, no se presentan compuestos tóxicos o mutagénicos residuales en el agua pretratada, lo cual constituye una ventaja sobre los procesos de cloración. A pesar de ser un desinfectante alternativo, es posible que la incapacidad del CH₃CO₃H para lograr la IT de bacterias, mostrada en este estudio, está relacionada a la composición química del agua residual de faenamiento empleada. Bajo este punto, se ha reportado que la disponibilidad y velocidad de descomposición del CH₃CO₃H depende de la presencia de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos en el agua, lo cual comprometería su capacidad de desinfección y obliga realizar un estudio más detallado para detectar las dosis óptimas de este ácido, con la finalidad de evitar efectos de sub o sobre dosis del desinfectante29.
 
El crecimiento de microalgas está determinado por la disponibilidad de nutrientes del medio, las condiciones del medio (luz, temperatura, pH, etc.) y la densidad celular inicial2. Una vez que las microalgas se inocularon en los medios de agua residual con pretratamiento y sin tratamiento alguno, se apreció el periodo de adaptación a las nuevas condiciones y el posterior crecimiento de la microalga a partir del quinto día, como muestra la Figura 2. Aunque C. vulgaris pudo sobrevivir en todas las condiciones de pretratamientos analizados, incluyendo en el agua sin tratamiento; la concentración de biomasa de la microalga fue menor en el agua sin tratamiento respecto de las muestras pretratadas. Exámenes microscópicos mostraron una abundante presencia de bacterias y otros microorganismos en las aguas residuales sin pretratamiento (no mostrado), que pudieron limitar y amenazar el crecimiento de C. vulgaris. El tratamiento con UV-C 30 min inactivó estos microorganismos casi tan efectivamente como el tratamiento de autoclave, de acuerdo con el crecimiento de biomasa en ambos casos. La biomasa en el tratamiento con autoclave tuvo mejores resultados que el de UV-C, pero sin diferencias significativas.
 
Investigaciones en microalgas de diferentes cepas han presentado producción de biomasa en el rango de 0,218± 0,06 g/L a 2,91 ± 0,02 g/L en una amplia diversidad de aguas residuales, tales como: urbana, efluentes primarios y secundarios de plantas de tratamientos de aguas residuales, industrial, agrícola, láctea, sintética, en condiciones mixotróficas y heterotróficas2,26,30. Las microalgas del género Chlorella son además muy usadas por su capacidad de remoción de nutrientes de éste tipo de aguas; se trata de una especie robusta y comúnmente utilizada en estudios de biomasa por su gran adaptabilidad a diferentes medios, incluyendo los de origen residual, sin requerimiento adicional de nutrientes31. Varios estudios reportan resultados de especies de Chlorella cultivadas en aguas residuales; uno de ellos es Gouveia y otros (2016)25, cultivaron C. vulgaris, S. obliquus y un consorcio de microalgas en aguas residual urbana colectada luego del tratamiento primario de la planta de Águas da Figueira da Foz, en Portugal con fines de obtención de biocombustibles. Luego de 12 días de cultivo en fotobiorreactor vertical de 150 L y sin adición de ningún suplemento o reposición de nutrientes, la máxima productividad de biomasa de C. vulgaris se obtuvo al quinto día, reportando 0,11 g/L25. Li y otros (2011)3, emplearon agua residual municipal cruda y autoclavada para el cultivo de Chlorella. sp con fines de remoción de nutrientes y producción de biodiesel. Al cabo de 14 días, del cultivo original de 25 L encontraron una productividad de biomasa de 0,12 g/ L.
 
Qin y otros (2014)14, obtuvieron resultados similares a los encontrados en la presente investigación sobre crecimiento microalgal en medios residuales de empresas lácteas tratado con luz UV y desinfección química con NaOCl. En el pretratamiento realizado, a pesar de usar la luz UV por 15 min y obtener inactividad total comprobada al microscopio, la productividad de biomasa fue de 0,45 g/ L d para C. vulgaris en agua pretratada; un crecimiento superior al agua sin tratar con productividad de 0,198 g/ L d14.
 
Las bacterias son más eficientes en la obtención de fósforo en condiciones adversas, esto coadyuvaría a que las algas carezcan de nutrientes y no tengan los niveles de reproducción que existen en las aguas pretratadas9. Otro factor que limitaría el crecimiento de las microalgas es el cambio en el ambiente debido a bacterias. El pH sufre variaciones a través de la producción de ácidos orgánicos y de la oxidación de varios componentes como el amonio32. Estos cambios en pH pueden afectar la disponibilidad de carbono para la fotosíntesis de las algas8.
 
Por otra parte, los resultados de este estudio demuestran que el pretratamiento (a través de UV-30 minutos o autoclavado) de aguas residuales porcinas, y el posterior cultivo de C. vulgaris en ellas mejoró la remoción de algunos parámetros fisicoquímicos (principalmente nitrato y DQO) de este tipo de aguas residuales.
 
Respecto a la remoción de nitratos, comparando la remoción de este parámetro usando agua residual sin pretratamiento (tratamiento control) y agua residual pretratada, es posible identificar que C. vulgaris fue la principal responsable de la remoción de este parámetro en presencia o ausencia de pretratamiento, principalmente porque las condiciones de cultivo empleadas en este estudio (condiciones aerobias) no fueron adecuadas para favorecer procesos de desnitrificación bacteriana. Adicionalmente, las concentraciones finales de nitratos obtenidas en el cultivo de C. vulgaris utilizando pretratamiento de agua residual (con UV-30 minutos o autoclavado) se encuentran dentro de un rango de concentración de NO3- muy cercano al reportado para concentraciones de NO3- reportadas para aguas superficiales (igual o menor a 1 mg/L)33, lo cual confirma que el pretratamiento del agua residual es necesario para obtener un agua tratada de calidad.
 
Por otra parte, tanto con pretratamiento del agua residual o sin pretratamiento se obtuvieron altas remociones de PO43- en el agua residual, lo cual sugiere que C. vulgaris fue quien aportó de mayor manera en la remoción de PO43-. De hecho, varios estudios34–36 han demostrado la capacidad de C. vulgaris para consumir altas cantidades de PO43-, así como la limitada capacidad de las bacterias en sistemas convencionales de tratamiento de agua para consumir fósforo, salvo si se implementan sistemas biológicos especiales con microorganismos acumuladores de polifosfato (PAOS)37,38.
 
Finalmente, la remoción de DQO demostró ser más eficiente utilizando los pretratamientos del agua residual, lo cual indica que para el caso de este tipo de agua residual un sistema mixto bacteria-microalga no sería adecuado para obtener buenas remociones de DQO, a diferencia de un sistema biológico con uso exclusivo de C. vulgaris. Es importante indicar que pese a que los pretratamientos de agua residual mejoraron la eficiencia de remoción de la DQO, aún después del tratamiento la DQO se mantuvo sobre los límites máximos permisibles (50 mg DQO L-1) para efluentes de plantas de tratamiento de agua residual39, por lo que si se desea optar por este sistema de tratamiento será adecuado implementar sistemas adicionales de tratamiento (coagulación-floculación, sedimentación, filtración) aguas arriba que permitan eliminar la carga de DQO adicional que no se puede eliminar en el sistema biológico.
 
Por los antecedentes mencionados, para la remoción de NO3-, PO43- y DQO de este tipo de agua residual un sistema biológico por lotes formado sólo por C. vulgaris presentaría mejor eficiencia que un sistema mixto (bacteria-microalga). Sería importante también evaluar en futuros estudios la remoción de NO3-, PO43- y DQO en sistemas continuos que incluyan el agua residual pretratada y C. vulgaris, puesto que el tiempo requerido para alcanzar remociones altas de dichos parámetros en el sistema por lotes en este estudio fue extenso, lo cual limitaría la capacidad de eliminación de estos contaminantes si los caudales a tratar de esta agua residual en campo son elevados.

 
 
CONCLUSIONES

 
En este trabajo se demostró la factibilidad del uso de aguas residuales procedentes de granjas de porcicultura y faenamiento, para el crecimiento y obtención de biomasa algal, previa aplicación de un tratamiento de desinfección. Con base en la inactivación total de UFC, se determinó que la radiación por UV fue el mejor método de desinfección, dependiendo, en gran medida, del tiempo de exposición. Una dosis de 30 minutos es el tiempo necesario para la IT bacteriana del agua residual empleada en este estudio. El cultivo de microalgas con aguas pretratadas generó una mayor cantidad de biomasa en comparación con el agua sin pretratar, lo cual indica que es posible usar este tipo de aguas residuales para el cultivo de especies como C. vulgaris, en especial bajo un ambiente carente de alta carga bacteriana. El uso de un tratamiento no químico como UV no afectó los nutrientes originales de las aguas residuales, al permitir el crecimiento sostenido de la microalga empleada. Evaluaciones posteriores tanto del perfil lipídico y de ésteres metílicos de ácidos grasos, permitirán indicar si este tipo de agua tiene el potencial para la generación de subproductos de interés biotecnológicos como biocombustibles. Finalmente, los resultados de este estudio también sugieren que el uso de un sistema biológico formado exclusivamente por C. vulgaris resulta más eficiente que un sistema mixto (bacteria-microalga) para la remoción de nitratos y ortofosfatos de aguas residuales porcinas.
 
 
Agradecimientos
 
Los autores de este trabajo agradecen a la Dirección de Investigación e Innovación de la Universidad Internacional SEK por el aporte financiero dentro del proyecto P101617_2.2 Obtención de biocombustibles de origen microalgal y vegetal

 
 
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Recibido: 29 Noviembre 2020
Aprobado: 20 Febrero 2021
 
 
Johanna Medrano-Barboza1, Alberto Alejandro Aguirre-Bravo1, Paula Encalada-Rosales1, Roberto Yerovi1, José Rubén Ramírez-Iglesias2
 
1Universidad Internacional SEK, Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Quito, Ecuador; 2Universidad Internacional SEK, Facultad de Ciencias de la Salud, Quito, Ecuador
 
Corresponding author: jose.ramirez@uisek.edu.ec
 
ORCID
 
Johanna Medrano-Barboza https://orcid.org/0000-0003-0905-1712
 
Alberto Alejandro Aguirre-Bravo https://orcid.org/0000-0001-5879-9263
 
Paula Encalada-Rosales https://orcid.org/0000-0002-8820-9946
 
José Rubén Ramírez-Iglesias https://orcid.org/0000-0003-0173-1895
 
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