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Metabolismos microbianos involucrados en procesos avanzados para la remocion de Nitrogeno, una revision prospectiva.

Introduccion

Durante varias decadas de aplicacion, los sistemas de tratamiento (ST) biologico para aguas residuales domesticas (ARD) han dado una respuesta efectiva y sostenible en cuanto a la remocion de carbono organico, aunque han mostrado menos eficiencia en la remocion de compuestos nitrogenados resultantes de estos procesos, agudizando la descarga de nutrientes a los cuerpos de agua receptores (Paredes et al., 2007). Los compuestos nitrogenados representan un contaminante ambiental debido a su influencia en la eutroficacion, su efecto en el contenido de oxigeno disuelto (demanda nitrogenada) y la toxicidad sobre las especies acuaticas y en los seres humanos (Kadlec y Knight, 1996). La remocion de los compuestos nitrogenados puede realizarse por metodos fisico-quimicos o por procesos biologicos, estos ultimos han resultado mas economicos y efectivos que los fisico-quimicos (EPA, 1993). Nuevas especies y generos de microorganismos descubiertas en las ultimas decadas ofrecen importantes ventajas comparadas con la remocion tradicional de nitrogeno (N); estas estan especificamente relacionadas con la oxidacion del amonio (N[H.sup.+.sub.4]), y actuan mediante nitrificacion autotrofa-desnitrificacion heterotrofa por etapas (Khin y Annchhatre, 2004). Este articulo presenta en forma global la intervencion humana en el ciclo del N asi como la influencia microbiologica, tambien los avances encontrados en los procesos de remocion de nitrogeno de ARD, ademas de algunos procesos intermedios del ciclo del nitrogeno, que sugieren reevaluar los paradigmas y las asunciones hechas en modelos bioquimicos del ciclo del nitrogeno (Dustsch et al., 2007). La dinamica de estos nuevos grupos bacterianos en la nitrificacion-desnitrificacion ha sido aplicada recientemente en procesos de tratamiento en forma innovadora, y tiene consecuencias importantes en la tasa de transformacion del N (Horner-Devine y Martiny, 2008). Algunas preguntas de investigacion que deben ser abordadas por grupos interdisciplinarios de ingenieros y microbiologos se deducen del texto y se plantean al final del mismo.

El ciclo global del nitrogeno

El ciclo global del nitrogeno es la serie continua de procesos naturales en los cuales el nitrogeno se transforma a distintos estados de oxidacion y reduccion: de nitrogeno molecular ([n.sub.2]) a amoniaco (N[H.sub.3]), luego a compuestos organicos carbono-nitrogenados, oxidos de nitrogeno y finalmente a [N.sub.2] cerrando el ciclo (Warakomski et al., 2007). Tanto la produccion industrial de N[H.sup.+.sub.4] y N[O.sup.-.sub.3] como fertilizantes, como la combustion de hidrocarburos fosiles, la descarga de aguas residuales y algunas otras acciones antropogenicas, han acelerado y des-balanceado considerablemente el ciclo del nitrogeno, con efectos negativos como la eutrofizacion de los cuerpos de agua receptores, el efecto invernadero por la generacion de oxido nitroso ([N.sub.2]O), y los riesgos para la salud humana como el consumo de nitratos (N[O.sup.-.sub.3]) en el agua potable (Towsend et al., 2003). Un aspecto fundamental del ciclo del nitrogeno es su importancia y participacion en la vida, es decir, su rol primario de produccion de biomasa (Gruber y Galloway, 2008), siendo nutriente esencial de todos los organismos e indispensable en las estructuras y los procesos bioquimicos que definen la vida (Francis et al., 2007). Las formas del nitrogeno pueden ser "no reactivas" como el [N.sub.2] o "reactivas" (Nr) como se encuentra en todas sus otras formas (Galloway et al., 2008). El mayor reservorio de [N.sub.2] se encuentra en la atmosfera (78% de la misma), y debe ser fijado a una forma reactiva para su aprovechamiento en la biosfera (Francis et al., 2007). Otras formas de N presentes en la atmosfera son las pequenas cantidades de oxidos de nitrogeno, N[H.sub.3] gaseoso, compuestos de N[H.sup.+.sub.4], acido nitrico (HN[O.sup.3]), particulas de N[O.sup.-.sub.3] y N organico que circulan a traves de ella (Nieder y Benbi, 2008). Entre las transformaciones a gran escala se destacan: la fijacion biologica, luminica e industrial, la combustion de hidrocarburos fosiles y los procesos biologicos de oxido-reduccion. La fijacion industrial para la produccion de fertilizantes nitrogenados (100 Tg [ano.sup.-1] de 355 totales fijados globalmente, 250 por microorganismos y 5 por tormentas), ha permitido el incremento de productos agricolas, sosteniendo el incremento de la poblacion humana, lo cual seria literalmente imposible sin el uso de estos fertilizantes. Por otro lado, esta misma produccion ha desbalanceado notablemente el ciclo global (Gruber y Galloway, 2008). A continuacion se presentan los procesos en los cuales los microorganismos intervienen en las transformaciones de los compuestos nitrogenados dentro del ciclo del nitrogeno para su posible aplicacion a los ST relacionados con la remocion.

[FIGURA 1 OMITIR]

Procesos de transformacion en la actividad bacteriana

Alrededor del 12% del peso seco de las bacterias (biomasa) es contribucion del N (Madigan et al., 2004). Particularmente, las bacterias pueden realizar en su totalidad cada uno de los pasos en las transformaciones requeridas para completar y balancear el ciclo del N, ganando por su parte energia o biomasa en sus metabolismos. Warakomsky y otros en el 2007, presentan graficamente los procesos que se realizan a nivel de biosfera y sus interrelaciones (figura 1). Entre los procesos de transformacion posibles, estudiados hasta el momento, que realizan las bacterias, se describiran en forma general la fijacion, la asimilacion y la amonificacion, mientras la nitrificacion y la reduccion desasimilatoria del nitrato seran descritas en mayor detalle por su importancia en los ST.

1. La fijacion: es la utilizacion del [N.sub.2] como fuente directa de N para la sintesis celular. Aproximadamente 250 Tg N anuales son fijadas por estos microorganismos en la tierra y el oceano. En la busqueda de disminuir la aplicacion de fertilizantes, se han hecho nuevos descubrimientos en cuanto a generos de bacterias fijadoras, ejemplo de estos son las bacterias acido aceticas fijadoras de N, descritas por primera vez en Brasil en 1988. Varios otros generos de la misma familia han sido descritos posteriormente (Pedraza, 2008).

El proceso de conversion del [N.sub.2] a N[H.sub.3] tambien se realiza industrialmente con la implementacion del proceso Haber-Bosch a partir del ano 1910 (fijacion industrial o antropogenica).

2. Asimilacion o inmovilizacion del nitrogeno: proceso de utilizacion del N[H.sup.+.sub.4] o de Nr inorganico para la sintesis celular. La forma de N mas utilizada para asimilacion es el N[H.sup.+.sub.4], aunque las plantas tambien asimilan N[O.sup.-.sub.3] de acuerdo con su especie, teniendo diferentes preferencias en cuanto a la forma de N soluble que utilizan (Vymazal, 2007).

3. La amonificacion o mineralizacion: el N organico es biologicamente liberado como N[H.sup.+.sub.4], durante la hidrolizacion de nucleotidos y proteinas, catabolizado por organismos heterotrofos (Canfield et al., 2005). Algunos microorganismos pueden liberar diferentes enzimas como proteasas, nucleasas y ureasas que inician la degradacion de moleculas contenedoras de N, fuera de la celula (depolimerizacion), generando algunos monomeros que son llevados al interior y metabolizados a N[H.sup.+.sub.4] (Maier et al., 2000). Recientes estudios sobre mineralizacion indican que la utilizacion de monomeros no es exclusiva de los microorganismos, y que las plantas pueden utilizarlos directamente (Schimel y Bennett, 2004). Los procesos que se describiran a continuacion en forma mas detallada son los que intervienen directamente en las transformaciones del Nr dentro de las PT de ARD e industriales. A nivel global todos los procesos equilibran y regulan el ciclo del N.

Nitrificacion: la nitrificacion se divide en dos etapas, la primera esta definida por la oxidacion de N[H.sup.+.sub.4] a nitrito (N[O.sup.-.sub.2]) y se puede llamar "nitritacion". La segunda etapa definida por la oxidacion de N[O.sup.-.sub.2] a N[O.sup.-.sub.3], se denomina nitratacion, generalmente ocurren en la naturaleza en forma conjunta. Se prefiere hacer la diferenciacion debido a que los procesos pueden inducirse en forma aislada y ocurrir independientemente en los reactores (Dongen e et al., 2001).

Nitritacion N[H.sup.+.sub.4] a N[O.sup.-.sub.2]: es la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] a N[O.sup.-.sub.2] por bacterias nitrificantes via hidroxilamine. Al menos sesenta especies de dos generos pertenecientes a Betaproteobacteria, principalmente nitrosomonas y nitrosospira, son capaces de realizarlo (Yuan et al., 2008). Ocurre bajo condiciones aerobias y segun las siguientes reacciones (Craggs, 2005):

N[H.sup.+.sub.4] + 1/2 [O.sub.2] [flecha diestra] N[H.sub.2] OH + [H.sup.+] (1)

N[H.sub.2] + OH [O.sub.2] [flecha diestra] N[O.sup.-.sub.2] [H.sub.2]O + [H.sup.+] (2)

N[H.sup.+.sub.4] + 1.5 [O.sub.2] [flecha diestra] N[O.sup.-.sub.2] 2[H.sup.+] + [H.sup.2]O (3)

Catalizadas por la enzimas amonio monooxigenasa (1); hidroxilamina oxidoreductasa (2); O se puede expresar como una sola relacion estequiometrica (3). Estas reacciones son ejecutadas por bacterias quimiolitoautotrofas, que dependen totalmente de la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] para la generacion de energia y su crecimiento. Ocurre gran consumo de oxigeno, alrededor de 4,33 mg [O.sub.2] por cada mg de N[H.sup.+.sub.4] oxidado. Los dos protones de hidrogeno generados disminuyen el pH consumiendo alcalinidad y acidificando el medio. Las bacterias de nitritacion en esta etapa tienen un rendimiento de crecimiento bajo comparado con la cinetica de crecimiento de las bacterias nitratantes a temperaturas menores a 15[grados]C (Carrillo et al., 2000), cineticamente de gran importancia a la hora de separar los procesos.

Nitratacion N[O.sup.-.sub.2] a N[O.sup.-.sub.3]: Esta definida por la oxidacion de los N[O.sup.-.sub.2] para la obtencion de energia generando N[O.sup.-.sub.3] como producto final, utilizando Nitrato Dehidrogenasa como catalizador, segun la siguiente reaccion:

N[O.sup.-.sub.2] + 1/2 [O.sup.2] [flecha diestra] N[O.sup.-.sub.3] (4)

La oxidacion del N[O.sup.-.sub.2] puede ser realizada por cuatro generos de bacteria hasta ahora descritos: nitrobacter, nitrospina, nitrococcus y nitrospira (Yuan et al., 2008), quimiolitoautotrofos facultativos.

Reduccion desasimilatoria del N[O.sup.-.sub.3]: Consiste en la reduccion del N[O.sup.-.sub.3] que puede ser a [N.sub.2] o a N[H.sup.+.sub.4] (en todos los casos existe N[O.sup.-.sub.3] reduccion) y es realizada en dos pasos, el primero es obligado mientras que el segundo depende de la ruta metabolica, pudiendo ser: Desnitrificacion heterotrofa, Reduccion desasimilatoria del nitrito y Desnitrificacion autotrofa, como se muestra en la figura 2:

Desnitrificacion del N[O.sup.3]: es el proceso anaerobio de reduccion desasimilatoria del N[O.sup.-.sub.3] a N[O.sup.-.sub.2]; es catalizado por una enzima NADHdependiente nitrato reductasa, no asociada a la membrana, y es metabolizada por una gran cantidad de microorganismos. Practicamente todos los denitrificantes y nitrato amonizantes tienen la capacidad de reducir el N[O.sup.-.sub.3] a N[O.sub.2] y a su vez continuar metabolizando el N[O.sub.2] como se detalla a continuacion:

[FIGURA 2 OMITIR]

Desnitrificacion heterotrofa: es el proceso anaerobio de reduccion desasimilatoria del N[O.sup.-.sub.2] a [N.sub.2], en el cual los oxidos de nitrogeno intermedios sirven como aceptores terminales de electrones en procesos de respiracion. Los microorganismos que lo realizan son quimioheterotrofos, el proceso de reduccion ocurre entonces segun la ecuacion (5):

N[O.sup.-.sub.2] [flecha diestra] NO [N.sub.2]O [flecha diestra] [N.sub.2] (5)

N[O.sup.-.sub.3] [flecha diestra] 5[H.sub.2] + 2[H.sup.+] [flecha diestra] [N.sub.2] + 6[H.sub.2]O (6)

5C[H.sub.4] + 8N[O.sup.-.sub.3] [flecha diestra] 5C[O.sub.2] + 6[H.sub.2]O + 4[N.sub.2] + 80[H.sup.-] (7)

2N[O.sup.-.sub.2] + 6[H.sup.+] [flecha diestra] [N.sub.2] + 20[H.sup.-] + 2[H.sub.2]O (8)

La ultima etapa generalmente ocurre a menor velocidad de reaccion que las anteriores, lo que genera productos intermedios como en [N.sub.2]O. Las enzimas que intervienen en la reaccion en orden progresivo son: nitrito reductasa, oxido nitrico reductasa, oxido nitroso reductasa. La estequiometria de la reaccion completa se presenta en la ecuacion 6. Condiciones optimas para el proceso incluyen concentracion de OD menor a 1 mg [L.sup.-], temperaturas mayores a 10[grados]C y pH entre 7 y 8,5 (Craggs, 2005). Se incrementa la alcalinidad puesto que el proceso necesita los protones de hidrogeno para su ejecucion. Algunas investigaciones acerca del metano como fuente de carbono proponen la reaccion como muestra la ecuacion 7 (Modin et al., 2007). La desnitrificacion se puede realizar sin incluir denitritacion como muestra la reaccion 8, es una via que requiere menos donadores de electrones, en otras palabras, menos cantidad de compuestos organicos. Este proceso puede ser metabolizado por otros microorganismos heterotrofos aerobios, como la Thiosphaera pantotropha (Gupta, 1997), varias de sus enzimas han sido relacionadas con el proceso y aun esta en estudio su aplicabilidad a los ST de agua con relaciones C/N altas (Gupta y Gupta, 2000).

Nitrato amonificacion o reduccion desasimilatoria del nitrato a amonio. En la reduccion que ocurre al transformar el N[O.sup.-.sub.3] a N[H.sup.+.sub.4], se usan 8 electrones, lo que implica que mas materia organica puede ser oxidada por cada molecula de N[O.sup.-.sub.3], por las bacterias nitrato amonizantes que por las denitrificantes heterotrofas, en consecuencia, las primeras parecen ser mas eficientes en la produccion de energia (Vymazal, 2007). Las bacterias nitrato amonizantes son facultativas quimioheterotrofas y funcionan a muy bajas concentraciones de oxigeno disuelto. En este proceso, tambien llamado DNRA (por sus siglas en ingles: Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium), el N[O.sup.-.sub.3] es usado como el aceptor final de electrones para producir energia, que a su vez es utilizada en la oxidacion de compuestos organicos (Maier et al., 2000). La estequiometria de la reaccion se presenta en la ecuacion 9. El proceso se realiza luego de la denitritacion (la cual es la que produce energia) y consiste en la reduccion de N[O.sup.-.sub.2] a N[H.sup.+.sub.4];

N[O.sup.-.sub.3] + 4[H.sub.2] + 2[H.sup.+] [flecha diestra] N[H.sup.+.sub.4] + 3[H.sub.2]) (9)

no provee energia adicional pero cumple con otras funciones. Son propicios para su desarrollo los ambientes saturados y ricos en carbono, como en aguas estancadas y sedimentos con grandes cantidades de materia organica. La presencia de DNRA impide la conversion de N[O.sup.-.sub.3] y N[O.sup.-.sub.2] a [N.sub.2] por lo cual es considerado un corto circuito dentro del ciclo del N. La ruta que se debe seguir por el N[O.sup.-.sub.3] en su reduccion esta determinada por la relacion C/N, a valores bajos se favorece la acumulacion de N[O.sup.-.sub.2] y la desnitrificacion heterotrofa, mientras que a valores altos predomina la DNRA (Carrillo et al., 2000). Se ha observado que la ruta de reduccion del N[O.sup.-.sub.3] puede cambiar de acuerdo con la fuente reductora. Por ejemplo, en presencia de sustratos no fermentables la desnitrificacion a N[H.sup.+.sub.4] es la ruta principal.

Desnitrificacion autotrofa. Incluye ademas de los anammox la relacionada con algunos microorganismos quimioautotrofos oxidadores del azufre, como los thiobacillus denitrificans, los cuales son anaerobios facultativos y utilizan el N[O.sup.-.sub.3] como aceptor final de electrones (Maier et al., 2000). Se ha descrito que la nitrificacion y nitritacion tambien pueden ser metabolizadas por microorganismos heterotrofos como la Thiosphaera pantotropha (Gupta, 1997), aunque los mecanismos mediante los cuales se realizan estan actualmente en estudio (Craggs, 2005). Los procesos y metabolismos descritos son aplicados con exito, en trabajo conjunto de ingenieros y microbiologos, en sistemas de tratamiento avanzado para la remocion de nitrogeno, algunos ejemplos destacados de estas aplicaciones novedosas se describen a continuacion.

ST avanzado para la remocion del nitrogeno

Varios procesos microbiologicos dentro del ciclo del N han conducido a replantear y desarrollar nuevos ST, adaptandolas con ventaja a la remocion de contaminantes, especificamente en la remocion de N[H.sup.+.sub.4] y N[O.sup.-.sub.3], dos nutrientes que no han podido ser disminuidos en los efluentes de tratamientos convencionales al estandar de 10 mg N [L.sup.-] (Khin y Annchhatre, 2004). Un ejemplo de aplicabilidad novedosa de remocion de N[H.sup.+.sub.4] es el realizado en la linea secundaria de recirculacion de agua, resultante del tratamiento de lodos, la cual aumenta la carga de N en la linea principal de tratamiento en mas del 20% (Ahn y Choi, 2006), esta sublinea en particular contiene altas concentraciones de nutrientes y bajas concentraciones de carbono organico biodegradable, para lo cual es obvia la participacion de desnitrificacion autotrofa. La remocion de N[H.sup.+.sub.4] de las aguas residuales se ha realizado en forma tradicional usando nitrificacion y nitritacion aerobia hasta N[O.sup.-.sub.3], con altas demandas de aireacion, seguido de la denitritacion y desnitrificacion anaerobia con altas demandas de sustrato organico en reactores separados (Third et al., 2001) que han sido muy efectivas pero poco sostenibles. A continuacion se describen algunos procesos novedosos que de distintas formas han aprovechado las caracteristicas de las comunidades microbianas asociadas a metabolismos especificos.

Proceso anammox: oxidacion anaerobia del N[H.sup.+.sub.4]

Hasta 1995 el proceso de nitrificacion conocido se asociaba con el consumo de oxigeno, es decir, el N[H.sup.+.sub.4] se consideraba relativamente estable en condiciones anoxicas. Mulder et al. (1995), describieron por primera vez la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] en condiciones anaerobias, considerando el N[H.sup.+.sub.4] como donador de electrones y el N[O.sup.-.sub.3] como receptor final, a este proceso se le denomino Anammox por sus siglas en ingles (Ananerobic Ammonium Oxidation) (Graff et al., 1995; Mulder et al., 1995); posteriormente se observo que la clave para la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] era el N[O.sup.-.sub.2] como aceptor de electrones, y no el N[O.sup.-.sub.3]. Reportes iniciales de la actividad de los Anammox en el mar demuestran que son responsables del 67% de la produccion de [N.sub.2] a 700 m de profundidad, 24% a 380 m y 2% a 16 m (Dalsgaard et al., 2005). La contribucion del proceso Anammox a nivel del ciclo global del N se calcula entre el 30 y el 50% de la produccion total de [N.sub.2] especificamente en los sedimentos marinos (Francis et al., 2007; Jetten et al., 2004). Anammox es un metabolismo que consiste en la reduccion del N[O.sup.-.sub.2] acoplada a la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] (Schmid et al., 2005) para formar [N.sub.2]. El N[H.sup.+.sub.4] es oxidado por dos vias, primero el N[H.sup.+.sub.4] es oxidado hasta hidroxilamina el cual a su vez es oxidado a nitrito por la enzima hidroxilamine oxidoreductasa; segundo, el N[H.sub.3]+ y el N[O.sup.-.sub.2] son convertidos a [N.sub.2] (Ye y Thomas, 2001). Otros experimentos muestran que el N[O.sup.-.sub.2] es reducido a hidroxilamina y que de alguna manera esta ultima reacciona con el N[H.sup.+.sub.4], lo cual conduce a la produccion de [N.sub.2], con hidracina como intermediario (Jetten et al., 2001). Basada en el balance de masa de comunidades anammox enriquecidas, la estequiometria de la segunda reaccion es propuesta como se presenta en la ecuacion 10 (Dongen et al., 2001; Guven et al., 2005):

N[H.sup.+.sub.4] + 1.23N[O.sub.2] [flecha diestra] 1.02[N.sub.2] + 0.26N[O.sup.-sub.3] + 2[H.sub.2]O (10)

[5.sup.0] + N[O.sup.-.sub.3] + CaC[O.sub.2] [flecha diestra] CaS[O.sub.4] + [N.sub.2] (11)

Algunos estudios demuestran que el radio estequiometrico de consumo de N[H.sup.+.sub.4], yN[O.sup.-.sub.2] comparado con la produccion de N[O.sup.-.sub.3] es de 1:1.2:0.33 (Tsushima et al., 2007). Se han reconocido cuatro generos de bacterias que comparten esta fisiologia y morfologia, estos son: 1) Candidatus Brocadia, 2) Candidatus Kuenenia, 3) Scalindula, y 4) Anammoxglobus, pertenecientes al genero Planctomicetes (Francis et al., 2007; Yang et al., 2007). Estudios realizados demuestran que las bacterias anammox pueden usar algunos compuestos organicos como sustrato suplementario de carbono, aunque las mismas han sido descritas como quimiolitoautotrofas obligadas; en otro sentido, se ha observado que pueden ser inhibidas por algunos compuestos organicos como el metanol (Guven et al., 2005). Se ha experimentado con distintas configuraciones de reactores y se han tratado los efluentes de la digestion de lodos ricos en N[H.sup.+.sub.4], demostrando con exito la aplicabilidad del proceso en la remocion de N[H.sup.+.sub.4] y N[O.sup.-.sub.2]. Las comunidades Anammox en reactores simples controlados anaerobicamente han resultado muy eficientes cuando estos dos compuestos estan en concentraciones parecidas (Strous et al., 1997). La introduccion del proceso Anammox puede conducir a una reduccion de los costos operacionales de hasta un 90% (Jetten et al., 2004). Aunque las bacterias Anammox parecen capaces de oxidar el N[H.sup.+.sub.4] a N[O.sup.-.sub.2] via hidroxilamina en un primer paso, complementando la oxidacion del N[H.sup.+.sub.4] con el N[O.sup.-.sub.2] producido en un segundo paso, el proceso parece ser mas eficiente y aplicable cuando el N[O.sup.-.sub.2] es proporcionado por una fuente externa, como se observara en algunos de los ejemplos que se presentan. Futura investigacion debe conducirse a la mejor comprension de este fenomeno.

Proceso Sharon (por sus siglas en ingles, Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite Process): fue patentado y se basa en la nitrificacion (ecuacion [3.sup.-]) por microorganismos aerobios, y desnitrificacion (ecuacion 5) por microorganismos heterotrofos anaerobios facultativos, en donde la nitritacion y la denitritacion se inhiben en un reactor simple con elevadas temperaturas, aireacion limitada e intermitente, controlando el pH y anadiendo sustrato organico en la fase anoxica (generalmente metano) (Volcke et al., 2002). Estequiometricamente se representa como se muestra en la ecuacion 12:

2N[O.sup.-.sub.2] + 6[H.sup.+] [flecha diestra] [N.sub.2] + 20O[H.sup.-] + 2[H.sub.2]) (12)

Es el primer proceso exitoso en el cual la nitrificacion y la desnitrificacion hasta y desde N[O.sup.-.sub.2] respectivamente ha sido alcanzada en condiciones estables (Khin y Annchhatre, 2004). El proceso completo de Sharon logra un 25% menos de consumo de oxigeno, implicando 60% en ahorro de energia, reduce las emisiones de dioxido de carbono en un 20%, y reduce la produccion de lodos en nitrificacion y desnitrificacion en un 35 y 55 % respectivamente (Peng y Zhu, 2006).

Proceso combinado: nitrificacion parcial-Anammox: un ejemplo claro de aplicacion de metabolismos a la remocion de nitrogeno es el llamado Cannon (por sus siglas en ingles, Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite); el proceso utiliza un solo reactor, fue concebido con la idea de tratar altas concentraciones de N[H.sup.+.sub.4] (500-600 mg N [L.sup.-]) y poca o nada de materia organica biodegradable (Ahn y Choi, 2006). La completa remocion autotrofica incluye nitrificacion y oxidacion anaerobica del N[H.sup.+.sub.4], y requiere solo de un paso de limitacion de oxigeno para alcanzar este objetivo. Las reacciones que intervienen son las que se mostraron en la ecuacion 3 para la nitrificacion (controlada, hasta lograr una relacion N[O.sup.-.sub.2]/N[H.sup.+.sub.4] de 1,32) y 10 para la reaccion Anammox (Ahn y Choi, 2006). La interaccion de comunidades aerobias y anaerobias bajo condiciones de limitacion de oxigeno resultan en una completa conversion del N[H.sup.+.sub.4] a [N.sub.2] (Third et al., 2001). El proceso autotrofico consume 63% menos oxigeno y 100% menos agentes reductores organicos que el proceso tradicional de remocion de N, y ha reportado hasta 0,08 kg N/[m.sup.3]r/d de remocion (Sliekers et al., 2002). Se han realizado aplicaciones de Cannon en humedales construidos de flujo vertical a escala de laboratorio, reportando remociones de hasta 0,11 kg/m3r/d (Sun y Austin, 2007). Otro ejemplo de proceso combinado de nitrificacion parcial con Anammox es el realizado en dos reactores separados y en serie, como el llamado Sharon-Anammox, y consiste en la transformacion aerobica controlada del N[H.sup.+.sub.4] a N[O.sup.-.sub.2] hasta oxidar aproximadamente el 44% del N[H.sup.+.sub.4] en un reactor tipo Sharon para posteriormente, en un reactor sucesivo Anammox, ser denitrificado a [N.sub.2]. El proceso produce poco lodo y solo requiere el 40% de la energia de aireacion comparado con un proceso convencional de remocion de N (Hao e et al., 2002). La reaccion en el reactor Sharon se puede generalizar como se muestra en la ecuacion 13 (Khin y Annchhatre, 2004)

N[H.sup.+.sub.4] + HC[O.sub.2] + [0.750.sub.2] [flecha diestra] 0.5 N[O.sup.-.sub.2] + C[O.sub.2] + 1.5[H.sub.2]O (13)

La mayoria de estudios consultados a escala de laboratorio muestran el uso de monitoreo y control en linea de variables como el oxigeno disuelto, el pH y la produccion de gases (Keller et al., 2002). Ademas de proponer el uso de biosensores comerciales con los cuales los procesos de transformacion del N pueden ser monitoreados (Verstraete y Philips, 1998). Algunos mecanismos se han disenado y utilizado para determinar actividad nitrificante, como la adicion de nitrato de sodio para determinar la actividad de las bacterias oxidadoras de N[O.sup.-.sub.2], o la adicion de cloruro de amonio en el caso de la actividad de oxidadoras de N[H.sup.+.sub.4] y N[O.sup.-.sub.2] conjuntas, midiendo la tasa de utilizacion de oxigeno (Moussa et al., 2003). Metodos titulometricos con [H.sub.2][O.sub.2] y NaOH combinados con modelos de lodos activados permiten estimar las tasas de crecimiento especifico de bacterias oxidadoras de N[H.sup.-.sub.4] y N[O.sup.-.sub.2] (Munz et al., 2008). Sin embargo, su uso no se reporta claramente en las aplicaciones a escala real. Las plantas instaladas en el mundo (Holanda, Alemania, Estados Unidos, Brasil), se concentran en el tratamiento de AR de alta tasa, generalmente de origen municipal y agroindustrial. Los reportes de operacion senalan ventajas como disminucion en mas del 50% de [O.sub.2], y 25% de fuentes de carbono externo, comparado con los sistemas convencionales, asi como remociones entre 60 y 95% del nitrogeno de los efluentes con cargas contaminantes de mas de 1g N/L (Mulder et al., 2006; Jardin et al., 2006; Keeley, 2006; Abma et al., 2007). La biologia molecular y la biotecnologia ambiental pueden ayudar a identificar microorganismos funcionales, a caracterizar comunidades microbianas, y a desarrollar nuevos procesos de eliminacion del nitrogeno. Metodos como Fluorescence in situ, Hybridization (FISH), Confocal lasers scanning microscopy, uso de microelectrodos, y nitrogeno marcado, para la identificacion y estimacion de biomasa de comunidades no cultivables en ambientes naturales y artificiales, asi como la deteccion en linea, se usan en la investigacion a escala de laboratorio y piloto (Sanchez-Melsio et al., 2009, Date et al., 2009; Jaeschke et al., 2009; Xiao et al., 2009). El desafio principal en la aplicacion es el enriquecimiento de los microorganismos anaerobios capaces de oxidar el amoniaco con el nitrito como el aceptador de electrones y su cinetica de crecimiento. Una de las limitaciones reportadas son las temperaturas de mas de 30[grados]C, lo cual es una ventaja comparativa en el tropico.

Conclusiones

Todos los procesos descritos anteriormente son realizados por las bacterias y nos indican la estrategia que se debe seguir en la construccion de reactores eficientes, sostenibles y adaptables a las condiciones locales, mostrandonos avances en su entendimiento. Generalmente las comunidades microbianas que intervienen en los procesos del ciclo del N se encuentran interrelacionadas. De los planteamientos y el analisis de este articulo se deduce que las comunidades autotrofas denitrificantes son mixtas, y requieren de futura investigacion para mejorar su desarrollo en reactores biologicos. Es tambien destacable que las comunidades Anammox sobreviven y se desarrollan ampliamente a profundidades mayores de 600 m en el mar, entonces, ?sera importante ofrecerles condiciones de altas presiones o altas concentraciones de dioxido de carbono para su desarrollo potenciado dentro de los reactores? Finalmente, otro punto de interes particular es determinar experimentalmente si es posible la conversion del NH4- a [N.sub.2] por anammoxidantes, sin adicion externa de N[O.sup.-.sub.2] (directa o indirecta).

Recibido: febrero 8 de 2009 Aprobado: junio 30 de 2009

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Jaime Sanchez (1), Janeth Sanabria (2)process control: A review Environmental

(1) Magister en ciencias, ingeniero civil, profesor asistente, Universidad de los Andes, Merida, Venezuela. sjaime@ula.ve.

(2) Ph. D. Microbiologia, profesora asociada, Universidad del Valle, Santiago de Cali, Colombia. sanabria@univalle.edu.co
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Title Annotation:ARTICULO CORTO
Author:Sanchez, Jaime; Sanabria, Janeth
Publication:Revista Colombiana de Biotecnologia
Date:Jul 1, 2009
Words:6819
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