Estudio fisiológico y poblacional de la metanogénesis del 2-clorofenol (2CP) en un reactor anaerobio de lote secuenciado (ASBR) - Beristain Montiel, Lizeth Maribel (Universidad Autónoma Metropolitana, 2011)
El presente trabajo pretende contribuir al estudio de la eliminación del 2-clorofenol (2CP) bajo condiciones anaerobias metanogénicas, así como al entendimiento de las interacciones entre las respuestas fisiológicas dentro de un consorcio anaerobio metanogénico y la estructura de la comunidad microbiana presente. El trabajo se dividió en tres partes. En la primera se evaluó en cultivos en lote i) el efecto de utilizar como inóculo lodo metanogénico con diferentes periodos de contacto previo al 2CP, ii) la adición de acetato y fenol como donador de electrones en relación estequimiométrica con el 2CP, iii) el efecto de la presencia de diferentes concentraciones iniciales de oxígeno. La segunda parte se enfocó en el estudio del proceso respiratorio metanogénico del 2CP y en las caracteristicas de sedimentación del lodo en dos reactores anaerobios de lote secuenciado (ASBR). En la tercera parte se evaluó la relación del proceso respiratorio del 2CP y la estructura molecular de las comunidades microbianas de arqueas y bacterias presentes en los cultivos mediante separación de DNA por electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE). En los cultivos en lote, se observó la reducción en la fase de retardo de hasta el 62.5% con un concomitante incremento del 114% en la velocidad especifica de consumo (q2CP) al utilizar como inóculo un lodo con un tiempo de contacto previo al 2CP de 80 días. Cuando se evaluó el efecto de la adición de un donador de electrones se encontró que la utilización de acetato no favoreció el consumo del 2CP, en contraste, la adición de fenol resultó en un incremento del 46% en la velocidad específica de consumo de 2CP. No se observaron diferencias significativas durante la evaluación de la adición de diferentes concentraciones de oxígeno en las velocidades específicas de consumo y eficiencias de consumo de 2CP. El presente trabajo pretende contribuir al estudio de la eliminación del 2-clorofenol (2CP) bajo condiciones anaerobias metanogénicas, así como al entendimiento de las interacciones entre las respuestas fisiológicas dentro de un consorcio anaerobio metanogénico y la estructura de la comunidad microbiana presente. El trabajo se dividió en tres partes. En la primera se evaluó en cultivos en lote i) el efecto de utilizar como inóculo lodo metanogénico con diferentes periodos de contacto previo al 2CP, ii) la adición de acetato y fenol como donador de electrones en relación estequimiométrica con el 2CP, iii) el efecto de la presencia de diferentes concentraciones iniciales de oxígeno. La segunda parte se enfocó en el estudio del proceso respiratorio metanogénico del 2CP y en las caracteristicas de sedimentación del lodo en dos reactores anaerobios de lote secuenciado (ASBR). En la tercera parte se evaluó la relación del proceso respiratorio del 2CP y la estructura molecular de las comunidades microbianas de arqueas y bacterias presentes en los cultivos mediante separación de DNA por electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE). En los cultivos en lote, se observó la reducción en la fase de retardo de hasta el 62.5% con un concomitante incremento del 114% en la velocidad especifica de consumo (q2CP) al utilizar como inóculo un lodo con un tiempo de contacto previo al 2CP de 80 días. Cuando se evaluó el efecto de la adición de un donador de electrones se encontró que la utilización de acetato no favoreció el consumo del 2CP, en contraste, la adición de fenol resultó en un incremento del 46% en la velocidad específica de consumo de 2CP. No se observaron diferencias significativas durante la evaluación de la adición de diferentes concentraciones de oxígeno en las velocidades específicas de consumo y eficiencias de consumo de 2CP. rendimientos podría estar asociada a la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV) la cual únicamente se presentó a la última concentración. Se obtuvieron valores de IVL entre 35 y 105±5 mL/g, en todas las concentraciones evaluadas en el reactor ASBRA, estos valores reflejan la buena capacidad de sedimentación del lodo. El reactor ASBRB tuvo el mismo comportamiento sin embargo, cuando se aumentó la concentración a 140 y 196 mg C-2CP/L se observó un incremento significativo en los valores del IVL, provocando problemas en la sedimentabilidad del lodo. Los resultados obtenidos en este apartado dan evidencia de que el utilizar un reactor ASBBR puede ser una atractiva herramienta para el tratamiento de compuestos aromáticos debido a que el periodo de aclimatación necesario es corto. Ademas se encontró que el consumo del 2CP puede llevarse a cabo satisfactoriamente sin la adición de un donador de electrones, aunado a esto un reactor ASBR puede ser utilizado satisfactoriamente para el tratamiento de hasta 280 mg C-compuesto aromático/L. El análisis de las secuencias del gen 16S DNAr de ambos reactores, mostró la presencia de bacterias asociadas con P. putida, P. mendocina, U. Caulobacter, R. lindaniclasticus y Uncultured Cloroflexi bacterium durante la operación de ambos reactores. Se sugiere que la presencia y permanencia de algunas de estas bacterias puede estar relacionada con la deshalogenación del 2CP así como con el consumo de intermediarios producidos. Las altas E2CP en todas las concentraciones evaluadas pueden estar relacionadas con el equilibrio en las poblaciones microbianas presentes en ambos reactores reflejado en el índice J= 0.97±0.2. Por otro lado el decremento en las q2CP puede estar asociado con el decremento en las poblaciones reflejado en el índice ecológico S. La acumulación de fenol y AGV observada puede estar asociada con la ausencia de bandas relacionadas con Caulobacter y Bacillus. La disminución en los rendimientos de producción de biogás mencionada anteriormente, puede estar asociada con (i) la disminución o ausencia de bacterias fermentativas o acetogénicas,(ii) la ausencia de sustratos necesarios para la metanogénesis, y (iii) la eventual disminución de las poblaciones metanogénicas reflejados en los índice S y J.; This work aims to contribute to the study of the elimination of 2-chlorophenol (2CP) under anaerobic methanogenic conditions, as well as the understanding of the interactions between physiological responses in a methanogenic consortium and the structure of the microbial community present. The work was divided into three parts. The first was focused on evaluating in batch cultures the effect of: (i) the use of sludge with different periods of previous contact to 2CP, (ii) the electron donor addition in stoichiometric relation with 2CP and (iii) the presence of different initial oxygen concentrations. The second part was focused on the study of the respiratory process of 2CP and settling characteristics of sludge in two sequencing batch anaerobic reactors (ASBR). In the third part was assessed the relationship of the respiratory process of 2CP and molecular structure of microbial communities of archaea and bacteria in the cultures by electrophoresis in denaturing gradient gel (DGGE). In batch cultures, when compared with the control, 50 and 80 days of previous contact to 2CP resulted in a lag phase reduction of 57% and an increased in 2CP specific consumption rate (q2CP) of 114%.When we evaluated the effect of the addition of an electron donor was found that the use of acetate did not favor the consumption of 2CP, in contrast, the phenol addition resulted in a 46% increase in the specific rate of consumption of 2CP. No significant differences were observed during the evaluation of the addition of different concentrations of oxygen in the specific consumption rates and efficiencies of 2CP consumption. However, when the inoculum used was sludge with 80 days of contact prior to 2CP and oxygen, were observed increases up to 73% in q2CP. Thus, the increase in q2CP values obtained might be due to the sludge exposure to 2CP rather than oxygen addition. Therefore, the use of sludge with a previous contact to 2CP resulted to be a key parameter for enhancing 2CP specific consumption rate. Two reactors were set up (ASBRA and ASBRB). The ASBRA was fed with 2CP as the sole source of carbon and energy, while the ASBRB reactor was fed with a mixture of 2CP and phenol as electron donor. Were assessed the following 2CP concentrations (mg C/ L): 28, 42, 56, 84, 112, 140 and 196 in both reactors. In the ASBRB were evaluated the following phenol concentrations (mg C/L): 28, 42, 56, 84, 112, 140 and 196. Both reactors showed a similar behavior in the 2CP consumption and in the values of the response variables. Consumption efficiencies (90 ± 0.4%) were constant at all concentrations tested. The specific consumption rates showed an increase of five times when were assessed the experimental concentrations of 28 to 112 mg 2CP-C/L. In contrast, when were evaluated experimental concentrations of 140 and 196 mg C-2CP / L was presented a decrease of 37% and 72% respectively. The biogas yields (Ybiogas-C/2CP-C = 0.8 ± 0.04) were constant from 28 mg 2CP-C/L to 140 mg 2CP-C/L, however when was assessing 196 mg 2CP-C/L was observed a decrease of 78 ± 3% in biogas yields in both reactors. The decrease in biogas yields could be associated with the accumulation of volatile fatty acids (VFA), which is only presented to the last concentration. SVI values between 35 and 105 ± 5 mL/g were obtained at all concentrations tested in the reactor ASBRA, these values reflect the good settling characteristics of sludge. However, sludge flotation was observed in ASBRB reactor when 140 mg 2CP-C/L and 196 mg 2CP-C/L were assayed. At these conditions SVI values were ≥135±5 mL/g. The use of an ASBR reactor can be an attractive tool for the treatment of aromatic compounds due to the sludge acclimation period is shorter. The 2CP consumption can also be carried out without the addition of an electron donor. This type of reactor could be successfully used for the treatment of up to 140 mg C-2CP compound/L and 140 mg C-fenol/L. Analysis of the 16S rDNA gene sequences of both reactors showed the presence of bacteria associated with P. putida, P. Mendocina, U. Caulobacter, Uncultured bacterium Cloroflexi and R. lindaniclasticus during the operation of both reactors. It may suggest that the presence and permanence of some of these bacteria may be related to the dehalogenation of 2CP as well as intermediate consumption produced. The high consumption efficiency (90%), at all concentration tested may be related with the evenness of microbial populations (J index =0.97 ± 0.2) present in both reactors. On the other hand, the decrease in the q2CP may be associated with the decrease in population reflected in the ecological index S. The accumulation of phenol and VFA observed at 196 mg 2CP-C/L, could be linked to the absence of bands related to Caulobacter and Bacillus. The decrease in biogas production yields mentioned above, might be linked with (i)the absence of fermentative or acetogenic bacteria, (ii) the absence of substrates for conducting methanogenesis and (iii) the eventually declination of methanogenic populations (decrease of S and J indices.