LA BIOPELÍCULA EN LOS PROCESOS RBC WELTER, Adriana Beatríz Farmacéutica - Universidad Católica de Córdoba (1978). Profesora de Enseñanza en Ciencias Químicas - Universidad Católica de Córdoba (1983). Máster en Atención Farmacéutica Comunitaria Universidad de Valencia, España (2000). Profesora Titular de Química Analítica, Facultad de Ciencias Químicas y en Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería. Ex profesor titular de Análisis de los Medicamentos, Facultad de Ciencias Químicas. Ex profesor titular de Tecnología de los Alimentos I, en la Maestría en Tecnología de los Alimentos, Facultad de Ciencias Químicas. Miembro Evaluador de Monografías ante el Ministerio de Salud de la Provincia de Córdoba - Agencia Córdoba Ciencia. Año 2004. Coordinadora de pasantías Universitarias entre la Cátedra de Química Analítica de la Facultad de Ciencias Químicas y el Centro de Investigaciones Hídricas de la Región semi-árida (CIHRSA). Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la Universidad Católica de Córdoba. ROMERO, José María Ingeniero Civil - Universidad Católica de Córdoba. Ingeniero Sanitario - Universidad Nacional de Buenos Aires. Profesor Titular de Ingeniería Sanitaria, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Córdoba. Miembro consultor de la Agencia Córdoba Ambiente. Profesor Full Time y Director del Proyecto Biodisco de Investigación Aplicada – UCC. GRUMELLI, Yanina Alejandra Bioquímica y Farmacéutica, expedido por la Universidad Católica de Córdoba. Jefe de Trabajos Prácticos de Parasitología, Facultad de Ciencias Químicas. Bioquímica de planta, Hospital Italiano. Maestrando en Tecnología de los Alimentos – UCC. Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la UCC. SANCHEZ, José Alberto Ingeniero Civil - Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Córdoba. Profesor Titular en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Córdoba. Investigación en modelos matemáticos hidrológicos e hidráulicos en el INCYTH-CIHRSA y en la Dir. Provincial de Hidráulica de la Prov. de Córdoba. Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la UCC. ASCAR, Graciela Inés Farmacéutica, expedido por la Universidad Católica de Córdoba (1989). Máster en Atención Farmacéutica Comunitaria, expedido por la Universidad de Valencia, España (2000). Profesora Titular de Farmacognosia, Facultad de Ciencias Químicas. Responsable a cargo de los análisis realizados por Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC). Jefe de Trabajos Prácticos de la Cátedra de Química Analítica de la Carrera de Ingeniería Industrial. Miembro Evaluador de Monografías ante el Ministerio de Salud de la Provincia de Córdoba, convocados por la Agencia Córdoba Ciencia. Año 2004. Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la UCC.

Universidad Católica de Córdoba, Campus Universitario, Facultad de Ingeniería. Camino a Alta Gracia Km 10 – 5000 – Córdoba. Tel – Fax: 0351-4938060 [email protected] PALABRAS CLAVES Biopelícula. Biodiscos. Microorganismos. Líquidos residuales. Tratamiento.

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RESUMEN El proceso denominado RBC (Rotating Biological Contactors) o "Biodisco" aplicable a líquidos residuales urbanos o industriales, es uno de los sistemas de tratamiento biológico aeróbico de cultivo fijo, donde los microorganismos se adhieren a la superficie de disco rotarios de material plástico, inerte, que actúan como soporte, formando una BIOPELÍCULA, componente fundamental en dicho proceso. El objetivo del presente trabajo es reunir, evaluar y discutir antecedentes bibliográficos y formular conclusiones a cerca de la BIOPELÍCULA. Su desarrollo contempla, la formación de la película biológica y su rol en el proceso, algunos modelos conceptuales acerca de la estructura, la composición microbiológica, la interacción entre los microorganismos y las propiedades físico-químicas de la misma y de los biosólidos sedimentables. Los modelos conceptuales acerca de la estructura de la biopelícula procuran explicar los mecanismos de circulación de líquidos en su interior, aspecto muy importante al momento de considerar las reacciones bioquímicas de transformación de la materia orgánica por acción de los microorganismos que forman la biopelícula Se estudia y analiza la tipificación microbiológica debido a que esta se modifica paulatinamente a medida que el líquido residual fluye a través del reactor. Se toman en consideración, además, otros factores como carga orgánica, carga hidráulica, disponibilidad de oxígeno, temperatura y pH debido, a la influencia que ejercen sobre la biopelícula, aspecto que resulta de gran importancia por su probable asociación a la composición química del afluente a tratar. Las propiedades físico-químicas tales como color, espesor, erosionabilidad, densidad y formación del glicocálix, se consideran por su importancia para la caracterización y predicción de la eficiencia de la biopelícula en la remoción de materia orgánica, relacionada con las características del líquido a tratar.

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INTRODUCCIÓN El sistema de cultivo fijo “Biodisco”, se diferencia de los procesos de cultivo suspendido como el de "Lodos Activados", ya que en los últimos los microorganismos se mantienen dispersos en el seno del líquido residual. El proceso se caracteriza por su alta eficiencia en la remoción de materia orgánica, como es el caso de líquidos cloacales y residuales orgánicos de origen industrial. En los Biodiscos se distinguen 3 (tres) componentes fundamentales (Figura Nº 1):

Figura Nº 1 – Esquema de Biodisco- Ignacio Codó (Tesis - UCC)

Cámara de fase líquida: cuba semicilíndrica en posición horizontal y sedimentador secundario. (1) Soporte: conjunto de discos de material plástico, unidos a un eje horizontal que produce el movimiento giratorio, permitiendo el contacto de los microorganismos adheridos a los mismos (biopelícula), alternativamente con el aire y el líquido residual que contiene materia orgánica, nutrientes y oxígeno disuelto. (2) Microorganismos: población microbiana, en forma de biopelícula, encargada de transformar o estabilizar la materia orgánica. El dispositivo consiste en una serie de discos rígidos y livianos de material plástico, muy próximos entre sí como soporte, presentando las ventaja de favorecer la producción de abundante biomasa por la gran superficie de contacto que se logra y minimizar el peso propio del soporte sobre el eje del (5) sistema rotativo. Según Cisneros Graña , para diámetros típicos (3 - 3,5 metros) la velocidad de giro debe oscilar entre 1-4 rpm, a 5 rpm se alcanza el máximo crítico, y comienza el desprendimiento de la biomasa activa (biosólido). La biomasa o cultivo, en un sistema de Biodiscos, se presenta principalmente bajo la forma de película biológica, y es uno de los elementos fundamentales en orden al funcionamiento y resultados del proceso. Pequeñas cantidades de biomasa pueden permanecer en suspensión en el líquido contenido en el reactor. VENTAJAS DEL SISTEMA RBC El sistema Biodisco presenta variadas y considerables ventajas sobre otros similares, entre las cuales se destacan:

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Alta eficiencia en la remoción de DBO5 (demanda bioquímica de oxígeno en los primeros 5 días) Sencillez operativa y constructiva. Bajo consumo de energía significativamente. Regulación de la tasa de aireación mediante variación de la velocidad de giro. Bajo requerimiento de espacio físico. Mínimo nivel de ruido. Fácil transportabilidad de los equipos. Minimización de las instalaciones de sedimentación secundaria por retención prolongada de los microorganismos en el soporte.

CONCEPTO DE BIOPELICULA Se detallan a continuación algunas caracterizaciones de biopelícula, que fueron seleccionadas por su consistencia para dar una idea clara del concepto y su aplicabilidad para el proceso: (7)

(1983) describen la biopelícula como un ensamblado de Eighmy, T.T; Maratea D. y Bishop P. L. bacterias que está adosada por un pegamento a una superficie húmeda por medio de una matriz extracelular de polisacáridos fibrosos. Esta matriz, llamada cápsula o glicocálix, es sintetizada por las bacterias y su función principal es sujetar las células adsorbidas al soporte. (12)

(1993) describe el biofilm como un entramado complejo de microorganismos Waleed Zahid dotados de sustancias poliméricas extracelulares. La distribución espacial de estos componentes principales dentro de la matriz del biofilm, así como sus propiedades (físicas, químicas y biológicas) influencian la actividad en el mismo y su relación con el ambiente acuoso inmediato. Además el biofilm es muy dinámico; su composición y características cambian en el tiempo. (6)

Según Costerton (1999), los biofilms son comunidades bacterianas englobadas en una matriz de exopolisacáridos producida por las bacterias y adheridas a una superficie viva o inerte. En la naturaleza constituyen un modo de crecimiento protegido que permite la supervivencia de las bacterias en un medio hostil. Las estructuras que forman estas microcolonias contienen canales por los que circulan los nutrientes. (8)

(2001) describe la biopelícula o biofilm, Lewandowski et al, (1994), citado por Gálvez Rodríguez como una estructura compleja formada por agregados celulares (grupos de células densamente empaquetados) y huecos intersticiales, adherida a un material que puede ser de origen natural o sintético. Su estructura es morfológica y fisiológicamente distinta a la de bacterias libres, utilizándose incluso mediadores químicos intercelulares para desarrollar la película (Davies et al, 1998; de Beer et al, 1996). FORMACIÓN DE LA BIOPELICULA (3)

para la formación de biopelícula. La Existen varias teorías citadas por Barros de Macedo, J. A. primera fue descripta por Marshal , Stout, et al. (1971), y resalta que la adhesión es un proceso que ocurre en dos fases: La primer fase es reversible, en función del proceso de adhesión de los microorganismos a la superficie que ocurre por fuerzas Van der Waals y atracciones electrostáticas. La segunda fase, ocurre con la interacción física de las células a la superficie por medio de material extracelular de naturaleza polisarídica o proteica producida por las bacterias, esta se denomina matriz de glicocálix, y soporta la formación de la biopelicula. El glicocalix, (Figura Nº 2) es producido después del proceso de adhesión superficial, y va a favorecer las condiciones de adhesión de los peptidoglicanos de las bacteria Gram positiva.

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Glicocalix

Citoplasma

Núcleo

Membrana Plasmática

Figura Nº 2 Glicocalix - Alberts, Bruce(1)

Otra teoría citada por el mismo autor, descripta por Duddridge – Pritchard, (1983) sugiere para la formación de biopelículas, 5 (cinco) etapas que esquemáticamente pueden ser colocadas en el siguiente orden: • • • • •

Acondicionamiento de la superficie por adsorción de materia orgánica. Transporte de células y nutrientes al sitio de adherencia. Inicio del proceso de adhesión bacteriana, todavía reversible, por atracción electrostática. Crecimiento celular, colonización y adhesión irreversible. La biopelícula presenta alta actividad metabólica y liberación de células localizadas en la periferia. (3)

cita además la teoría propuesta por Notermans, Dormans, et al (1991), Barros de Macedo, J. A. que describe la formación de la biopelicula en 3 (tres) etapas, esquematizada en la (Figura Nº 3) Fijación de las bacterias. Consolidación de las bacterias a la superficie. Colonización y crecimiento de las bacterias. En la etapa de consolidación, ocurre la producción de material extracelular que facilita la fijación de los microorganismos.

FORMACIÓN DE LA BIOPELÍCULA Adsorción Reversible

Adsorción Irreversible

Crecimiento

Material de soporte Figura Nº 3 – Formación de la Biopelicula - Barros de Macedo (5)

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Otros factores que incide en la adhesión de un microorganismo a determinada superficie, es la naturaleza del soporte, principalmente: Balance entre cargas eléctricas resultantes en la superficie. Rugosidad superficial. MODELOS CONCEPTUALES DE LA ESTRUCTURA DE LA BIOPELÍCULA (8)

en su tesis doctoral cita modelos conceptuales descriptos por distintos Gálvez Rodriguez, J. M. investigadores a cerca del desarrollo y la estructura de la biopelicula. Modelo del canal de agua En este modelo, después del periodo de colonización en la superficie del soporte, las células sufren cambios fenotípicos y producen, entre otras moléculas estructurales, exopolisacáridos (EPS). En determinados casos, algunas poblaciones bacterianas adheridas, constituyen estructuras en forma de cono formando una biomasa filamentosa que soporta multitud de microcolonias (Okabe et al, 1998). Esta fusión microorganismo-EPS deja una red de canales de agua que llega hasta la base de la biopelícula (Figura Nº 4). La importancia de estos canales se ha llegado a comparar al sistema circulatorio de un organismo superior, por su estructura, grado de homeostasis, relación espacial óptima con los organismos que conviven y el intercambio de nutrientes y metabolitos entre la comunidad y la fase fluida (Wimpenny y Colasanti, 1997).

Figura Nº 4 – Modelo del Canal de Agua - Galvez Rodriguez, J. M. (8)

Modelo del mosaico heterogéneo Este modelo es típico de los sistemas de distribución de agua. Es un caso extremo del modelo del canal de agua. Consiste en microcolonias formando tallos unidos al soporte por la base pero generalmente bien separados de sus vecinos. Usualmente también puede haber una base muy fina de células individuales unidas a la superficie formando un film de 5µm de espesor. La diferencia con el modelo de canales es que en este caso debido a la separación entre las torres microbianas no se llegan a formar los canales. (Figura Nº 5)

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Figura Nº 5 – Modelo del Mosaico Heterogéneo - Galvez Rodriguez, J. M. (8)

Modelo de película densa Su estructura no tiene canales de agua y presenta escasa. Hay, sin embargo, alguna organización estructural. Incluye numerosas colonias del mismo tipo de bacteria. Además hay ejemplos de asociaciones específicas. (Figura Nº 6)

Figura Nº 6 – Modelo de Película Densa - Galvez Rodriguez, J. M.

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Según el mencionado autor, en estos modelos parece que hay alguna relación entre la estructura y la concentración de sustrato presente. En el caso del mosaico heterogéneo la concentración de nutrientes es mínima (