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Ciencias marinas
versión impresa ISSN 0185-3880
Cienc. mar vol.47 no.2 Ensenada abr./jun. 2021 Epub 02-Dic-2022
https://doi.org/10.7773/cm.v47i2.3138
Articulos
Producción de metabolitos de Scenedesmus sp. y un consorcio microalgal cultivados en medios no convencionales
1Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología-Instituto Politécnico Nacional, Av. Acueducto s/n, Col. Barrio la Laguna Ticomán, 07340, Mexico City, Mexico
Se comparó el crecimiento de un consorcio de microalgas y de Scenedesmus sp. cultivados en aguas residuales tratadas (ART) enriquecidas con 1 mL·L-1 de fertilizante Bayfolan Forte (MB), ART enriquecidas con (NH4)2HPO4 (MPA), ART enriquecidas con NH4HCO3 (MBCA), agua del grifo con aguas residuales porcinas (MEP), agua del grifo con digestato de aguas residuales porcinas (MDP) y aguas residuales sin tratar (AR). El contenido de nitrógeno (N) de los medios, excepto el medio AR, se ajustó a 80 mg·L-1 de N (NH4 +-N y NO3 --N). Los medios no convencionales con menor contenido de nutrientes y costo (MB y AR) presentaron buenas producciones de biomas y lípidos. MEP fue el medio más ventajoso al presentar la mayor productividad de biomasa con el consorcio (191.25 ± 6.25 g·L-1·d-1) y una productividad de lípidos de 36.75 ± 9.90 mg·L-1·d-1. El perfil de ácidos grasos estuvo constituido principalmente de C16 y C18. MPA, MEP y MDP mostraron una mayor proporción de ácidos grasos saturados (60%-69%), mientras que la composición de los ácidos grasos insaturados osciló entre 31% y 38%. En MEP y MDP, la eliminación de NH4 + fue del 100%; sin embargo, hubo pérdidas de NH4 + debido al arrastre por aire (46%). Los medios no convencionales, específicamente las AR, son una opción para el cultivo de microalgas.
Palabras clave: fertilizante; consorcio de microalgas-bacterias; Scenedesmus sp.; aguas residuales
Growth comparisons were made between a microalgal consortium and Scenedesmus sp. cultivated in treated wastewater (TWw) enriched with 1 mL·L-1 Bayfolan Forte fertilizer (BM), TWw enriched with (NH4)2HPO4 (PAM), TWw enriched with NH4HCO3 (BCAM), tap water with piggery wastewater (PEM), tap water with piggery wastewater digestate (PDM), and raw wastewater (Ww). Nitrogen (N) content in the media, except for TWw, was adjusted to 80 mg·L-1 N (NH4 +-N and NO3 --N). Unconventional low-cost media with lower nutrient contents (BM and TWw) showed adequate productions of biomass and lipids. PEM was the most advantageous medium, showing the highest biomass productivity with the consortium (191.25 ± 6.25 g·L-1·d-1) and a lipid productivity of 36.75 ± 9.90 mg·L-1·d-1. The fatty acid profile was composed mainly of C16 and C18. PAM, PEM, and PDM showed a higher proportion of saturated fatty acids (60%-69%), whereas the composition of unsaturated fatty acids was in the range of 31% to 38%. In PEM and PDM the removal of NH4 + was 100%; however, there were NH4 + losses (as NH3) due to volatilization (46%). Unconventional media, especially Ww, are an option for growing microalgae.
Key words: fertilizer; microalgae-bacteria consortium; Scenedesmus sp.; wastewater
Introducción
La producción de biocombustibles a partir de microalgas es prometedora, debido a que las microalgas no compiten por cultivos alimenticios ni por tierras arables, presentan altas tasas de crecimiento y son capaces de fijar CO2 mediante fotosíntesis y liberar O2 a la atmósfera. El nitrógeno (N) es un nutriente clave para el crecimiento y la composición bioquímica de las microalgas, y la acumulación de lípidos y carbohidratos aumenta en condiciones de limitación de N (Liu et al. 2017, Huy et al. 2018).
Uno de los principales problemas en la producción a gran escala de biomasa microalgal es el suministro de N y fósforo (P). Los fertilizantes de N requieren de una enorme cantidad de energía fósil (Metz et al. 2007), el principal contribuyente a la huella de carbono (Hillier et al. 2009). Asimismo, el uso de fertilizantes para el cultivo de microalgas compite con su utilización en la agricultura (Chisti 2013). Uno de los obstáculos para la producción de microalgas a gran escala con fines energéticos sigue siendo el alto costo de producción, especialmente la disponibilidad y el costo de la materia prima (Acién et al. 2012).
Se ha propuesto la utilización de fertilizantes orgánicos como excretas animales, lodos de aguas residuales y digestatos anaerobios con alto contenido de nutrientes como una alternativa económica para el cultivo de microalgas (Nayak et al. 2016, Wang et al. 2016a, El Shimi y Moustafa 2017, Liu et al. 2017, Huy et al. 2018). La utilización de aguas residuales (Gonçalves et al. 2017, Ho et al. 2019, Rodríguez-Mata et al. 2019) y aguas residuales enriquecidas con fertilizantes inorgánicos, compuestos por N, P y potasio (K), es una alternativa económica para el cultivo a gran escala (Nayak et al. 2016).
Las microalgas pueden remover N y P de las aguas residuales municipales hasta dejar concentraciones muy bajas, al tiempo que convierten estos nutrientes en biomasa (Boelee et al. 2011). Los géneros de microalgas Chlorella y Scenedesmus son los más estudiados en cuanto a su cultivo en aguas residuales, particularmente las especies Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliquus (Park et al. 2010, Ji et al. 2013, Xu et al. 2015, Wang et al. 2016b). Scenedesmus obliquus se ha utilizado para el tratamiento de aguas residuales y la obtención de biomasa en fotobiorreactores de columna de burbujeo. El cultivo de esta especie en un medio suplementado con 40% de efluente de aguas residuales de porqueriza mostró productividad de biomasa y lípidos de 15.5 y 0.13 mg·L-1·d-1, respectivamente, y se observó una remoción de 96.1 mg de N total y 2.48 mg de P total (Ji et al. 2013). La remoción del 79% de NH4 + y 43% de PO4 3- de una mezcla de aguas residuales (contenido de 145.2 mg·L-1 de NH4 + y 21.1 mg·L-1 de PO4 3-) y 7% de lixiviado de relleno se logró con S. obliquus, que acumuló del 12% al 16% de lípidos en las células (Hernández-García et al. 2019). Al cultivar Scenedesmus sp. AMDD en aguas residuales municipales tratadas en quimiostatos con diferentes tasas de dilución o tiempos de retención hidráulica, la composición de la biomasa estuvo fuertemente relacionada con la tasa de eliminación de los nutrientes de las aguas residuales, y los ácidos grasos totales solo se acumularon cuando las tasas de crecimiento fueron muy bajas o cuando se impuso un régimen prolongado de privación de nutrientes (Dickinson et al. 2013). La producción de microalgas utilizando aguas residuales con tratamiento secundario permite disminuir los costos del proceso, al minimizar la utilización de agua dulce y fertilizantes, y contribuye al proceso de purificación del agua, lo que mejora, en gran medida, la sostenibilidad del proceso (Gómez et al. 2013).
El presente trabajo compara el efecto de 6 medios no convencionales (3 inorgánicos y 3 orgánicos), algunos de ellos utilizados y comparados por primera vez, sobre el crecimiento y la productividad de un consorcio de microalgas y Scenedesmus sp., y propone diferentes medios para escalar el cultivo de microalgas de forma sostenible.
Materiales y métodos
Pretratamiento y caracterización de aguas tratadas, aguas residuales y aguas residuales porcinas
Las aguas residuales sin tratar (AR) y las aguas residuales tratadas secundarias (ART) se obtuvieron de la planta de tratamiento San Juan Ixhuatepec ubicada en Tlalnepantla, México (19º31′13.8′′ N, 99º07′27.8′′ W). Las AR y las ART no se filtraron ni esterilizaron. Las aguas residuales porcinas y los digestatos de aguas residuales porcinas se obtuvieron de la Productora Porcina Nopaltepec, ubicada en Nopaltepec, México (19º47′03.5′′ N, 98º43′41.6′′ W). Tanto las aguas residuales porcinas como los digestatos de aguas residuales porcinas se centrifugaron a 6,000 rpm/5 min para eliminar los sólidos, y se utilizó el sobrenadante como sustrato. Las composiciones de ART, aguas residuales porcinas, digestato de aguas residuales porcinas y Bayfolan empleadas para la preparación de los medios de cultivo se describen en la Tabla 1.
Tabla 1 Composición de las aguas residuales, las aguas residuales tratadas, las aguas residuales porcinas y el medio Bayfolan utilizados para la formulación de los medios de cultivo. Los datos se presentan como la media y el error estándar.
| Parameter | TWw (mg·L-1) | Ww (mg·L-1) | PEM (mg·L-1) | PDM (mg·L-1) | BM (g·L-1) |
| N-NH4 + | 3.10 ± 0.14 | 37.53 ± 0.18 | 2,605.80 ± 67.26 | 1,540.82 ± 43.49 | 44.75 ± 0.30 |
| N-NO3 - | 6.10 ± 0.46 | 0.20 ± 0.06 | 7.82 ± 2.72 | 25.95 ± 4.63 | 14.41 ± 0.73 |
| PO4 3- | 15.81 ± 0.05 | 15.45 ± 0.18 | 851.28 ± 0.61 | 259.30 ± 5.22 | 10.60 ± 0.17 |
| COD | 17.00 ± 4.15 | 239.00 ± 5.50 | 16,877.30 ± 397.61 | 2,368.67 ± 186.23 | 92.36 ± 1.67 |
| TSS | 0.00 ± 0.00 | 198.00 ± 14.00 | 50,000.80 ± 560.32 | 3,000.50 ± 420.25 | 0.00 ± 0.00 |
| pH | 7.80 | 8.42 | 7.13 | 8.22 | 7.01 |
TWw, treated wastewater; Ww, raw wastewater; PEM, tap water with 23.5% of piggery wastewater; PDM, tap water with 39.75% of piggery wastewater digestate; BM, Bayfolan medium formulated with 1 mL of Bayfolan Forte per liter of TWw; COD, chemical oxygen demand; TSS, total suspended solids.
Medios de cultivo
Los 6 medios propuestos en este trabajo y utilizados para los cultivos fueron (1) medio Bayfolan (MB), formulado con 1 mL de Bayfolan Forte por litro de ART; (2) ART enriquecidas con 0.3303 g·L-1 de (NH4)2HPO4 (MPA); (3) ART suplementadas con 0.1977 g·L-1 de NH4HCO3 (MBCA); (4) agua del grifo con 23.5% de aguas residuales porcinas (MEP); (5) agua del grifo con 39.75% de digestatos de aguas residuales porcinas (MDP); y (6) AR. El contenido de N en MB, MPA y MBCA se ajustó a 80 mg·L-1 de N (NH4 +-N y NO3 --N), según medios convencionales BBM y BG 11 con 500 mg·L-1 de nitrato de sodio. Las fuentes de N para MBCA y MPA se eligieron en función de su disponibilidad en el mercado, y NH4HCO3 y (NH4)2HPO4 sirvieron como fuentes de carbono (C) y P, respectivamente. Para los medios MEP y MDP, se usó agua del grifo tratada en una planta de purificación en lugar de AR o ART porque cuando se escalan a 2,000 L o más, el transporte de agua desde la planta de tratamiento más cercana implica problemas logísticos y mayores costos operativos. Las aguas residuales y el digestato de aguas residuales porcinas fueron seleccionados por su alto contenido de NH4 + (Hu et al. 2013, Luo et al. 2016) y bajo costo.
Microorganismos y condiciones de precultivo
La microalga Scenedesmus sp. se obtuvo de la colección de microalgas del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California, México. El consorcio de microalgas se obtuvo a partir de agua tratada, y estuvo compuesto, principalmente, por Scenedesmus sp. y Chlorella sp. Este consorcio se obtuvo cultivando la microflora nativa del agua tratada de la planta en un fotobiorreactor de 1 L en las condiciones que se describen a continuación. El cultivo se mantuvo y reinoculó en agua tratada. Los cultivos se realizaron en fotobiorreactores cilíndricos de 1 L (101 mm de diámetro × 203 mm de altura), con volumen de trabajo de 0.9 L, iluminados de un lado por lámparas fluorescentes de luz fría (127 μE·m-2·s-1) en fotoperiodo de 12:12 (luz:oscuridad), con aireación de 0.4 vvm y una temperatura de 24 ± 1 ºC. Las pérdidas de agua por evaporación se restituyeron diariamente adicionando agua destilada estéril.
Antes de la experimentación, el consorcio y Scenedesmus sp. se cultivaron en los 6 medios. Para sincronizar los precultivos, se realizaron 3 cultivos consecutivos durante 13 d cada uno, y el último se utilizó como inóculo de los experimentos. Todos los preinóculos se ajustaron a una densidad óptica de 0.8 (600 nm), y todos los fotobiorreactores se inocularon al 10%, con el preinóculo correspondiente.
Condiciones de cultivo
Las microalgas se cultivaron durante 13 d en MB, MPA, MBCA y AR. En MEP y MDP se cultivaron durante 8 d debido a que crecieron más rápido en estos medios. Cada 3 d se determinó el contenido de NH4 +, PO4 3- y NO3 - en el sobrenadante y la producción de biomasa, carbohidratos y proteínas; los pigmentos, los lípidos y el perfil lipídico se determinaron al final del cultivo. Adicionalmente, se determinó la demanda química de oxígeno (DQO) al inicio y al final de los cultivos en MEP y MDP. Las pérdidas de NH4 + por volatilización (como NH3) en MEP y MDP se cuantificaron pasando la corriente de gas de la salida de los fotobiorreactores a través de una solución 0.5 M de H2SO4, y el NH3 disuelto se determinó por el método colorimétrico (APHA 1998).
Métodos analíticos
Determinación de biomasa, metabolitos y composición de los medios
La biomasa se determinó por absorbancia a 750 y 600 nm con un espectrofotómetro (DR3000 UV/Vis, HACH; EUA). La biomasa (con base en el peso seco) se determinó en una termobalanza analizadora de humedad utilizando una membrana de microfibras de vidrio (Ahlstrom, 4.7 cm de diámetro, 1.1 µm de tamaño de poro). El recuento de células se realizó utilizando una cámara de Neubauer. El contenido de proteínas se determinó siguiendo el método de Lowry (Lowry et al. 1951); el de carbohidratos, mediante el método de Dubois (DuBois et al. 1956); y el de los pigmentos, mediante el método de Wellburn (Ritchie 2006). El NH4 +, PO4 3- y DQO se determinaron siguiendo los métodos de APHA (1998), y los sólidos suspendidos totales se midieron de acuerdo con los métodos estándar (APHA 2005). El NO3 - se analizó de acuerdo con el método modificado reportado por Keeney y Nelson (1982).
Determinación de lípidos y ésteres metílicos de ácidos grasos
La extracción de lípidos se realizó según lo descrito por Ramírez-López et al. (2016). La composición de los ésteres metílicos de ácidos grasos (EMAG) se determinó en un cromatógrafo de gases Agilent (Technologies 7890B; Santa Clara, CA, EUA) acoplado a espectrometría de masas (Sistema GC/MSD Agilent Technologies 5977A Series; Santa Clara, CA, EUA). Se utilizó una columna VF-MAXms (30 m × 0.25 mm, 0.50 μm) y el gas portador fue el helio a una velocidad de flujo de 2.4 mL·min-1. La temperatura del inyector se mantuvo en 230 ºC. La temperatura del horno se ajustó a 140 ºC durante 5 min y se incrementó gradualmente 8 ºC cada minuto hasta 250 ºC durante 15 min. La temperatura de la línea de transferencia (MSD) se mantuvo a 180 ºC. Las temperaturas de la fuente y del cuadrupolo fueron de 230 y 150 ºC, respectivamente. Cada pico de EMAG se identificó y cuantificó con la mezcla estándar de EMAG de 37 componentes de Supelco.
Resultados
Efecto del medio de cultivo en la producción y la productividad de biomasa
El medio de cultivo con la mayor concentración de biomasa (peso seco) del consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. fue MB con 1.79 ± 0.05 y 1.77 ± 0.10 g·L-1, respectivamente. Estas concentraciones fueron significativamente superiores a las obtenidas en los otros 5 medios de cultivo. Los medios que dieron la mayor concentración de biomasa después de MB fueron AR y MEP, con una diferencia significativa en la concentración de biomasa respecto a MBCA, MPA y MDP (Fig. 1). Por tanto, dadas las diferencias significativas en la producción de biomasa y la tendencia del aumento de la productividad de la biomasa, los medios se pueden agrupar de la siguiente forma: MB ˃ (AR y MEP) ˃ (MBCA, MPA y MDP), con MB como el medio que produjo la mayor productividad de biomasa.
Figura 1 Producción de biomasa con el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. cultivadas en diferentes medios. BCAM, aguas residuales tratadas secundarias suplementadas con 0.1977 g·L-1 de NH4HCO3; PAM, aguas residuales tratadas secundarias enriquecidas con 0.3303 g·L-1 de (NH4)2HPO4; BM, medio Bayfolan; Ww, aguas residuales sin tratar; PEM, agua del grifo con 23.5% de aguas residuales porcinas; PDM, agua del grifo con 39.75% de digestatos de aguas residuales porcinas.
Efecto del medio sobre la productividad lipídica y los ésteres metílicos de ácidos grasos
El contenido de lípidos en la biomasa tanto en el consorcio como en Scenedesmus sp. fue del 15%-16% en MBCA, 16%-22% en MPA, 9%-13% en MB, 21%-23% en AR, 19%-32% en MEP y 30%-52% en MDP (Fig. 2). La productividad de los lípidos en ambos casos, el consorcio y Scenedesmus sp., fluctuó entre 34.25 y 36.75 mg·L-1·d-1 en MEP, 32.83 y 38.67 mg·L-1·d-1 en MDP y 24.87 y 26.41 mg·L-1·d-1 en AR, cantidades significativamente superiores a las productividades lipídicas en MB, MBCA y MPA (Tabla 2). En AR, MBCA, MPA, MEP y MDP se eliminó el 90%-100% del NH4 + desde el día 3 y, en consecuencia, hubo una limitación de N.
Figura 2 Composición bioquímica de la biomasa (porcentaje de rendimiento) del consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. cultivadas en diferentes medios. BCAM, aguas residuales tratadas secundarias suplementadas con 0.1977 g·L-1 de NH4HCO3; PAM, aguas residuales tratadas secundarias enriquecidas con 0.3303 g·L-1 de (NH4)2HPO4; BM, medio Bayfolan; Ww, aguas residuales sin tratar; PEM, agua del grifo con 23.5% de aguas residuales porcinas; PDM, agua del grifo con 39.75% de digestatos de aguas residuales porcinas.
Tabla 2 Efecto de los medios de cultivo sobre la productividad de metabolitos de Scenedesmus sp. y del consorcio de microalgas. Los datos se presentan como la media y el error estándar; las misma letra indica que no hay diferencia significativa (prueba HDS de Tukey, P ≤ 0.05).
| Microorganism | Medium | Biomass (mg·L-1·d-1) | Carbohydrates (mg·L-1·d-1) | Proteins (mg·L-1·d-1) | Lipids (mg·L-1·d-1) | Pigments (mg·L-1·d-1) |
| Microalgal consortium | BCAM | 54.61 ± 0.77c | 12.13 ± 0.40b | 10.16 ± 0.05b | 8.31 ± 0.71b | 0.42 ± 0.01c |
| PAM | 45.38 ± 0.56c | 6.91 ± 0.14b | 11.86 ± 1.07b | 7.54 ± 2.94b | 0.32 ± 0.03cc | |
| BM | 138.46 ± 3.85a | 48.13 ± 3.38a | 32.34 ± 2.36a | 12.01 ± 1.87b | 1.96 ± 0.09b | |
| Ww | 106.15 ± 2.31b | 33.56 ± 2.26c | 14.78 ± 0.74b | 24.87 ± 6.20a | 0.70 ± 0.08 c | |
| PEM | 191.25 ± 6.25a | 43.63 ± 1.43c | 37.28 ± 5.33a | 36.75 ± 9.90a | 4.12 ± 0.08a | |
| PDM | 102.50 ± 2.50c | 35.53 ± 0.25b | 16.62 ± 1.52 b | 32.83 ± 10.88a | 1.81 ± 0.12b | |
| Scenedesmus sp. | BCAM | 65.38 ± 0.77c | 14.46 ± 0.47a | 10.55 ± 0.03b | 10.46 ± 2.40b | 0.66 ± 0.05c |
| PAM | 30.00 ± 0.28c | 1.65 ± 0.99c | 8.41 ± 2.33b | 6.87 ± 0.62b | 0.18 ± 0.02d | |
| BM | 136.15 ± 7.69a | 31.96 ± 6.01b | 36.32 ± 2.10a | 17.54 ± 5.51b | 3.12 ± 0.15a | |
| Ww | 125.38 ± 5.38b | 43.95 ± 3.32a | 15.74 ± 1.22b | 26.41 ± 5.20a | 1.08 ± 0.01b | |
| PEM | 115.00 ± 6.25b | 29.53 ± 2.08b | 32.68 ± 5.18a | 34.25 ± 3.93a | 1.84 ± 0.16b | |
| PDM | 118.75 ± 7.50b | 16.38 ± 1.02b | 13.62 ± 4.17b | 38.67 ± 1.53a | 0.63 ± 0.13c |
BCAM, treated wastewater added with 0.1977 g·L-1 NH4HCO3; PAM, treated wastewater enriched with 0.3303 g·L-1 (NH4)2HPO4; BM, Bayfolan medium formulated with 1 mL of Bayfolan Forte per liter of treated wastewater; Ww, raw wastewater; PEM, tap water with 23.5% of piggery wastewater; PDM, tap water with 39.75% of piggery wastewater digestate.
Los perfiles de ácidos grasos para el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. en los diferentes medios consistieron en ácido palmítico (C16:0), ácido palmitoleíco (C16:1), ácido esteárico (C18:0), ácido oleíco (C18:1), ácido linoleíco (C18:2) y ácido linolénico (C18:3) (Tabla 3), que son aptos para la producción de biodiesel (Anand et al. 2018, May-Cua et al. 2019). Los medios de cultivo MPA, MEP y MDP exhibieron una mayor proporción de ácidos grasos saturados (60%-69% del total de EMAG) que MBCA, MB y AR (39%-48% del total de EMAG).
Tabla 3 Composición de los perfiles de ácidos grasos del consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. en diferentes medios de cultivo (porcentaje de esteres metílicos de ácidos grasos).
| Fatty Acid | Microalgal consortium (%) | Scenedesmus sp. (%) | |||||||||||
| BCAM | PAM | BM | Ww | PEM | PDM | BCAM | PAM | BM | Ww | PEM | PDM | ||
| C16:0 | 36.76a | 42.26a | 33.39a | 32.30a | 43.57a | 44.23a | 32.12AB | 41.07AB | 34.03B | 32.70AB | 47.76A | 46.00AB | |
| C16:1 | 7.25a | 5.34ab | 5.62ab | 3.27ab | 4.34ab | 4.19ab | 3.97B | 7.28A | 4.55B | 3.00B | 3.13B | 4.46B | |
| C18:0 | 11.60b | 19.95a | 6.65b | 7.15b | 18.93ab | 17.90ab | 9.31BC | 22.07A | 7.05C | 7.12C | 21.33A | 19.16AB | |
| C18:1 | 20.40b | 8.94bc | 14.32bc | 34.77a | 6.50c | 6.58c | 17.63B | 17.65BC | 11.84CD | 35.04A | 5.09D | 5.47D | |
| C18:2 | 9.12ab | 7.49ab | 12.01a | 6.17abc | 4.07bc | 3.78c | 8.64A | 7.16 AB | 11.29A | 5.80AB | 3.18B | 3.54B | |
| C18:3n3 | 14.87a | 16.02a | 28.02a | 16.35a | 22.59a | 23.3a | 28.33A | 10.76B | 31.23A | 16.33AB | 19.52AB | 21.37AB | |
| C16-C18 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
| Unsaturated | 51.64a | 37.79a | 59.96a | 60.55a | 37.50a | 37.87a | 58.57A | 36.86A | 58.92 A | 60.18A | 30.91A | 34.84A | |
| Saturated | 48.36a | 62.21a | 40.04a | 39.45a | 62.50a | 62.13a | 41.43AB | 63.14AB | 41.08B | 39.82B | 69.09A | 65.16AB | |
BCAM, treated wastewater added with 0.1977 g·L-1 NH4HCO3; PAM, treated wastewater enriched with 0.3303 g·L-1 (NH4)2HPO4; BM, Bayfolan medium formulated with 1 mL of Bayfolan Forte per liter of treated wastewater; Ww, raw wastewater; PEM, tap water with 23.5% of piggery wastewater; PDM, tap water with 39.75% of piggery wastewater digestate.
Mean values that do not share a letter are significantly different. The differences are between the media for each crop (consortium and Scenedesmus sp., separately).
Efecto del medio sobre la productividad de proteínas, carbohidratos y pigmentos totales
Las productividades de proteínas obtenidas en los cultivos del consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. con MB y MEP fueron significativamente mayores con respecto a aquellas obtenidas con MBCA, MPA, AR y MDP (Tabla 2). Las productividades proteicas obtenidas con el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. fueron, respectivamente, 32.34 ± 2.36 mg·L-1·d-1 y 36.32 ± 2.10 mg·L-1·d-1 en MB y 37.28 ± 5.33 mg·L-1·d-1 y 32.68 ± 5.18 mg·L-1·d-1 en MEP, y mientras que en MBCA, MPA, AR y MDP fueron significativamente menores, la productividad en MPA fue 4 veces menor que la obtenida en MEP y MB.
La mayor productividad de carbohidratos del consorcio de microalgas se obtuvo en MB (48.13 ± 3.38 mg·L-1·d-1) y la de Scenedesmus sp. se obtuvo en AR (43.95 ± 3.32 mg·L-1·d-1), ambas significativamente más altas que las encontradas en MBCA, MPA, MEP y MDP (50% más bajas que en MB) (Tabla 2). En MB, AR y MDP se obtuvo hasta un 35% de carbohidratos en la biomasa (Fig. 2).
Con respecto a las productividades de los pigmentos totales, no hubo diferencias significativas entre el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. en MB y MEP. Por otro lado, en MBCA, MPA, AR y MDP, la producción de pigmentos totales fue hasta 18 veces menor que en MB (Tabla 2).
Eliminación de nutrientes
En MBCA, MPA y AR, la remoción de NH4 + fue del 60% y 95% al tercer y sexto día, respectivamente, mientras que en MEP y MDP, al tercer día, ya se había eliminado el 100% de NH4 +. En MBCA, las remociones de NH4 +, NO3 - y PO4 3- fueron superiores al 92%. La concentración inicial de PO4 3- fue de 12-14 mg·L-1, con un porcentaje de remoción del 92%, mientras que en BM se logró una remoción del 93% (Tabla 4). En MBCA, la remoción de NO3 - fue del 99%, mientras que en MPA fue solo del 59% con el consorcio de microalgas y nulo con Scenedesmus sp. En MB, la remoción de NH4 + y PO4 3- fue del 90% y 93%-94% con el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp., respectivamente, mientras que la remoción de NO3 - con Scenedesmus sp. fue 30% menor que la obtenida con el consorcio (Tabla 4). En cuanto a la DQO, en MEP, se eliminaron 1,043 mg·L-1 de DQO con Scenedesmus sp. (86%), mientras que en MDP solo se eliminaron 26 mg·L-1 de DQO (10%).
Tabla 4 Composición inicial y final, y eficiencia de eliminación en los 6 medios de cultivo con el consorcio de microalgas y Scenedesmus sp.
| Microorganism | Initial concentration (mg·L-1) | Final concentration (mg·L-1) | Removal (%) | ||||||||||||
| Media | NH4+-N | NO3--N | PO43--P | COD | NH4+-N | NO3--N | PO43--P | COD | NH4+-N | NO3--N | PO43--P | COD | |||
| Microalga consortium | BCAM | 56.37 ± 0.81 | 23.69 ± 1.22 | 3.98 ± 0.49 | - | 1.74 ± 0.01 | 0.05 ± 0.07 | 0.30 ± 0.04 | - | 99.90 | 99.78 | 30.18 | - | ||
| PAM | 57.00 ± 0.87 | 20.24 ± 0.39 | 53.06 ± 0.13 | - | 1.67 ± 0.04 | 8.36 ± 7.89 | 21.21 ± 3.98 | - | 97.07 | 58.70 | 60.02 | - | |||
| BM | 20.66 ± 1.42 | 79.58 ± 5.01 | 40.70 ± 2.24 | - | 4.18 ± 0.11 | 31.30 ± 22.11 | 2.89 ± 0.73 | - | 79.76 | 60.66 | 92.90 | - | |||
| Ww | 40.90 ± 1.44 | 0.00 ± 0.00 | 5.97 ± 0.10 | - | 1.73 ± 0.05 | 0.34 ± 0.30 | 0.64 ± 0.05 | - | 95.80 | * | 89.29 | - | |||
| PEM | 90.61 ± 9.63 | 2.51 ± 1.04 | 14.05 ± 1.36 | 1,165.18 ± 73.20 | 0.00 | 5.27 ± 0.33 | 2.95 ± 0.71 | 169.12 ± 0.60 | 100 | * | 78.98 | 85.49 | |||
| PDM | 78.10 ± 8.44 | 2.78 ± 1.06 | 1.55 ± 0.09 | 79.47 ± 33.78 | 0.00 | 5.80 ± 1.25 | 0.57 ± 0.13 | 58.47 ± 15.27 | 100 | * | 63.11 | 26.43 | |||
| Scenedesmus sp. | BCAM | 56.50 ± 0.36 | 23.80 ± 1.92 | 4.73 ± 0.04 | - | 1.84 ± 0.03 | 0.00 ± 0.00 | 0.37 ± 0.04 | - | 96.86 | 98.39 | 92.27 | - | ||
| PAM | 56.30 ± 0.91 | 21.95 ± 4.90 | 50.13 ± 0.53 | - | 2.75 ± 0.63 | 24.72 ± 2.71 | 13.58 ± 4.43 | - | 95.11 | * | 54.70 | - | |||
| BM | 21.03 ± 0.61 | 78.67 ± 2.58 | 40.06 ± 0.61 | - | 3.81 ± 0.29 | 53.93 ± 18.49 | 2.52 ± 0.81 | - | 89.97 | 31.38 | 93.70 | - | |||
| Ww | 41.54 ± 0.44 | 0.00 | 5.71 ± 0.42 | - | 1.77 ± 0.11 | 0.84 ± 0.87 | 0.62 ± 0.07 | - | 95.80 | * | 89.15 | - | |||
| PEM | 88.08 ± 15.32 | 2.89 ± 3.02 | 17.05 ± 0.50 | 1,218.93 ± 196.99 | 0.00 | 4.26 ± 0.53 | 1.84 ± 0.37 | 176.19 ± 25.91 | 100 | * | 89.23 | 85.55 | |||
| PDM | 77.66 ± 5.02 | 2.80 ± 0.36 | 1.31 ± 0.06 | 104.25 ± 19.99 | 0.00 | 4.51 ± 0.10 | 0.40 ± 0.10 | 77.65 ± 18.06 | 100 | * | 69.04 | 9.64 | |||
COD, chemical oxygen demand; BCAM, treated wastewater added with 0.1977 g·L-1 NH4HCO3; PAM, treated wastewater enriched with 0.3303 g·L-1 (NH4)2HPO4; BM, Bayfolan medium formulated with 1 mL of Bayfolan Forte per liter of treated wastewater; Ww, raw wastewater; PEM, tap water with 23.5% of piggery wastewater; PDM, tap water with 39.75% of piggery wastewater digestate.
*The results show a slight increase in nitrates.
Pérdidas de NH4 + por stripping
La mayor pérdida de NH4 + por volatilización (como NH3) se registró en MDP, es decir, 33% (8.70 ± 1.78 mg·L-1·d-1 de NH4 +) para el consorcio y 46% (11.53 ± 0.32 mg·L-1·d-1 de NH4 +) para Scenedesmus sp., a pH de 9.93 y 10.03, respectivamente; no hubo diferencia significativa entre estos dos. En MEP la pérdida fue significativamente menor que en MDP, con 2% (2.24 ± 0.58 mg·L-1·d-1 de NH4 +) para el consorcio y 7% (0.56 ± 0.42 mg·L-1·d-1 de NH4 +) para Scenedesmus sp. a un pH promedio de 9.68.
Discusión
La producción de biomasa con el consorcio de microalgas en AR fue 15.33% menor con el consorcio de microalgas en comparación con la obtenida con Scenedesmus sp., mientras que en MEP, la producción de biomasa con Scenedesmus sp. fue 40% menor que la obtenida con el consorcio de microalgas. Lam et al. (2017) cultivaron C. vulgaris en aguas residuales no esterilizadas (2.70 y 24.19 mg·L-1 de N total y P, respectivamente) y obtuvieron 40.76 mg·L-1·d-1 (peso seco) de biomasa; esta productividad fue 3 veces menor que la obtenida en AR en el presente estudio (concentración inicial de 32.20 y 8.84 mg·L-1 de N total y P, respectivamente). A diferencia de los otros 5 medios, en MB, que fue formulado con el fertilizante comercial Bayfolan, la principal fuente de N fue el NO3 -; además, el contenido de P varió significativamente entre los medios (Tabla 4). Dado que el objetivo principal del presente trabajo era identificar un medio no convencional que pudiera utilizarse a gran escala, no se ajustaron las relaciones C/P y DQO/N/P. Sin embargo, se prestó especial atención a la concentración de N durante la preparación de los medios. Los resultados obtenidos de la experimentación con todos los medios mostraron que las 2 mejores opciones para producir biomasa fueron AR y MEP, que involucran el tratamiento de residuos y están disponibles a bajo costo.
Nayak et al. (2016) reportaron el crecimiento de Scenedesmus sp. en matraz Erlenmeyer de 500 mL con 200 mL de medio, preparado con 1 g·L-1 de fertilizante NPK (10:26:26) y 0.10 g·L-1 de urea, y la productividad de biomasa fue de 45 mg·L-1·d-1 (peso seco). En el presente estudio se obtuvo una producción de biomasa 2.0 veces mayor y una productividad 2.8 veces mayor con Scenedesmus sp. y el consorcio en medio MB. El fertilizante Bayfolan (N:P:K, 11:1:1) es un fertilizante foliar que contiene micronutrientes, vitaminas y ácido indolacético (fitohormona). Esta auxina regula el crecimiento en plantas superiores y aumenta la tasa de crecimiento, la tolerancia al estrés, el contenido de lípidos y la productividad de la biomasa en varias especies de microalgas (Lu y Xu 2015). Muriellopsis sp. y Pseudokirchneriella subcapitata cultivadas en agua dulce con 40%-50% de un concentrado de una planta de tratamiento de aguas residuales en biorreactores de vidrio de columna de burbujas de 300 mL, bajo condiciones controladas (temperatura de 25 ºC, aireación de 0.2 vvm, inyección de CO2 a demanda, iluminación artificial bajo ciclo de 12:12 h luz:oscuridad, 1,850 μE·m-2·s-1), alcanzaron valores de productividad de biomasa de hasta 1.13 y 1.02 g·L-1·d-1, respectivamente (Morales-Amaral et al. 2015). Además, Gomez et al. (2013) cultivaron Muriellopsis sp. en la misma columna de burbujeo utilizando como medio ART, bajo condiciones controladas (temperatura de 23 ± 2 ºC, pH de 8.0 ± 0.1, inyección de CO2 en el flujo de aire que ingresa a los reactores a demanda, iluminación artificial bajo ciclo de 12:12 h luz:oscuridad, 800 μE·m-2·s-1), y la productividad máxima de biomasa que obtuvieron fue de 0.5 g·L-1·d-1. En estos 2 últimos informes, las productividades fueron muy superiores a las obtenidas en el presente trabajo.
Chlorella vulgaris tolera altas concentraciones de NH4 +. Sin embargo, por encima de 110-130 mg·L-1 de NH4 + hay una inhibición del crecimiento celular (Sanz-Luque et al. 2015). La inhibición del crecimiento de microalgas causada por NH4 + se vuelve severa cuando el contenido de NH4 + alcanza 1,030.36 mg·L-1 (Park et al. 2010). En el presente trabajo, la concentración de NH4 + en el medio estuvo por debajo de 90.61 mg·L-1 (Tabla 4).
La concentración de lípidos en las células aumenta cuando existe una limitación de la fuente de N (Eroglu et al. 2015, May-Cua et al. 2019). El N es un factor crítico para regular el contenido de lípidos de las células de las algas; el aumento de la acumulación de lípidos se produce cuando N se convierte en el factor limitante del crecimiento (Chen et al. 2011). Sin embargo, la limitación de N minimiza el crecimiento de algas; las 2 condiciones de alto contenido de lípidos y alta productividad de algas son mutuamente excluyentes.
Nam et al. (2017) cultivaron C. vulgaris en agua residual de excretas porcinas con una concentración de N total de 307.2 mg·L-1 durante 16 d y obtuvieron concentraciones de biomasa y lípidos de 3.96 y 1.072 g·L-1, respectivamente. En el presente trabajo, la producción de biomasa y lípidos fue aproximadamente 61% y 72% menor en MEP, respectivamente, con una concentración de N total ~5 veces menor (Fig. 1). En el caso de AR la concentración de biomasa y lípidos fue de 58% y 68% menor, respectivamente, y la concentración de N total fue 9 veces menor. Con respecto a MB, la producción de biomasa y lípidos fue 54% y 85% menor, respectivamente, con la misma concentración de N total que en MEP.
La pérdida de NH4 + puede deberse a varios factores, como asimilación por microalgas, procesos de desnitrificación por bacterias y stripping de NH4 + a pH elevado del medio. En el caso del P, la eliminación se debe a la asimilación por microalgas y la precipitación en forma de fosfato cálcico a pH cercano a 9 (Walker 2015). En este estudio, el pH inicial de AR y MB fue de 8.5 y aumentó durante el crecimiento del consorcio y Scenedesmus sp. hasta alcanzar un valor de 11.5.
La preferencia por el tipo de fuente de N varía de una cepa de microalgas a otra. El NH4 + es la fuente de N de más fácil asimilación, seguida de NO3 - y NO2 -. El NH4 + es asimilado directamente por la célula, mientras que el NO2 - y el NO3 - se transportan al interior de la célula y se reducen a NH4 + mediante la nitrito y nitrato reductasa (Liao et al. 2018). En AR, MEP y MDP, la concentración de NO3 - fue hasta el doble de la inicial (Tabla 4). Los procesos de remoción de N en aguas residuales y lodos activados, la nitrificación de NH4 +, que se oxida a NO3 -, y la desnitrificación de NO3 -, que se reduce a N2, han sido ampliamente estudiados (Larsdotter 2006). Estos procesos involucran bacterias nitrificantes y desnitrificantes: las primeras son autótrofas, no necesitan carbono orgánico y consumen grandes cantidades de oxígeno; las segundas son heterótrofos anaeróbicos o autótrofos aeróbicos y requieren una fuente de carbono. El primer paso en el proceso de nitrificación es la oxidación del NH4 + a NO2 - por bacterias pertenecientes al género Nitrosomonas. En el segundo paso, la oxidación de NO2 - a NO3 - ocurre por bacterias pertenecientes al género Nitrobacter. En la desnitrificación, las bacterias reducen el NO3 - o el NO2 - a gas N2 (Jia y Yuan 2016). En cultivos mixtos de microalgas y bacterias en aguas residuales, las microalgas pueden producir compuestos orgánicos que las bacterias pueden asimilar; por otro lado, algunas bacterias producen hormonas que promueven el crecimiento de microalgas (Liu et al. 2017). Aproximadamente el 60% del NH4 + es oxidado por bacterias nitrificantes, mientras que las microalgas asimilan el 40% (Vargas et al. 2016).
El pH elevado puede promover la volatilización del NH3 (la eliminación de NH4-N) y la eliminación del P a través de la precipitación de PO4 3- con hierro férrico, calcio y magnesio no quelados (Park et al. 2011). En MDP, medio en el cual se observó una mayor pérdida de NH4 + por volatilización, los valores de pH fueron más básicos que en MEP; además, MEP contenía una mayor cantidad de materia orgánica que pudo haber minimizado las pérdidas de NH3. Por ejemplo, Wu et al. (2017) reportaron pérdidas del 5% de NH4 + por stripping durante 4 d en aguas residuales sin microalgas, a una concentración inicial de 30.26 mg·L-1 de NH4 +.
El presente estudio demostró que el cultivo del consorcio de microalgas y Scenedesmus sp. en medio con aguas residuales porcinas es apto para producir biodiesel debido a la productividad de biomasa y lípidos y al alto contenido de ácidos grasos saturados que se obtuvieron. Estas productividades se alcanzaron gracias al aporte de nutrientes atribuido a las aguas residuales porcinas, que además están fácilmente disponibles. Además, el cultivo con MEP presentó una remoción eficiente de nutrientes dentro de los primeros 3 d. Considerando los resultados en conjunto, el presente trabajo proporciona información sobre alternativas de cultivo de microalgas en medios de bajo costo, acoplada a la valorización de residuos como un enfoque para la eventual producción de biodiesel.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Politécnico Nacional (SIP 20180825 y SIP 20195715-20195732) y por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México, subvención No. 247402).
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Recibido: 13 de Abril de 2020; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020
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