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Winter is coming: la terrible Microthrix parvicella camina hacia las EDAR

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  • Winter is coming: terrible Microthrix parvicella camina EDAR

Sobre el blog

Andrés Zornoza
Dr. en Ingeniería del Agua y Medioambiental, Ldo. en Ciencias Químicas, Director de ABGC e investigador en el Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA) de la UPV.
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Se acerca el invierno, el silbido del zorzal viajando entre las oscuras mañanas nos avisa que el calor del verano quedó atrás, a la vez que el frío avanza sin freno. Aunque con la inminente llegada de la nueva estación damos paso a despedir el año con cierto sosiego y calma, los técnicos de explotación de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) saben que dicha calma es un mero espejismo cuando se acerca el invierno, pues como invierno, esconde peligros en las instalaciones: nos referimos a: la terrible Microthrix parvicella, “caminando” hacia las EDAR. Dicho “caminar” no es más que una metáfora que representa el despertar de su estado latente y poco abundante en los biorreactores, anhelado durante los meses más calurosos, a la espera de la alineación de los factores ambientales.

Mucho se ha escrito y mucho se ha rumoreado sobre la temida “M. parvicella”, un microorganismo filamentoso que no pasa para nada desapercibido en el sector del tratamiento de las aguas residuales. El profesor Eikelboom, en la década de los noventa, ya vaticinaba que su “vida” en los biorreactores sería todo un puzzle, y sin duda, aunque hayamos conseguido descubrir una “aspirina” (PAX) para paliar sus efectos devastadores durante los episodios de pánico en las EDAR, su dinámica se encuentra todavía cultivada de misterios.


Pánico en la EDAR: foaming filamentoso










Dos son las noticias que nos ofrece nuestra terrible amiga: una buena y otra mala. La buena es sin duda su fácil identificación en fangos activos: filamentos irregulares, con abultamientos y sin morfología celular, y una tinción de Gram fuertemente positiva, mientras que la mala es su capacidad de combinar los episodios de abultamiento (bulking) y formación de espumas (foaming).


"Microthrix parvicella" en vivo. Contraste de fases, 100x










Con este alentador preámbulo, parece justo dedicar unas líneas para resumir los principales conocimientos que la comunidad científica ha aportado sobre la “vida” de este entrañable compañero, visitante cíclico de nuestras instalaciones y contribuyente fiel a los episodios de pánico en las EDAR.

¡Sin más, damos paso a conocer solo el principio de su apasionante biografía¡…

Los inicios fueron complicados

Tan pronto como fue desarrollado el proceso de fangos activos en 1914, por Ardern & Lockett, comenzaron a sucederse los problemas ocasionados por microorganismos filamentosos. Los primeros intentos de control de estos microorganismos fueron bastante confusos y frustrantes, debido a la incapacidad para identificar los filamentos que originaban dichos problemas. No fue hasta 1975, cuando el profesor Eikelboom propuso el sistema de identificación convencional de microorganismos filamentosos en fangos activos, lo que hizo posible un “lenguaje común” entre científicos. Fue sin duda todo un esperado punto de partida para que numerosos estudios pudieran asociar la presencia de “Microthrix parvicella” a episodios de bulking y foaming, los cuales se encuentran bien resumidos en los conocidos manuales de Eikelboom & van Buijsen (1983) y Jenkins et al. (1993). Realmente, pocos son los microorganismos filamentosos que se han “dejado” aislar en cultivo puro, y como si la ciencia nos estuviera preparando el camino, “Microthrix parvicella” pudo ser aislada por primera vez en 1973 por van Veen, después de los primeros intentos frustrantes de Pasveer (1969) y Farquhar & Boyle (1971a, b), aunque bien es cierto que su mantenimiento siempre ha sido muy complicado.


Aislamiento de bacterias en cultivos puro

Un nombre provisional para un “degustador” de ácidos grasos

Son numerosos los técnicos que atribuyen a “Microthrix parvicella” el nombre de especie, siendo realmente el nombre vernáculo o vulgar más extendido en la explotación de EDAR. No fue hasta 1996, cuando la profesora Linda Blackall y otros investigadores consiguieron elevar dicho organismo al estado de Candidatus (Ca.) en la clase Actinobacteria, dentro del filo Actinobacteria, siendo por tanto un organismo candidato a especie y no una especie aceptada. Actualmente, gracias a la técnica de hibridación in situ con sondas 16S/23S rDNA marcadas con fluoróforos (FISH), se han diseñado sondas capaces de identificar a Ca. ‘Microthrix parvicella’, como son: MPA645, MPA60 y MPA223, y a Ca. ‘Microthrix calida’, otro organismo muy similar capaz de ser identificado con la sonda MPA-T1-1260. A pesar de las sondas disponibles, es suficiente el empleo de la técnica convencional para identificar y controlar su presencia en fangos activos (Zornoza, 2017).


"Microthrix parvicella". FISH, sonda MPA645

Ca. ‘Microthrix parvicella’ es sin duda un exquisito “degustador” de ácidos grasos de cadena larga, siendo  la característica ecofisiológica más singular de este microorganismo, según Nielsen et al. (2009). Dichos sustratos son tomados bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas y almacenados como reservas de lípidos, utilizándolos para su crecimiento con oxígeno o nitrato como aceptores terminales de electrones. La elevada hidrofobicidad de la pared celular de Ca. ‘Microthrix parvicella’, junto con las actividades exoenzimáticas esterasa y lipasa asociadas a su superficie, la hacen extremadamente competitiva en la asimilación y crecimiento a partir de lípidos y grasas.

A pesar de que han sido numerosos los estudios que han centrado sus objetivos en la descripción fenotípica, filogenética y fisiológica de bacterias Microthrix, son todavía muy escasos aquellos que lo han hecho en la ecología de plantas depuradoras a escala real. Los estudios de ecología son imprescindibles para poder dilucidar la combinación de valores y variables ambientales que desencadenan los episodios de pánico de este misterioso microorganismo.

El bajo oxígeno disuelto (OD) en los reactores: un arma poderosa de supervivencia de “M. parvicella”, todavía poco contrastada

Aunque el bajo nivel de OD siempre ha sido comentado entre los responsables de planta como una condición a revisar ante episodios de pánico por “M. parvicella”, son pocos los documentos científicos que han podido contrastar su capacidad competitiva en condiciones de limitación de esta variable operacional, probablemente por las dificultades en la obtención de valores de OD representativos durante la marcha del proceso biológico (Zornoza, 2017). Fue la profesora Simona Rossetti, en el año 2005, quien señaló que valores bajos de OD (aproximadamente de 0,4 mg/L) producían filamentos largos y regulares con pérdida celular o tricomas deformados, siendo dicha limitación una ventaja metabólica competitiva para “M. parvicella”. Anteriormente, en 1983, Slijkhuis también concluyó que elevadas concentraciones de OD (>6 mg/L) podrían ser tóxicas para “M. parvicella”, siendo considerado por ello un microorganismo microaerófilo. Dichos resultados no han sido posteriormente contrastados y tampoco dicha estrategia ha sido documentada con éxito en el control de “M. parvicella” en plantas depuradoras a escala real.

La edad del fango (EF): una variable contradictoria y quizás poco determinante

Algunos investigadores han asociado la supervivencia de “Microthrix parvicella” con valores elevados de EF, a partir de los valores bajos de velocidad máxima de crecimiento (Rossetti et al., 2005), lo cual podría confirmar la ocurrencia de “M. parvicella” en plantas depuradoras diseñadas para la eliminación de nutrientes (Jenkins et al., 2004; Eikelboom, 2006). Algunos autores han señalado que dichos microorganismos filamentosos se encuentran favorecidos por valores de la EF superiores a 10 días (Eikelboom, 2000, 2006), incluso algunos afirmaron anteriormente que se requieren dichos valores para que “M. parvicella” cause episodios de bulking y foaming (Richard, 1989). En este sentido, hay opiniones contrarias que indican que precisamente los valores de EF inferiores a 10 días pueden llegar a explicar la mayor abundancia de Ca. “M. parvicella” en determinadas EDAR, no influyendo en términos generales en la dinámica poblacional del conjunto de las EDAR (Zornoza, 2017). Estos últimos resultados son similares a los obtenidos por Santos et al. (2015) y Miłobędzka et al. (2016). En base a lo expuesto anteriormente, la EF no parece ser una variable que deba ser considerada determinante en la aparición de episodios de bulking y/o foaming causados por  “M. parvicella”, aunque valores superiores a 10 días puedan en ocasiones contribuir a su crecimiento hasta alcanzar situaciones de pánico en la EDAR.

Amante de las bajas temperaturas en los reactores (Tªr): la clave de la “degustación de los ácidos grasos”

Si hay algo bastante claro de “M. parvicella”, y en el que coinciden la inmensa mayoría de investigadores, es sin duda su elevada capacidad de crecimiento a bajas temperaturas, lo que le confiere una ventaja competitiva durante las estaciones más frías. De hecho, la proliferación de “M. parvicella” en las EDAR muestra un patrón estacional característico, apareciendo principalmente durante el invierno. Muchos de los lectores responsables de planta ya conocen por su experiencia el rango de Tªr en el cual puede desencadenarse el crecimiento exponencial, efectivamente, según Eikelboom (2000) y Jenkins et al. (2004) valores inferiores a 15 ºC favorecen su crecimiento, mientras que Levantesi et al. (2006) y Zornoza (2017) señalan que son los valores inferiores a 21 ºC.

Algunos científicos apuntan que la baja temperatura que llegan a alcanzar los reactores durante el invierno es la clave de su ventaja competitiva en la asimilación de ácidos grasos de cadena larga (LCFAs, long-chain fatty acids), como son: el ácido oleico, trioleico y palmítico, puesto que disminuye la solubilidad de estos compuestos. Además, “M. parvicella” cuenta con dos “armas” muy potentes: una superficie celular hidrofóbica capaz de atraer lípidos y otras sustancias no polares, y la actividad exoenzimática lipasa, que le permite tomar productos de lisis y LCFAs de los lípidos asociados con la superficie celular. Dicha combinación de “armas” podrían explicar su ventaja competitiva frente a otros organismos heterótrofos que utilizan lípidos.

Nitrificación y desnitrificación deficientes: una relación todavía no suficientemente contrastada

En 1983, Slijkhuis demostró el requerimiento de N-NH4+ para el crecimiento de “M. parvicella”. A partir de entonces, han sido pocos los autores que han asociado dicho microorganismo filamentoso con procesos deficientes de nitrificación y desnitrificación, siendo necesarios más estudios en plantas depuradoras a escala real.

Basándonos en las principales aportaciones científicas, podemos afirmar que “M. parvicella” es un microorganismo filamentoso visitante durante el invierno o periodos fríos, y que gracias a la elevada hidrofobicidad de sus paredes celulares y su capacidad exoenzimática es capaz de asimilar los ácidos grasos de cadena larga. Ahora bien, llama enormemente la atención que aceptada su relación con los aceites y grasas (AG), dicha variable fisicoquímica no haya sido incluida en los estudios de ecología en plantas a escala real (Zornoza, 2017). De hecho, curiosamente la carga de aceites y grasas (CAG) en el afluente a los reactores biológicos no es una variable que normalmente se controle en las EDAR, ni siquiera el rendimiento de los sistemas de eliminación de aceites y grasas. Muchos responsables de planta dan por hecho que la no observación de aceites en la superficie del agua residual afluente al reactor es una garantía de funcionamiento de estos sistemas, estando equivocados realmente, puesto que es posible la presencia de niveles elevados de AG sin llegar a ser visibles, contribuyendo al crecimiento excesivo de las bacterias filamentosas especializadas en estos compuestos. Uno de los primeros trabajos incluyendo la CAG señala que valores por encima de 15 g/Kg SSVLM.d podrían contribuir al crecimiento de “M. parvicella” (Zornoza, 2017). Bien es cierto, que otras EDAR con valores elevados de CAG en el afluente al reactor durante los periodos fríos no muestran la aparición de “M. parvicella”, lo cual pone de manifiesto que las piezas del puzzle todavía no están en su sitio. Con total seguridad existen otro tipo de variables ambientales determinantes del crecimiento de estos microorganismos, siendo por ello necesario que los futuros estudios de ecología en EDAR a escala real realicen una gestión de datos basada en una ordenación multivariante ambiental en el espacio y en el tiempo, capaz de construir modelos de predicción.

A la espera de que los futuros estudios cambien el curso de la historia de  Microthrix parvicella, una vez más volverá a visitar nuestras EDAR, y sin duda, será otro duro invierno...

Referencias

  • Ardern, E., y Lockett, W.T. (1914) Experiments on the oxidation of sewage without de aid of filters. Journal of the Society of Chemical Industry, London 33: 523-525.
  • Blackall, L.L., Stratton, H., Bradford, D., Del Dot, T., Sjorup, C., Seviour, E.M., y Seviour, R.J. (1996) ‘‘Candidatus Microthrix parvicella’’, a filamentous bacteria from activated sludge sewage treatment plants. International Journal of Systematic Bacteriology 46: 344-346.
  • Eikelboom, D. (2000) Process Control of Activated Sludge Plant by Microscopic Investigations. London: IWA Publishing.
  • Eikelboom, D. (2006) Identification and Control of Filamentous Micro-organisms in Industrial Wastewater Treatment Plants (CD). London: IWA Publishing.
  • Eikelboom, D.H. (1975) Filamentous organisms observed in activated sludge. Water Research 9: 365-388.
  • Farquhar, G.J., y Boyle, W.C. (1971a) Occurrence of filamentous microorganisms in activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 43: 779-798.
  • Farquhar, G.J., y Boyle, W.C. (1971b) Identification of filamentous microorganisms in activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 43: 604-622.
  • Jenkins, D., Richard, M., y Daigger, G. (1993) Manual on Causes and Control of Activated Sludge Bulking and Foaming. Chelsea, Michigan: Lewis Publishers.
  • Jenkins, D., Richard, M.G., y Daigger, G.T. (2004) Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and other Solids Separation Problems. London: IWA Publishing.
  • Levantesi, C., Rossetti, S., Thelen, K., Kragelund, C., Krooneman, J., Eikelboom, D. et al. (2006) Phylogeny, physiology and distribution of ‘Candidatus Microthrix calida’, a new Microthrix species isolated from industrial activated sludge wastewater treatment plants. Environmental Microbiology 8: 1552-1563.
  • Miłobędzka, A., Witeska, A., y Muszyński, A. (2016) Factors affecting population of filamentous bacteria in wastewater treatment plants with nutrients removal. Water Science and Technology 73(4): 790-797.
  • Nielsen, P.H., Kragelund, C., Seviour, R.J., y Nielsen, J.L. (2009) Identity and ecophysiology of filamentous bacteria in activated sludge. FEMS Microbiology Reviews 33(6): 969-998.
  • Pasveer, A. (1969) A case of filamentous activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 41: 1340-1352.
  • Richard, M. (1989) Activated Sludge Microbiology. Alexandria, Virginia: The Water Pollution Control Federation.
  • Rossetti, S., Tomei, M.C., Nielsen, P.H., y Tandoi, V. (2005) ‘‘Microthrix parvicella’’, a filamentous bacterium causing bulking and foaming in activated sludge systems: a review of current knowledge. FEMS Microbiology Reviews 29: 49-64.
  • Santos L.A, Ferreira, V., Neto, M.M., Pereira, M.A., Mota, M., y Nicolau, A. (2015) Study of 16 Portuguese activated sludge systems based on filamentous bacteria populations and their relationships with environmental parameters. Applied Microbiology and Biotechnology 99(12): 5307-5316.
  • Slijkhuis, H. (1983) Microthrix parvicella, a filamentous bacterium isolated from activated sludge: cultivation in a chemically defined medium. Applied and Environmental Microbiology 46: 832-839.
  • van Veen, W.L. (1973) Bacteriology of activated sludge, in particular the filamentous bacteria. Antonie van Leeuwenhoek 39: 189205.
  • Zornoza, A. (2017) Estudio de la dinámica poblacional de protistas, metazoos y bacterias filamentosas y su interpretación ecológica en fangos activos. Tesis. Valencia: Universitat Politècnica de València.