Caracterización de comunidades microbianas nativas de la agroindustria del café para el tratamiento de aguas residuales y la co-generación de electricidad mediante el uso de sistemas bioelectroquímicos (BES)

Abstract

RESUMEN: Los Sistemas Bioelectroquímicos son una alternativa económica para el tratamiento convencional de aguas residuales y además permite cogenerar energía. Por su parte, las aguas residuales agroindustriales son residuos con una composición fisicoquímica compleja que constituye un sustrato no convencional para procesos biotecnológicos. En las aguas residuales derivadas del beneficio húmedo del café se encuentran comunidades microbianas nativas adaptadas a la composición y características fisicoquímicas del sustrato ya que en el proceso tradicional del beneficio de café se implementan algunas etapas que utilizan el metabolismo de microorganismos, por ejemplo, en la fermentación del mucílago. Los microorganismos mencionados consumen los componentes carbonados y otros nutrientes en los residuos de café, por este motivo, se plantea la hipótesis de que podrían implementarse las comunidades microbianas nativas para el tratamiento de las aguas residuales agroindustriales, además, el tipo de metabolismo, principalmente fermentativo y anaerobio, está implicado en la oxidorreducción de la materia orgánica lo cual libera energía en forma de iones que se podrían recuperar como corrientes eléctricas. En este orden de ideas, el propósito de esta investigación fue caracterizar las comunidades microbianas nativas con potencial electrogénico y con la capacidad de remover materia orgánica presentes en agua residual del beneficio del café en una zona cafetera de Antioquia, Colombia. Se planteó un diseño experimental factorial, evaluando dos factores, con dos niveles en cada uno, para determinar el potencial electrogénico de las comunidades microbianas del AR del beneficio húmedo del café utilizando Celdas de Combustible Microbiales (MFC) de cátodo abierto. Se evalúo la combinación del tipo de AR y el origen del inóculo. En el primer caso, AR de fermentación del café S1 y AR de lixiviados de despulpado S2 y, en el caso de los inóculos, un inoculo mixto I1 (mezcla 1:1 de S1 y S2) y un inóculo madurado I2 que consiste en una muestra de una MFC que operó previamente en una etapa de estandarización. Las MFC operaron en circuito abierto y circuito cerrado, 21 días en cada caso, y se realizó un registro de voltaje/corriente y degradación de materia orgánica (DQO). Finalmente se identificaron mediante secuenciación de DNA 16S los micoorganismos en las MFC con mayor potencial electrogénico y se caracterizaron las biopelículas en el ánodo de estos sistemas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Los resultados evidencian potenciales de 200 – 400 mV en las MFC, y rangos de densidad de potencia y de corriente de 300 – 900 mW.m-2 y 10 – 22 mA.m-2, respectivamente. Se determinó estadísticamente (α < 0,05) que el inóculo utilizado influye significantemente en el desempeño electrogénico del BES, específicamente, el inóculo madurado (I2) influye positivamente en la generación de corriente en circuito cerrado de las MFC. Se registraron tasas de degradación entre 500 – 600 mgO2.L-1.día-1 en promedio en las celdas evaluadas. Mediante la caracterización por microscopía electrónica de barrido, se identificaron estructuras compatibles con biopelículas microbianas asociadas al ánodo de las MFC y la presencia de extensiones de membrana compatibles con pilis, descritos comúnmente como mecanismos directos de transporte de electrones. Se identificaron los géneros bacterianos Acetobacter sp., Acinetobacter sp., Achromobacter sp., Anaerocolumna sp., Azospira sp., Azospirillum sp., Chryseobacterium sp., Comamonas sp., Lachnoclostridium sp., Lactobacillus sp., Pseudomonas sp. y Stenotrophomonas sp.