Aplicación de técnicas de biología molecular para la caracterización de la población microbiana en la degradación de compuestos orgánicos volátiles (COV) mediante biofiltros y biofiltros percoladores

Abstract

Los compuestos orgánicos volátiles (COV) son unos de los principales contaminantes atmosféricos presentes en las emisiones gaseosas de una gran variedad de industrias. El conocimiento de los efectos nocivos que presentan estas sustancias sobre el medio ambiente y la salud humana ha tenido como consecuencia el desarrollo de normativas ambientales en la Unión Europea en relación al control de las emisiones industriales de COV. Esto ha originado, a su vez, el interés por el desarrollo de nuevas tecnologías de depuración para la reducción de estos contaminantes. En este sentido, los sistemas biológicos como los biofiltros y los biofiltros percoladores se presentan como una alternativa de tratamiento eficaz, económica y respetuosa con el medio ambiente. En la actualidad existen numerosos estudios de laboratorio realizados bajo condiciones de operación controladas cuyo fin principal es determinar la eficacia del biotratamiento. Sin embargo, la información a nivel microbiológico del proceso es todavía escasa. El desarrollo de nuevas aplicaciones de las técnicas de biología molecular para la identificación microbiana en ecología ambiental proporciona nuevas posibilidades para profundizar en el papel que la comunidad microbiana tiene en el proceso de biofiltración, siendo ésta una de las líneas emergentes en este campo. La presente tesis doctoral se ha centrado en la identificación y el seguimiento de las comunidades microbianas en biofiltros y biofiltros percoladores para el tratamiento de emisiones gaseosas de COV, así como en la relación de las mismas con el funcionamiento de estos sistemas. El análisis de las comunidades bacterianas llevó a cabo mediante la puesta a punto y la aplicación de las siguientes técnicas de biología molecular: hibridación fluorescente in situ (FISH), electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE) y secuenciación del gen 16S ARNr. En una primera parte, las técnicas de biología molecular se aplicaron en experimentos de laboratorio bajo condiciones de funcionamiento controladas en los que se utilizaron tanto biofiltros como biofiltros percoladores para el tratamiento de emisiones gaseosas que contenían un único contaminante. Se realizaron tres estudios experimentales cada uno de ellos con uno de los siguientes compuestos: isopropanol, estireno y 2-butoxietanol; todos ellos constituyentes habituales de las emisiones gaseosas de numerosos sectores industriales. En una segunda parte, se procedió a la transferencia del proceso de biofiltro percolador para su aplicación industrial al tratamiento de las emisiones de COV procedentes del sector de recubrimientos. Se realizaron dos estudios experimentales centrados en la caracterización microbiana, uno a nivel de planta piloto y otro utilizando el proceso de biofiltro percolador como solución final de depuración de las emisiones de una instalación industrial. En los estudios de laboratorio se evaluó la influencia de los parámetros de operación: carga másica volumétrica (CV) y tiempo de residencia a volumen vacío (TRVV), así como del material de relleno y del inóculo empleado sobre la comunidad bacteriana desarrollada y la eficacia del proceso en cada biorreactor. A lo largo de los experimentos se detectó una dinámica de las poblaciones bacterianas con un incremento significativo de la abundancia relativa de grupos bacterianos que incluyen especies con capacidad para degradar compuestos orgánicos y/o para mantener su actividad metabólica en ambientes con elevadas concentraciones de dichos compuestos. En este sentido, el grupo Gammaproteobacteria y el género Pseudomonas sp. que destacan por esta capacidad presentaron finalmente elevada abundancia relativa. Las poblaciones bacterianas desarrolladas demostraron ser diferentes y más complejas a las identificadas en el inóculo. Además, se demostró que el uso de fango activado para la puesta en marcha de los biorreactores fue la mejor opción, ya que, a pesar de la ligera mejora en la capacidad de eliminación utilizando un cultivo puro no se justifica la complejidad que a nivel industrial supone el uso de cultivos puros frente al uso de fango activado para la inoculación de los biorreactores. A nivel industrial, se evaluó la influencia de los parámetros de operación, así como, de los patrones irregulares de emisión en cuanto a concentración y composición, demostrándose la efectividad del proceso de biofiltro percolador para el tratamiento de emisiones industriales. A nivel microbiológico, se corroboraron los resultados a escala de laboratorio indicando la capacidad del grupo Gammaproteobacteria para la degradación de COV.Volatile organic compounds (VOCs) are one of the main air pollutants which are present in gaseous emissions from a wide range of industrial activities. The knowledge of the adverse effects on human health and environment caused by these substances has led to the development of environmental regulations in Europe related to the control of industrial VOC emissions. Thus, these regulations have generated interest on the development of new treatment technologies in order to reduce these pollutants. Therefore, biological processes, such as biofilters and biotrickling filters, provide a successful treatment, which is a cost-effective and environmentally friendly alternative. Nowadays, there are many studies being carried out at laboratory-scale under controlled operational conditions with the aim of determining the biotreatment efficiency. However, information about the process from a microbiological point of view is still scarce. The development of novel applications of molecular biology tools for microbial identification on the field of environmental ecology provides new possibilities to deepen the role that the microbial community plays in the biofiltration process, with this being one of the emergent research subjects in this field. This doctoral thesis focuses on the identification and monitoring of microbial communities in biofilters and biotrickling filters for the removal of VOCs from gaseous emissions, as well as their relationship with the system performance. The analysis of bacterial communities has been carried out by the development and application of the following molecular biological tools: fluorescent in situ hybridisation (FISH), denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and sequencing of the 16S rRNA gene. Firstly, the molecular biology tools have been applied in laboratory experiments under controlled operating conditions, in which biofilters and biotrickling filters were used for the treatment of gaseous emissions containing a single contaminant. Three experimental studies were performed, each of them with one of the following compounds: isopropanol, styrene and 2-butoxyethanol. All of these are the usual components of gaseous emissions of many industrial activities. Secondly, the process of biotrickling filter was scaled-up to industrial scale to be applied for the treatment of VOC emissions from the coating sector. Two experimental studies focused on the microbial characterization were carried out, one at pilot-scale and the other using a full-scale biotrickling filter as the final solution for the treatment of the waste gas emissions in an industrial facility. In the laboratory studies, the influence of the operational parameters: inlet load (IL) and empty bed residence time (EBRT) and the packing material and the inoculum source on the bacterial community and on the process efficiency in each bioreactor was evaluated. Throughout the experiments, a dynamic of the bacterial populations was observed, with an important increase in the relative abundance of bacterial groups that include species with the ability to degrade organic compounds and/or maintain their metabolic activity in environments with high concentrations of these compounds has been observed. In this sense, the Gammaproteobacteria group and the genus Pseudomonas sp., which were highlighted for this capability, finally presented the highest relative abundance. The bacterial populations were different and more complex than the bacterial community identified in the inoculum source. In addition, the use of activated sludge for the start-up of the bioreactors has been demonstrated as the best option. The slight improvement in the elimination capacity using a pure culture does not justify the complexity that supposes the use of pure cultures compared with the use of activated sludge for the bioreactor inoculation at the industrial scale. At the industrial level, the influence of the operational parameters and the irregular gaseous emission patterns of concentration and composition was evaluated. It demonstrated that the biotrickling filter process is effective for the treatment of industrial emissions. At microbiological level, it demonstrated the importance of the species belonging to the Gammaproteobacteria bacteria group in the degradation of organic solvents, corroborating the conclusions extracted from studies at laboratory and pilot plant scale