Muchos microorganismos pueden crecer naturalmente juntos en superficies para formar agregaciones complejas en capas gruesas llamadas biopelículas . Ha habido un gran esfuerzo para desarrollar métodos eficientes para la eliminación o prevención de biopelículas en procesos clínicos y de fabricación de alimentos. Por otro lado, la investigación actual sugirió que las biopelículas pueden ser útiles para fines constructivos, como una plantilla de nuevos materiales [1] [2] que pueden encontrar aplicaciones en la industria. Una característica distintiva de la formación de biopelículas es que los microorganismos dentro de las biopelículas a menudo son mucho más duros y resistentes al estrés ambiental en comparación con los microorganismos individuales. A pesar de que las biopelículas son de naturaleza altamente dinámica, las células dentro del agregado son estacionarias y pueden adaptarse a entornos adversos. Este fenómeno de resistencia mejorada puede ser beneficioso en la producción química industrial donde los microorganismos dentro de las biopelículas pueden tolerar una mayor concentración química y actuar como biorrefinerías robustas para varios productos. Estos microbios también se han utilizado en biorremediación para eliminar contaminantes de agua dulce y aguas residuales. Otros usos novedosos de las biopelículas incluyen la generación de electricidad mediante celdas de combustible microbianas . Los desafíos para ampliar esta tecnología incluyen el costo, el control del crecimiento de biopelículas y la contaminación de las membranas .
Las biopelículas pueden estar formadas por una multitud de bacterias, hongos y algas que pueden absorber, inmovilizar y degradar muchos contaminantes comunes que se encuentran en las aguas residuales . Al aprovechar un fenómeno natural, la remediación mediante biopelículas es un método ecológico para la limpieza ambiental. [3] Actualmente, el lodo activado es un proceso común de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, los sistemas de tratamiento de aguas residuales basados en biopelículas a menudo utilizan menos espacio, son más consistentes y producen menos lodos. [4]
Las biopelículas contienen una gran cantidad de sustancia polimérica extracelular (EPS), que está formada por polisacáridos, proteínas, ADN y fosfolípidos. Estos son secretados por microbios y contribuyen a la estabilidad [5] y densidad [6] de las biopelículas. Esto ayuda a inmovilizar los microbios y los contaminantes del agua. [7] Los metales pesados, como el plomo, el cobre, el manganeso, el magnesio, el zinc, el cadmio, el hierro y el níquel, forman complejos con grupos funcionales cargados negativamente en la EPS y quedan atrapados. [8] Estudios recientes también emplean biopelículas para atrapar y agregar microplásticos difíciles de eliminar para una eliminación conveniente del entorno contaminado. [9] [10] Un portador hecho de algún material de soporte suele estar presente en el reactor diseñado como un lugar para que crezca la biopelícula. [3]
Los microorganismos en biopelículas tienen menos nutrientes, ya que deben depender de la difusión para el transporte de nutrientes, en comparación con el transporte convencional para los microbios que flotan libremente. Esto hace que se secreten más EPS en las biopelículas. Algunas células bacterianas en un entorno de metales pesados también pueden responder al estrés formando y manteniendo biopelículas. Ambos efectos ayudan a eliminar aún más contaminantes del agua. [3] [11] Las biopelículas también se pueden utilizar para el seguimiento temprano de la contaminación ambiental para aislar, identificar y cuantificar contaminantes en aguas residuales y vías fluviales. [3]
Los desafíos actuales para la biorremediación mediada por biopelículas incluyen dificultades para controlar la estructura de la biopelícula y, en particular, su espesor y porosidad. Además, el pH y otras condiciones del agua pueden ser menos que óptimas para el crecimiento de la biopelícula. Los investigadores están trabajando en la ingeniería de biopelículas microbianas, en particular de los microorganismos que las componen, para superar estas limitaciones. [3] [12]
Mientras que los biorreactores de membrana filtran los flóculos en el lodo activado , los reactores de biopelícula de membrana alimentan gases (como O2 , H2 y CH4 ) para promover el crecimiento de la biopelícula en la superficie de las membranas hidrófobas. La biopelícula crece en una superficie fija en lugar de en una suspensión. Estos reactores tienen el potencial de eliminar de manera eficiente los microcontaminantes de las aguas residuales. Esto incluye sólidos suspendidos, patógenos y compuestos orgánicos que se encuentran cada vez más en las aguas residuales agrícolas, industriales, hospitalarias y domésticas. Algunos desafíos de esta tecnología incluyen la permeabilidad de la membrana, la suciedad de la membrana y la eliminación de antibióticos. [12]
La producción de productos lácteos es un proceso que consume mucha agua y genera grandes cantidades de aguas residuales provenientes del lavado de equipos y de subproductos. En particular, estas aguas residuales tienen muchas partículas suspendidas, coloidales y disueltas, entre las que se incluyen lactosa, proteínas y lípidos. Un método para tratar las aguas residuales de los productos lácteos es el uso de reactores anaeróbicos de biopelícula. La biopelícula crece sobre un material de soporte que puede estar hecho de conchas marinas, piedras naturales, carbón y materiales plásticos, entre otras fuentes. Sin embargo, estos filtros anaeróbicos pueden obstruirse debido al alto contenido de grasa de las aguas residuales de los productos lácteos. Para combatir la acumulación de ácidos grasos volátiles en estos filtros, los investigadores han estudiado el tratamiento previo de las aguas residuales. [13]
En los reactores de biopelículas de lecho móvil , las biopelículas crecen sobre pequeños portadores de plástico o esponjas que circulan en los biorreactores mediante aireación o agitación mecánica. Esto permite un alto contacto entre los contaminantes en las aguas residuales y la adición de más portadores puede aumentar la tasa de biodegradación . Sin embargo, esto también requiere un aumento en la agitación o aireación y, por lo tanto, un aumento en el uso de energía. [14] [15] Esta tecnología en particular se ha utilizado en la industria como una alternativa a los procesos convencionales de lodos activados para eliminar materia orgánica y nutrientes, como carbono, nitrógeno y fósforo. [16]
Los reactores de biopelícula de algas se pueden utilizar para el tratamiento de aguas residuales y la producción de biocombustibles . Tradicionalmente, la producción de biocombustibles de algas tiene altos costos operativos, pero se puede combinar con el tratamiento de aguas residuales para que sea más económica. Las altas concentraciones de nitrógeno y fosfato que se encuentran a menudo en las aguas residuales son excelentes nutrientes para las microalgas . A medida que las microalgas proliferan, degradan los contaminantes orgánicos en las aguas residuales. Estas microalgas se pueden cosechar y utilizar en la producción de biocombustibles. [17] Para el tratamiento de aguas residuales municipales , estos reactores pueden ser verticales, horizontales, de carril de flujo o giratorios. La biopelícula que consiste en células de microalgas crece en soportes hechos de nailon, polietileno, algodón u otros materiales. En términos de producción de biocombustibles, los reactores de biopelícula de algas son una alternativa a los biorreactores de algas actuales o estanques de canal abierto donde la biomasa de algas crece en suspensión. Potencialmente aumenta la densidad de cultivo celular, utilizando así menos agua y tierra. [17] Todavía existen desafíos con el control de las condiciones para optimizar el crecimiento de las microalgas y la posible contaminación de las aguas residuales con patógenos. La cantidad de luz, el aporte de CO2 y la eliminación de O2 también son importantes para promover el crecimiento de las microalgas, ya que dependen de la fotosíntesis . También puede ser necesario pretratar las aguas residuales, por ejemplo, añadiendo otros nutrientes como carbono y silicio. [17] [18]
Los sistemas bioelectroquímicos actuales para el tratamiento de aguas residuales complejas (por ejemplo, que contienen colorantes, antibióticos, metales pesados) mediante la inducción de reacciones redox pueden requerir mucho tiempo y tener una transferencia de masa limitada. Los electrodos pueden corroerse, dependiendo de la composición del agua, y una acumulación de sólidos puede provocar bioincrustaciones, lo que reduce la eficiencia del electrodo. Los reactores de electrodos de biopelícula 3D son una tecnología novedosa que agrega partículas conductoras entre los electrodos para aumentar el contacto de los microorganismos con los contaminantes. Esto da como resultado una mayor transferencia de masa y promueve la electrocatálisis , donde los microbios en los electrodos degradan los contaminantes en el agua. Todavía no está claro el costo de esta tecnología y cómo puede manejar las condiciones variables de las aguas residuales (por ejemplo, conductividad eléctrica, concentración de sal, pH). [19]
Las biopelículas también se están considerando para producir productos químicos a granel mediante fermentación de biopelículas, que es un tipo de biorrefinería . Algunos productos, como el jarabe de maíz con alto contenido de fructosa y el producto químico básico acrilamida, se fabrican utilizando biocatalizadores inmovilizados . Sin embargo, el método de inmovilización puede ser costoso y el proceso puede desactivar el biocatalizador, lo que lleva a una disminución de la actividad con el tiempo. Estos factores pueden dificultar el uso de biocatalizadores inmovilizados para producir productos químicos a granel y combustibles que a menudo tienen un precio de mercado bajo. Por lo tanto, las fermentaciones de biopelículas se han considerado como una forma de aumentar el rendimiento de ácidos orgánicos y alcoholes de una manera que sea más factible comercialmente. Las cepas de bacterias que son conocidas por producir el producto químico de interés se cultivan en portadores que pueden estar hechos de una variedad de materiales. Por ejemplo, se han investigado zymomonas mobilis y Saccharomyces cerevisiae en soportes de plástico y compuestos de plástico para aumentar el rendimiento de etanol. También se han llevado a cabo investigaciones para sintetizar butanol, ácido láctico, acetona y más. [20] A escala comercial, se han utilizado bacterias de ácido acético en un reactor de biopelícula de lecho percolador para producir vinagre. [21]
Debido a la estructura de las biopelículas, existen limitaciones de transferencia de masa que conducen a gradientes en las concentraciones de nutrientes y productos, pH y temperatura. Por lo tanto, se desarrollan subpoblaciones bacterianas que pueden reducir la cantidad de bacterias que producen activamente la sustancia química de interés, disminuyendo así el rendimiento del producto. Esto también puede verse afectado por biorreactores que no están correctamente esterilizados, lo que conduce a cultivos impuros. Para algunas sustancias químicas a granel de bajo valor que no requieren condiciones estériles, esta característica se puede aprovechar mediante el uso de una mezcla de microbios que puede mejorar el rendimiento general. [20]
Los reactores de biopelícula suelen tener períodos de arranque más largos, ya que las bacterias pueden tardar varios días en adherirse a los soportes. Además, pueden pasar varias semanas o incluso meses hasta que se acumule una cantidad suficiente de biomasa. Por el contrario, el crecimiento excesivo de biomasa también puede obstruir los biorreactores, lo que genera tiempos de inactividad para mantenimiento y una pérdida de beneficios. La operación y el control del proceso también pueden ser un desafío para el entorno dinámico de los biorreactores. [20]
Los microorganismos eléctricamente activos crean biopelículas electroquímicamente activas (EAB) que se han utilizado en celdas de combustible microbianas para generar una corriente eléctrica. [22] Estas celdas de combustible también se han emparejado con el tratamiento de aguas residuales aprovechando los muchos componentes orgánicos biodegradables en las aguas residuales. Se ha considerado como una alternativa a los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales, o como un paso antes del reactor de membrana, o para reducir la cantidad de lodos sólidos producidos. Los investigadores han estudiado el tratamiento de aguas residuales de productos lácteos, cadáveres de animales, cervecerías, bodegas y domésticas, por nombrar algunos, con celdas de combustible microbianas . Sin embargo, esta tecnología aún no ha tenido un éxito total a gran escala debido a la baja densidad de potencia y la temperatura y composición fluctuantes de las aguas residuales reales. [23] También se han estudiado las EAB para producir hidrógeno, que actualmente se produce a partir de combustibles fósiles principalmente no renovables . En la nueva tecnología de celdas de electrólisis microbiana , las EAB en el ánodo descomponen los sustratos orgánicos en CO2 , electrones y protones. Además, los EAB se han utilizado para la síntesis de nanopartículas metálicas y compuestos semiconductores metálicos como alternativa a los métodos químicos tradicionales. [22]