Desnitrificación

A desnitrificación é un proceso metabólico realizado por microorganismos que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente, no cal os nitratos redúcense orixinando nitróxeno gas. Isto ocorre en etapas sucesivas catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, nas que aparecen como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso. É un proceso respiratorio que forma parte do ciclo do nitróxeno e pode aplicarse ao tratamento de augas. As reaccións implicadas na desnitrificación poden producir o gas N2O, que é un gas de efecto invernadoiro.
Realízana exclusivamente certos microorganismos, entre os que salientan Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, e Thiosphaera, entre outros. Os desnitrificantes están presentes en todos os principais grupos filoxenéticos de bacterias. A maioría son especies heterótrofas, pero tamén hai algunhas autótrofas, como Thiobacillus denitrificans Xeralmente intervén no proceso máis dunha especie de bacterias para conseguir a total redución do nitrato a nitróxeno gas, e identificouse máis dunha vía encimática para esta redución.
A redución directa de nitrato a amonio, proceso chamado redución disimilatoria do nitrato a amonio ou DNRA, é tamén posible para os organismos que teñen o xene nrf. Esta é unha forma menos común de desnitrificación que se dá na maioría dos ecosistemas. Outros xenes presentes en microorganismos desnitrificantes son o nir (da nitrito redutase) e o nos (da óxido nitroso redutase) entre outros; organismos que se identificaron como posuidores destes xenes son, por exemplo, Alcaligenes faecalis, Alcaligenes xylosoxidans, moitas especies de Pseudomonas, Bradyrhizobium japonicum, e Blastobacter denitrificans.
A desnitrificación ten lugar en condicións especiais tanto en ecosistemas terrestres coma mariños. En xeral, ocorre onde o oxíxeno, que é un aceptor de electróns máis favorable, está moi diminuído e as bacterias utilizan o nitrato como un aceptor de electróns substituto. Debido á alta concentración de oxíxeno da nosa atmosfera, a desnitrificación só ten lugar en ambientes anóxicos nos que o consumo de oxíxeno excede á súa dispoñibilidade e onde están presentes suficientes cantidades de nitrato. Estes ambientes poden ser certos solos augas subterráneas, zonas húmidas, campos petrolíferos, partes pouco ventiladas do océano e os sedimentos do leito do mar. Principio básico da desnitrificación
Existen máis de 50 xéneros de bacterias que poden levar a cabo a desnitrificación. A capacidade desnitrificante tamén se encontrou en arqueas e fungos. Os xéneros de bacterias desnitrificantes máis habituais son: Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, Thiosphaera, entre outros. A maioría das bacterias desnitrificantes son heterótrofas, pero algunhas poden crecer autotroficamente con hidróxeno (H2) e dióxido de carbono, con compostos sulfurados reducidos, ou con compostos de arsénico reducidos, entre outros. Ademais, téñense informes de que a desnitrificación se pode levar a cabo aerobicamente, como, por exemplo, no caso de Magnetospirillum magnetotacticum, que consome O2 mentres desnitrifica. A desnitrificación é un proceso que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente. O proceso de redución de nitratos ata nitróxeno gas ocorre en etapas seriais, catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, e orixínanse como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso: NO3- →
NO2- → NO → N2O → N2 A desnitrificación require un substrato oxidable, xa sexa orgánico ou inorgánico que actúe como fonte de enerxía, polo que a desnitrificación pode levarse a cabo tanto por bacterias heterótrofas coma autótrofas. Na desnitrificación heterótrofa, un substrato orgánico, como metanol, etanol, ácido acético, glicosa etc. , actúa como fonte de enerxía (doante de electróns) e fonte de carbono. Na desnitrificación autótrofa, a fonte de enerxía é inorgánica, como hidróxeno ou compostos reducidos de xofre, ácido sulfhídrico (H2S) ou tiosulfato (S2O32-), a fonte de carbono, tamén inorgánica, é o CO2.
O maior problema da desnitrificación biolóxica é a contaminación potencial da auga tratada con bacterias: fonte de carbono residual (desnitrificación heterótrofa) e a posibilidade de formación de nitritos, o cal fai necesario un post-tratamento. Actualmente, os procesos desenvolvidos para a desnitrificación biolóxica son diversos usando distintos substratos e diferentes configuracións de reactores. Pero hai que salientr que practicamente a totalidade dos sistemas de desnitrificación desenvolvidos se basean na desnitrificación heterótrofa e coñécese pouco e está pouco desenvolvida a desnitrificación autótrofa.
(Ademais da desnitrificación, outro proceso que produce N2 a partir de compostos nitroxenados, concretamente de amonio (NH4+) e nitrito (NO2-), en condicións anaeróbicas é o proceso anammox, que realizan bacterias do filo Planctomycetes.
Globalmente: :NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O. ) Desnitrificación heterótrofa
A desnitrificación heterótrofa pode aplicarse ao tratamento de augas residuais. A desnitrificación heterótrofa é un proceso biolóxico de redución do nitrato presente nas augas residuais a nitróxeno molecular en condicións anóxicas pola acción de bacterias heterótrofas (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un substrato orgánico como fonte de carbono e enerxía.
No proceso de desnitrificación existe ademais a posibilidade de acumulación de intermediarios (NO2–, N2O, NO) debido ao tipo e concentración do substrato empregado ou ás condicións de operación (temperatura, pH, tempo de residencia hidráulico, tempo de retención celular). Baseándose nisto, para que a transformación acabe en N2, deberán controlarse as condicións ambientais como o nivel de O2 disolvido, a fonte de carbono orgánico, a concentración de nitratos, a relación C/N, a dispoñibilidade de fósforo, pH, temperatura e a posible presenza de tóxicos.
Unha das reaccións tipo que implica unha desnitrificación heterótrofa podería ser a da oxidación do ácido acético:
1, 25 CH3COOH + 2NO3- → 2, 5CO2 + N2 + 2OH- + 1, 5 H2O.
∆Gº´ -1054. 8 kJ/ reacción. (Ecuación 1)
A desnitrificación heterótrofa é aplicada amplamente pola súa alta eficiencia e baixo custo. A taxa de desnitrificación heterótrofa é alta, o que permite o uso de reactores de pouco volume e baixos custos. Potén, o carbono residual deste proceso causa diversos problemas para o tratamento de augas potables, o que converte a desnitrificación autótrofa nunha boa alternativa. Desnitrificación autotrofa
Algunhas bacterias desnitrificantes son quimiolitoautótrofas e poden oxidar compostos inorgánicos de xofre como ácido sulfhídrico (H2S), xofre elemental (S0), tiosulfato (S2O32-) ou sulfito (SO32-) anaerobicamente a costa da redución do nitrato. Entre elas hai só dous autótrofos obrigados coñecidos que crezan a pHs neutros: Thiobacillus denitrificans e Thiomicrospira denitrificans, que poden levar a cabo a sulfoxidación en condicións aeróbicas ou anóxicas. Recentemente illouse Thioalkalivibrio denitrificans, un autótrofo, oxidador de xofre, que pode crecer anaerobicamente usando nitrito como aceptor de electróns a pH básico
As vantaxes deste proceso respecto á heterotrofia no tratamento de augas son varias. No tratamento de augas residuais evita ter que engadir materia orgánica, reducíndose así os custos, e para o tratamento de augas potables, evita o carbono residual no efluente, xa que reduce o risco de sobrecrecemento nos sistemas a tratar e de desinfección da zona polos produtos producidos debido a que os organismos autotrófos crecen máis a modo e producen menos biomasa, coa conseguinte formación de menos produtos celulares. Ademais, os organismos autótrofos están mellor adaptados para o tratamento de augas subterráneas porque crecen a baixas concentracións de compostos orgánicos biodegradables. Tamén posúen un grande interese comercial e desde o punto de vista da biotecnoloxía ambiental, porque é un dos poucos exemplos nos que poden oxidarse bioloxicamente compostos reducidos do xofre (sulfoxidación) en ausencia de oxíxeno elemental. Pero a principal vantaxe deste proceso é a aparición da desnitrificación acoplada á oxidación de compostos reducidos do xofre, combinando a eliminación simultánea de dous tipos de contaminantes, os nitratos e os compostos reducidos do xofre (ecuación 2), tendo así grande interese polas súas aplicacións biotecnolóxicas. Principais factores que afectan á desnitrificación
Temperatura
De acordo coa literatura, os microorganismos desnitrificantes presentan actividade entre 5 e 75 °C. Viuse que non existe un cambio significativo na actividade desnitrificante entre 20 e 30 °C con consorcios que proveñen de plantas de tratamento de augas residuais.
PH
O pH óptimo para a desnitrificación está entre 7 e 8. A valores de pH por debaixo de 6, inhíbese o encima óxido nitroso redutase e acumúlase óxido nitroso. Na revisión de Cervantes-Carrillo et al. (2000) infórmase que en cultivos continuos non se observa ningunha acumulación de intermediarios a pH de 6 a 9, pero o proceso é inhibido na súa totalidade a pH 5.
Oxíxeno
Asúmese en xeral que o encima óxido nitroso redutase (Nos) é o encima cunha maior sensibilidade á presenza de oxíxeno. En xeral os encimas redutases son inmediata ou gradualmente inactivados pola presenza de oxíxeno. A principal razón da sensibilidade da desnitrificación á presenza de oxíxeno é a competición por electróns, xa que o oxíxeno é un aceptor de electróns termodinamicamente máis favorable que o nitrato.
Fonte doadora de electróns
A capacidade que teñen os compostos orgánicos de doar electróns é un dos factores máis importantes que controlan a actividade heterotrófica e, por tanto, a actividade desnitrificante heterotrófica. Existe unha gran variedade de compostos que poden ser usados para levar a cabo a desnitrificación en augas residuais. Os principais doadores de electróns utilizados son o metanol, o etanol, a glicosa, o acetato, o ácido aspártico e o ácido fórmico, entre outros. Isto non implica que soamente sexan usados substratos doadamente degradables polos microorganismos que levan a cabo a desnitrificación. Existen informes de desnitrificación con compostos como hidrocarburos, materia orgánica complexa, glicol, compostos aromáticos e celulosa. Porén, para compostos pouco asimilables como os hidrocarburos e especialmente os compostos aromáticos, as velocidades de consumo destes compostos son o paso limitante na desnitrificación.
Outro grupo de microorganismos desnitrificantes, os autótrofos, utilizan compostos inorgánicos como sulfuro, hidróxeno, amonio para reducir nitratos. O rendemento enerxético é menor que cos compostos orgánicos, pero os microorganismos presentan unha grande adaptabilidade dependendo das condicións ambientais dos ecosistemas.
Relación C/N
A desnitrificación heterótrofa en consorcios está en grande medida determinada pola relación entre o composto orgánico doante de electróns e o nitrato (relación C/N). Segundo a literatura, obtense un proceso desnitrificante óptimo a relación estequiométrica. Aínda que depende do doante de electróns, pódese considerar que cunha relación C/N menor a 5, pero superior á relación estequiométrica, o proceso desnitrificante lévase a cabo sen limitación, e cunha relación entre 5 e 21, 3 lévase a cabo a desnitrificación e produción de metano. A relacións C/N maiores, prodúcese metano sen que haxa desnitrificación. Isto débese a que o proceso desnitrificante diminúe e aparece a amonificación, que pasa a ser o proceso dominante a relacións C/N maiores de 51. Aplicacións
En resposta ao problema da contaminación por nitratos, xurdiron diversas tecnoloxías para eliminalo do medio tales como intercambio iónico, osmose inversa, electrodiálise e desnitrificación biolóxica. Entre as diversas alternativas, prefírense os tratamentos biolóxicos pola súa sinxeleza, selectividade e baixo custo aos tratamentos físico-químicos, máis caros e con maior xeración de residuos tóxicos.
Algunhas das aplicacións, reais ou potenciais da desnitrificación autótrofa son: Control de problemas de corrosión e cheiros por sulfhídrico en sistemas de sumidoiros por medio da adición de nitrato.
Estimulación, mediante adición de nitratos, da degradación biolóxica do ácido sulfhídrico en salmoiras de campos petrolíferos, que reduce os problemas asociados á súa toxicidade, corrosividade e tendencia a formar compostos de metais insolubles de xofre.
Tratamento do biogás ou gas natural para eliminar o ácido sulfhídrico presente.
Eliminación simultánea de N e S no tratamento de augas residuais mediante recirculación dos nitratos resultantes da fase de nitrificación, a unha fase anaerobia, reducindo os nitratos e oxidando os sulfuros, obtendo un dobre beneficio nunha soa etapa. Esta aproximación non é só teórica e xa se ensaiou para tratar os efluentes de produción de lévedos.
Eliminación de nitratos da auga potable (Darbi et al, 2003) e auga residual (Gommers et al, 1988, Nugroho et al, 2002, Am et al, 2005) usando S0.
Eliminación de nitrato de augas subterráneas mediante a inserción de membranas con hidróxeno e dióxido de carbono (KSHaugen. 2002), ou usando un leito mixto con sulfuro e gránulos de calcita en proporción de volume 1: 1 con Thiobacillus denitrificans.
En estudos realizados sobre a cinética da desnitrificación quimiolitótrofa viuse que a taxa de desnitrificación e sulfoxidación depende fortemente da fonte de xofre inorgánica usada como dador de electróns, comprobándose que é mellor o tiosulfato, seguido do sulfhídrico e por último o xofre elemental. (Beristan-Cardoso, 2006).
Un exemplo é a oxidación do tiosulfato que se axusta á seguinte ecuación:
S2O32- + 1, 6 NO3- + 0, 2 H2O → 2 SO42- + 0, 8N2 + 0, 4 H+
∆Gº´ -765, 7 kJ/ reacción. (Ecuación 2)