Aislamiento de bacterias fotoanoxigénicas con potencial aplicación para la purificación de biogás

Abstract

El biogás es una mezcla gaseosa compuesta principalmente de metano y dióxido de carbono, y otros gases traza considerados contaminantes (N2, O2, H₂S, CO, vapor de agua, siloxanos, mercaptanos). Dicha mezcla es producida por la fermentación anaeróbica de materia orgánica, proceso microbiológico que ocurre en ambientes naturales y por medio de diferentes actividades humanas. Su utilización como energía renovable no convencional (ERNC) requiere la remoción de H₂S, dado su alto poder corrosivo que daña la maquinaria y el sistema de distribución, su efecto nocivo para la salud humana y de otros organismos, y su efecto contaminante ya que su combustión produce óxidos de azufre que generan la lluvia ácida. Entre los métodos para eliminar H₂S se pueden distinguir dos tipos: los fisicoquímicos y microbiológicos; estos últimos son preferidos dado su bajo costo y mínimo impacto ambiental. Los métodos microbiológicos se fundamentan en la capacidad de los microorganismos de utilizar el H₂S como dador de electrones para la generación de NADH y ATP en el proceso de fijación de CO2 por vía fotosintética o quimiosintética. En este trabajo se evaluó la capacidad de remoción de H₂S de microorganismos fotoanoxigénicos pertenecientes al grupo de las bacterias púrpuras. Para obtenerlos, se enriqueció una muestra de suelo mediante la construcción de una columna de Winogradsky, luego se extrajo el estrato de interés, se cultivó y purificó en condiciones selectivas. Para determinar las condiciones de crecimiento más favorables, se utilizaron tratamientos con distintas fuentes de carbono (acetato y piruvato) y atmósferas gaseosas (biogás y CO2). Se determinó una mayor densidad óptica en medio de cultivo con acetato o piruvato y atmósfera de biogás, no existiendo diferencia significativa entre ambas fuentes de carbono orgánico. Por lo tanto, se escogió la condición con piruvato y biogás para continuar los ensayos. La capacidad fotoanoxigénica de los cultivos seleccionados en la condición más favorable, se determinó por la presencia de marcadores moleculares, entre ellos el gen pufM que codifica para la subunidad M del centro de reacción fotosintético de bacterias púrpuras, y el rDNA 16S para el grupo de bacterias verdes del azufre, verdes no del azufre y heliobacterias. Posteriormente, debido a que el cultivo seleccionado se trató de un consorcio y no de un cultivo puro, se determinó la composición bacteriana del mismo mediante la construcción de una genoteca del gen rDNA 16S. El análisis de secuencias indica un 69% de abundancia de clones relacionados al género Rhodopseudomonas, perteneciente al grupo fotoanóxigénico de bacterias púrpuras no del azufre, y en segundo lugar, un 19,5% de clones relacionados al género Clostridium, de metabolismo fermentador. Luego, en abundancias menores se detectaron secuencias relacionadas a los géneros Pseudomonas (4,5%) y Achromobacter (3,0%), de metabolismo quimioorganotrófico. Finalmente, se realizó un ensayo de purificación de biogás utilizando el cultivo seleccionado en un sistema tipo batch en el que se comparó la capacidad de remoción de H₂S presente en la fase gaseosa a distintos tiempos de incubación. La concentración de H₂S disminuyó a mayor velocidad en el tratamiento con cultivo de bacterias en relación al tratamiento control sin bacterias. El resto de los componentes del biogás no se vio significativamente afectado por la presencia del inóculo.

Biogas is a gas mixture composed mainly of methane, carbon dioxide, and other trace gases considered contaminants (N₂, O2, H₂S, CO, water vapor, siloxanes, mercaptanes). This mixture is produced by the anaerobic fermentation of organic matter, microbiological process that occurs in natural environments by different human activities. Its use as non-conventional renewable energy (NCRE) requires the removal of H2S, given its high corrosive damage to machinery and distribution system, its harmful effect on human health and other organisms, and its polluting effect because its combustion produces sulfur oxides which generate acid rain. The methods to remove H₂S can distinguish two types: the physicochemical and microbiological; the latter are preferred because of their low cost and minimal environmental impact. Microbiological methods are based on ability of microorganisms to use H₂S as electron donor for generation of NADH and ATP in the process of CO₂ fixation via photosynthesis or chemosynthesis. This study evaluated the H₂S removal capacity of photosynthetic microorganisms belonging to the group of purple bacteria. To obtain them, a soil sample was enriched by constructing a Winogradsky column; then the layer of interest was extracted, cultivated and purified under selective conditions. To determine the most favorable growth conditions, treatments with two carbon sources (acetate and pyruvate) and gaseous atmospheres (biogas and CO2) were used. A higher optical density in culture medium with pyruvate or acetate in biogas atmosphere was determined, without statistical significant difference between the two organic carbon sources. Therefore, the condition with pyruvate and biogas was chosen to continue testing. The photoanoxygenic ability of the selected cultures in the most favorable condition was determined by the presence of molecular markers, including the pufM gene which encodes the subunit M of the reaction photosynthetic center of purple bacteria, and the 16S rDNA for the group of green sulfur bacteria, green non-sulfur bacteria and heliobacterias. Subsequently, because the selected culture was a consortium rather than a pure culture, its bacterial composition was determined by library construction of the 16S rDNA gene. Sequence analysis indicates 69% of clones were related to the genus Rhodopseudomonas, belonging to the photoanoxygenic group of purple nonsulfur bacteria, and in the second place, 19.5% of clones were related to the genus Clostridium, of fermenter metabolism. Then in lower abundances detected sequences were related to the genera Pseudomonas (4.5%) and Achromobacter (3.0%), of chemorganotrophic metabolism. Finally, a biogas purification assay was performed using the selected culture in a batch-type system, in which the H₂S removal capacity from the gas phase was compared at different incubation times. The H₂S concentration decreased faster in the treatment with the selected culture in relation to control without bacteria. The other biogas components were not significantly affected by the presence of inoculum.