Ecohidrología en la gestión del agua Soluciones microbiológicas para el tratamiento de polución difusa y puntual de fuentes hídricas - Presentado ...
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Con el apoyo de: Ecohidrología en la gestión del agua Soluciones microbiológicas para el tratamiento de polución difusa y puntual de fuentes hídricas Presentado por: Arnoldo Font Nájera
Curso virtual: Ecohidrología en la gestión del agua
Soluciones microbiológicas para el tratamiento de polución
difusa y puntual de fuentes hídricas
Presentado por: Arnoldo Font Nájera
Con el apoyo de:
Contenido (línea de tiempo)
Soluciones Biofiltros secuenciales de sedimentación y biofiltración (SSBSs)
Ecohidrológicas Basadas
en la Naturaleza Barreras desnitrificantes (BD)
La Fuente de Aumento de nutrientes y/o Degradación de ecosistema
contaminación contaminates en sistemas (p.e. Afloramiento de
(puntual vs difusa) acuáticos cyanobacterias tóxicas)
Monitoreo Físico-Químico Monitoreo Biológico
ERCE PAS Ciudad de Lodz (Polonia Central)
Ecohidrología en la gestión de agua
La fuente de contaminación
Fuentes
Puntuales
difusas
Ciudad
Rural Fáciles de identificar y
tratar
Suburbios
Parcela
https://www.temasambientales.com/2017/03/contaminacion-puntual.html
Establos
Difusas
Plantas de tratamiento
Más difícil determinar el
origen, y por lo tanto,
Fuentes son más difíciles de
puntuales monitorear y tratar.
Fuentes de contaminación del agua Fábrica
https://www.researchgate.net/publication/271830571
Fuente: https://contaminacionjulissa.wordpress.com/tipos-de-fuentes-de-contaminacion-2/
Ecohidrología en la gestión de agua
Los contaminantes
Xenobióticos Fármacos Nutrientes
Nitrato
Amonio
Pigmentos y colorates Metales pesados
Fosfato Nitrito
Solventes
Ecosistema Acuático
Suavizantes Bioacumulación
Biomagnificación
Emulsificadores
Insecticidas
Ecohidrología en la gestión de agua
La consecuencia: Floración de Algas Nocivas (FAN)
Cianobacterias (Cyanophita)
Nutrientes
FAN en ecosistemas Foto: ERCE PAS
acuáticos aguas abajo
Verano
Biomasa de cyanobacteria
E F M A M J J A S O N D Foto: ERCE PAS Foto: ERCE PAS
Mes
Ecohidrología en la gestión de agua
La consecuencia: Floración de Algas Nocivas (FAN)
Cianotoxinas
Efecto en los Ecosistemas
Bioacumulación
Hepatotoxinas
Microcistina
Nivel del contaminante
Microcystis aeruginosa (400x)
Hepatotoxinas Cilindrospermopsina Nivel del contaminante Biomagnificación
Aphanizomenon flos-aquae (400x), ERCE PAS
Neurotoxinas
Saxitoxina
Los problemas al medio ambiente y la sociedad humana
• Pérdida de biodiversidad
• Menos servicios ambientales
• Riesgo a la salud humana
• Restricción de toma de agua, y
• Consumo de alimentos
• Impactos económicos
• Reducción de la pesca,
• Limitación de transporte,
• Limitación de uso recreativo
• Reducción de turismo
Carmichael and Boyer et al., 2016, Harmful Algae Journal, doi: https://doi.org/10.1016/j.hal.2016.02.002
Contenido (línea de tiempo)
La Fuente de Aumento de nutrientes y/o Degradación de ecosistema
contaminación contaminates en sistemas (p.e. Afloramiento de
(puntual vs difusa) acuáticos cyanobacterias tóxicas)
Monitoreo Físico-Químico Monitoreo Biológico
ERCE PAS Ciudad de Lodz (Polonia Central)
Ecohidrología en la gestión de agua
Biología molecular: herramientas para detección de cianobacterias
potencialmente tóxicas
• Reacción en cadena de la Polimerasa (PCR en inglés)
Es un método utilizado para amplificar (hacer copias) de una secuencia
específica de ADN. Se utiliza para hacer millones de copias de un fragmento
específico de ADN.
Copias de ADN
Fragmento de ADN
f(x) = 2x
Ciclos de temperatura
Por cada fragmento de ADN, dos nuevas copias
2 copias 4 copias 8 copias, etc.
son producidas en cada ciclo. Por lo tanto, el
incremento en número de copias es una
función exponencial a la segunda base.Biología molecular: herramientas para detección de cianobacterias
potencialmente tóxicas
Molécula de ADN de cyanobacteria PCR
Marcador molecular
1 2 3 4 5 6 7 8 9 CP CN
Microcistina
CP = control positivo + + + + +
CN = control negativoBiología molecular: Implementación de monitoreo de
cianobacterias tóxicas en el ambiente
PCR
30 Agosto
8 Agosto
20 mayo
16 Sept.
30 sept.
15 Junio
14 Julio
13 Oct.
31 Oct.
CP CN
ERCE PAS + + + + +
Número total de Verano
copias de genes
qPCR
Detección temprana de
potencial tóxico ERCE PAS Fecha de colectaContenido (línea de tiempo)
Por qué las bacterias?
Soluciones Biofiltros secuenciales de sedimentación y biofiltración
Ecohidrológicas Basadas
en la Naturaleza Barreras desnitrificantes
La Fuente de Aumento de nutrientes y/o Degradación de ecosistema
contaminación contaminates en sistemas (p.e. Afloramiento de
(puntual vs difusa) acuáticos cyanobacterias tóxicas)
Monitoreo Físico-Químico Monitoreo Biológico
ERCE PAS Ciudad de Lodz (Polonia Central)
Ecohidrología en la gestión de aguaBiotecnología: el uso de las bacterias para el beneficio humano
Las bacterias tienen
mecanismos bioquímicos
que pueden ser utilizador a
nuestro favor en
BIOREMEDIACIÓN
Degradación, asimilación o acumulación de
contaminantes:
Origen natural: toxinas producidas por otras
bacterias, ejemplo: las cyanotoxinas, etc.
Origen antropogénico (xenobióticos): contaminantes
iónicos (amonio, nitrato, nitrito y fosfato),
contaminates orgánicos (pesticidas, fármacos y
hidrocarbonos poliaromáticos, etc.)
© Copyright. 2014. Universidad de Waikato. Todos los derechos reservados.
www.biotechlearn.org.nz
Ecohidrología en la gestión de aguaBiotecnología: la importancia de las bacterias en EH NBS
Nutrientes
Ciclo del Nitrógeno Ciclo del Fósforo
(https://biologywise.com/nitrogen-cycle-steps) nosZ gene (https://venngage.net/p/160218/the-phosphorus-cycle)
(reductasa de óxido nitroso)
N2 O
(óxido nitroso)
NO
(óxido nítrico)
Bacterias
desnitrificantes
amoA gene Bacterias nitrificantes Bacterias acumuladoras de fosfato
(amonio mono-oxigenasa)
gen ppk (Quinasa de polifosfato)
Ecohidrología en la gestión de aguaSoluciones Ecohidrológicas basadas en la Naturaleza
Sistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs) Barreras desnitrificantes (BD)
Fotografía: ERCE PAS Fotografía: ERCE PAS Fotografía: ERCE PAS
Ecohidrología en la gestión de aguaSistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
1 Áreas urbanas: comunidades microbianas en sistemas secuenciales de sedimentación -
biofiltración (SSBSs por sus siglas en inglés) centrado en el tratamiento de la escorrentía de
aguas pluviales urbanas
Reservorio,
lago o laguna
Material utilizado para la construcción de zonas geoquímicas (GEOz): roca caliza (A) o dolomita (B),
y zona desnitrificante (DENz): lignita (C). Formación de biopelícula microbiana sobre piedra caliza.
[1] [2]
- Lignito
Fotografía: Font Nájera A. Fotografía: Font Nájera A.
Figura adaptada de Font-Nájera et al., Ecological Engineering (2020).
Ejemplos de SSBSs operando en Polonia, Río Sokolowka en ciudad de Lodz (9 años, [1]), y Río Struga
DOI: 10.1016/j.ecoleng.2020.105796
Gnieznienska en ciudad de Gniezno (3 años [2]).Sistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
SSBSs (3 sistemas)
Temperature (C⁰) NO3- NH4+
Oxygen (mg/L; %) Total Phosphorus (TP)
Conductivity (µS/cm)
Organic matter (%)
pH
INF SEDz GEOz DENz BIOz OTF
Microbial metabolic activity
BIOLOG Eco plates
5 diferentes temporadas
Muestras de Molecular analysis
agua Sediment 1- Key functional genes
Agosto 2017 (verano) Limestone / Dolomite 2- Bacterial communities
Octubre 2017 (otoño) Brown coal
Abril 2018 (primavera)
Isolating and
Agosto 2018 (otoño)
Ions:NO2- NO3- NH4+ PO4- characterization of
Noviembre 2018 (Otoño)
Total Nitrogen (TN) nutrient transforming
Total Phosphorus (TP) bacteriaSistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
Abundancia de bacterias transformadoras
Actividad microbiana en biopelículas de de nitrógeno en SSBSs
zonas geoquímicas
1.2 Desnitrificantes
Actividad metabólica
1
0.8 Nitrificantes
0.6 Piedra Caliza
0.4 Dolomita
0.2
0
Primavera Verano Otoño
Bacterial nitrificates, fueron mas abundantes en:
Se encontro mayor actividad metabólica microbiana
• primavera (14.2 ± 2.5 °C),
sobre la superficie de la Piedra caliza, comparado con
• zonas geoquímicas (roca caliza) y desnitrificantes (lignito)
dolomita.
Bacterias desnitrificantes, fueron mas abundantes en:
La mayor porosidad de la Piedra caliza puede ser el factor
• Verano (21.9 ± 1.9 °C),
que ayudó al mayor Desarrollo de biopelícula.
• Zonas desnitrificantes con lignita
*basado en información de Font-Nájera et al., 2021, International Biodeterioration & Biodegradation, doi.org/10.1016/j.ibiod.2021.105203.Sistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
Sok Gnz
• Potenciales bacterias denitrificantes
- Comamonadaceae (GEOz, DENz)
- Rhodobacteraceae (GEOz, DENz)
- Crenotrichaceae (DENz)
- Fravobacteriaceae (DENz)
• Potenciales bacterias acumuladoras de
fosfatos
- Rhodocyclaceae (GEOz)
Fig 7. Abundancia relativa (%) de la comunidad bacteriana en GEOz (roca caliza) y DENz (lignita)
utilizando el gen 16S rRNA. Font-Nájera et al., 2021, International Biodeterioration & Biodegradation,
doi.org/10.1016/j.ibiod.2021.105203.Sistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
Biopelícula microbiana
Concentración (mg L-1)
Zona geoquímica
- Roca caliza
superficie
Zona desnitrificante
- Lignita
superficie
Bacterias nitrificantes
Bacterias desnitrificantes
Otras bacterias
63.4 73.8 32.9 84.9 72.5 (% de remoción)
Entrada de agua (INF) Zona geoquímica
Font-Nájera et al., 2021, International Biodeterioration &
Escorrentía de lluvia (GEOz) Biodegradation (3 temporadas de operación)
Salida de agua (OTF)
Eje horizontal de un
Sistema SSBS (por sus Zona de sedimentación Zona de desnitrificación Zona de biofiltración
siglas en inglés) (BIOz)
(SEDz) (DENz)Sistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
Pausa
Video: Primer SSBSs en la ciudad de Lodz (Polonia Central)
ERCE PASSistemas secuenciales de sedimentación-biofiltración (SSBSs)
11 Áreas rurales: Desarrollo e implementación de productos biotecnológicos para la agriculturea y la gestion de
2 aguas residuales para reducer la contaminación del agua - AZOSTOP TANGO2/339929/NCBR/2017
Coordinator: Prof. dr hab. Maciej Zalewski Main contractors: prof. dr hab. Joanna Mankiewicz-Boczek, www.azostop.com
dr hab. Edyta Kiedrzyńska, Dr. Agnieszka Bednarek
río
reservorio
(Kiedrzynska et al., 2017, Scientific Reports)A.Aislamiento de bacterias de SSBSs
ϒ-Proteobacteria
Experimentos controlados en
laboratorio con medio selectivo
β-Proteobacteria
Nitrificación
ERCE PAS
Denitrificación
Nitrificación-Denitrificación Firmicutes
Simultanea
Actinobacteria
ERCE
ERCEPAS
PAS
Phylogenetic description using the 16S rRNA gene of the 10 selected bacteria, out from a total of 150 strains, that
performed nitrogen removal activity. Two strains (marked with red arrow) were selected for further experiments.
Figure adapted from Font Nájera A et al., 2021, Scientific Reports, doi.org/10.1038/s41598-021-86212-3Potencial biotecnológico de bacterias aisladas para remover compuestos nitrogenados
Transformación de compuestos nitrogenados Caracterización genetica para determiner los
procesos involucrados en el ciclo del nitrógeno
Citrobacter fruendii Bzr02
Resultados importantes
Reductor de nitrato
Asimilador de nitrógeno
Remueve hidroxilamina
Pseudomonas mandelii Str21
Resultados importantes
Desnitrificador
Asimilador de nitrógeno
Figures from Font Nájera A et al., 2021, Scientific
Reports, doi.org/10.1038/s41598-021-86212-3Barreras Desnitrificantes (BD)
Áreas rurales: Desarrollo e implementación de productos biotecnológicos para la
2 agriculturea y la gestion de aguas residuales para reducer la contaminación del agua
Construcción de barrera
Barrera vertical
NO3-
Barrera horizontal NH4+
NO2- Fotografía: ERCE PAS
Inoculación de bacterias
(adaptado de Bednarek et al., 2014, DOI: desnitrificadoras
Materiales utilizados https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2014.01.005)
Fotografía: Universidad de Lodz
Biopelícula con
microbiota desnitrificante Aserrín de pino Paja de cebada Paja de linaza Lignita
Fotografía: ERCE PASBarreras Desnitrificantes (BD)
Áreas rurales: Activadores microbianos en depósitos desnitrificadores utilizados para el tratamiento de la
2 contaminación por nitratos para la aplicación de la Directiva del Marco de Agua y la directive sobre el nitrato
Remoción de amonio del estiércol, cuatro
Coordinator: Prof. dr meses de operación
500
hab. Maciej Zalewski
400
remoción ± 73%
Graph: ERCE PAS
Main contractors:
prof. dr hab. Joanna
NO3 [mg/l]
300
Mankiewicz-Boczek
Dr. Agnieszka Bednarek 200
Fotografía: ERCE PAS 100
0
I II III IV
1 2 3 2 1 3
Remoción de amonio del estiércol, cuatro
meses de operación
500
400
Graph: ERCE PAS
NH4 [mg/l]
300
remoción ± 100%
Fotografía: ERCE PAS 200
100
Calidad del lixiviado: 1) Estiércol,
2) dentro del depósito, and 3) detrás del depósito. 0
I II III IV
11Otras aplicaciones interesantes de las bacterias
ERCE PAS
11Otras aplicaciones interesantes de las bacterias
La Ficosfera cianobacteriana
Bacterias degradadoras de cianotoxinas
Utilizan la microcistina como fuerte de
carbono (alimento).
Bacterias algicidas
Producen metabolitos secundarios que
dañan la membrana y pared celular de
las cianobacterias
11Bacterias degradadores de microcistina
Photo: ERCE PAS
Sphingosinicella
Fotografía del reservorio de Jeziorsko con Font Najera et al., Biologia 2017
florecimiento de cyanobacteria
microcystinivorans JEZ-8L
92% de remoción de
microsistina (10 mg/L)
en 7 días.
Photo: ERCE PAS
Font-Najera et al., 2017, Biologia, Doi: 10.1515/biology-2017-0172
11Bacterias con capacidad alguicida
Embalses aguas abajo: Aislamineto, identificación y caracterización de bacterial alguicidas como
un factor potencial para controlar la aparición de afloramientos de cyanobacterias tóxicas en
agua dulce (NCS 2019/33/B/NZ8/02093) Coordinator: Prof. dr hab. Joanna Mankiewicz-Boczek
(1) (2)
Fotografía: ERCE PAS
(A) (B) (C)
Ensayos de degradación de cyanobacteria (Microcystis aeruginosa,
cada plato es una diferente cepa) con bacterias aisladas
Fotografía: ERCE PAS, Liliana Serwecińska
Co-cultivos en donde se encontró actividad algicida
1) Recolección de muestra de afloramiento de cyanobacteria, 2) incubación de las
muestras. A) Co-cultura de M. aeruginosa con bacteria alguicida luego de dos días de
incubación, B) cambios después de 10 días de incubación, C) Cultivo de M. aeruginosa
sin inoculación de bacteria alguicida (control).Potenciales aplicaciones de bacterias degradadoras de microcistina y capacidad alguicida
Estanques de contención agrícola
Plantas de tratamiento de agua
ERCE PAS ERCE PAS
11Grupo científico principal involucrado en las investigaciones
• Prof. dr hab. Joanna Mankiewicz-Boczek
• Dr. Agnieszka Bednarek
• Dr. Liliana Serwecińska
• Prof. dr hab. Edyta Kiedrzyńska
• Dr. hab. Magdalena Urbaniak
• Dr. Sebastian Szklarek
• Dr. Ilona Gągała-Borowska
11Lectura recomendada doi.org/10.1016/j.ecohyd.2021.08.001 11
Muchas gracias por su atención
Thank you for your attention
Joanna Mankiewicz-Boczek
j.mankiewicz@erce.unesco.lodz.pl
Arnoldo Font Nájera
a.font-najera@erce.unesco.lodz.pl
Fotografías: ERCE PASTambién puede leer
