Caracterización ultraestructural de gránulos anaerobios de reactores UASB industriales operados en mesofílica - Fama Bottini, Graciela (Universidad Autónoma Metropolitana, 1998)
En reactores del tipo UASB, la acumulación de biomasa se produce. por la formación de gránulos cuya composición esencialmente orgánica, correspondiendo ésta a los microorganismos y a los polímeros extracelulares que les sirven de cemento. Si bien se ha realizado un considerable esfuerzo por comprender la organización del gránulo, ésta aún no se conoce bien. Se han realizado numerosos estudios de gránulos anaerobios empleando técnicas diversas, pero es muy limitado el número de reportes centrados en el aspecto ultraestructural. Además se han propuesto modelos de estructura definida de los gránulos relacionada con la composición del sustrato (Guiot y col., 1992, Fang, 1997). Se sostiene que los gránulos alimentados con sustratos ricos en carbohidratos (sacarosa) presentan tres capas, con las bacterias fermentativas en la capa externa, las acetogénicas e hidrogenofílicas en la intermedia, y las metanogénicas acetoclásticas en el centro del gránulo (Guiot y col., 1992, Fang, 1997), mientras que los gránulos alimentados con sustratos cuya etapa inicial de degradación es lenta (acetogénesis del propionato, hidrólisis de las proteínas, acidogénesis del glutamato) presentan una distribución uniforme de los microorganismos en todo el gránulo (Fang, 1997). Puesto que todos esos experimentos han sido realizados con influentes sintéticos conteniendo una sola fuente de carbono y energía, en este trabajo nos propusimos analizar cómo es la distribución de los microorganismos en el gránulo cuando éstos son alimentados-con una mezcla de sustratos orgánicos, como lo son las aguas residuales industriales. Para ello se realizó, con Microscopio Electrónico de Barrido (MEB), un estudio comparativo de gránulos anaerobios de cinco reactores UASB industriales que operan con influentes de composición química compleja (aguas residuales urbanas: UAM-I, del proceso de levaduras: Imexa, malta: Central de Malta y lácteos: La Caperucita y El Sauz y presentan diferentes diseños de construcción. Se determinó la composición química de cada agua residual (concentraciones de azúcares, protéinas, grasas y aceites, ácidos grasos volátiles, iones y metales), las características físicas de los lodos (SSV, SST, granulometría, IVL, Vmax) y se observaron con MEB gránulos enteros y criofracturados con nitrógeno líquido. ; All the wastewaters studied contained a very low concentration of sugars and three of them a high concentration of protein (Imexa, Central de Malta and UAM-I). Volatile fatty acids represented a significant amount of the COD (40%) only in the case of Central de Malta. The wastewaters contained also a low amount of suspended solids with respect to COD, except in the case of El Saw and UAM-1. Due totheir composition, all these wastewaters can present a hydrolytic/fermentative rate-limiting step during their anaerobic degradation. The observations with SEM showed that for two of the sludges studied (Central de Malta, El Sauz) the biogranules presented a layered microstructure with a core almost exclusively composed of bamboo-shaped bacteria similar to Methanosaeta. Caperucita's granules showed a uniform microstructure and those of UAM-I an inorganic core. In the case of Imexa's sludge, both layered and uniform granules were found. Based on the model developed by Fang (1997) and the fact that the anaerobic degradation of the five wastewaters could present a hydrolytic-fermentative rate limiting step, all the granules should have presented an homogenous distribution of the microorganism. On the contrary, in all cases, except La Caperucita, a stratified distribution of the microorganism has been observed. As a consequence, it seems that the distribution of the microorganisms in the granules is not only due to the substrate chemical nature but that other factors uch as loading rate, compounds concentration, temperature among others may be also important. Dans les réacteurs de type UASB, l'accumulation de biomasse se produit grice B la formation de granules dont la composition est essentiellement organique puisqu'il s'agit d'un agglomérat de bactéries cimenté par des polymkres exocellulaires. Bien qu'un grand effort de recherche ait été réalisé afin de comprendre les facteurs qui gouvernent la formation des granules, cette dernikre est encore mal comprise. Le nombre d'étude portant sur leur ultrastructure est de plus limité. A l'heure actuelle, deux modeles visant B expliquer l'organisation bactérienne dans les granules ont toutefois été élaborés (Guiot et al., 1992; Fang, 1997). Ces modkles indiquent que les granules alimentés avec des substrats facilement fermentescibles comme les sucres vont présenter une structure en couche, chaque couche étant colonisée par une population spécifique (par exemple, dans le cas du saccharose, les bactéries fermentaires sont localisées B la surface des granules, les méthanogenes acétoclastes de type Methanosaeta au centre et les bactéries acétogknes et les méthano,' =enes hydrogénotrophes entre les deux), alors que les granules cultivés sur des substrats présentant une étape d'hydrolyse ou de fermentation limitante (acétogénkse du propionate, hydrolyse des protéines, fermentation du glutamate ...) auront une structure homogkne, tous les micro-organismes étant répartis au hasard. Etant donné que les modeles précédant résultent d'expériences réalisées avec des effluents synthétiques contenant une seule source de carbone et d'énergie, dans ce travail nous nous sommes proposés de déterminer qu'elle serait l'organisation bactérienne dans des granules alimentés avec un mélange de substrats organiques comme le sont les eaux usées industrielles et urbaines. Pour cela, la structure des granules de cinq digesteurs UASB de taille industrielle traitant des effluents de composition chimique complexe (eau usée urbaine: UAM-I, effluents de levurerie: Imexa, malterie: Central de malta et fromagerie: El Sauz et La Caperucita) a été observée au microscope électronique B balayage. La composition chimique des différentes eaux usées (concentration en sucres, protéines, graisses, acides gras volatils, métaux, ions) ainsi que les caractéristiques physiques (MES. MVES, granulométrie, Indice volumique et vitesse de sédimentation) de toutes les boues ont été également déterminés. Les observations au microscope électronique quant 8 elles, ont été réalisées sur les granules entiers, mais aussi aprks cryofracture de manikre B pouvoir avoir accks B leur partie interne. Tous les effluents analysés ont présenté de faibles concentrations en sucre. Trois d'entre eux ont par come présenté une forte proportion de protéines (Imexa, Central de Malta, UAM-I). Le contenu en acide gras volatil s'est avéré important seulement dans le cas de Central de Malta oh ces derniers représentaient 40% de la DCO. Alors qu'avec un rapport MESDCO de l'ordre de 1, les eaux d'Imexa, Central de Malta et La Caperucita étaient essentiellement solubles, celles de la UA" I et de la Caperucita présentaient un fort caractkre particulaire. Les observations au microscope électronique ont montré que les granules de deux des boues étudiées (Central de Malta et El Sauz) présentaient une distribution en couche avec un centre uniquement colonisé par des bactéries similaires i Methanosaeta. Les granules de la Caperucita présentaient quant i eux une structure homogkne et ceux de la UA"1 un centre inorganique. Enfin, les boues d'Imexa contenaient aussi bien des granules i structure en couche qu'homogkne. L'étape d'hydrolyse/fermentation pouvant etre I'étape limitante lors de la fermentation méthanique des cinq eaux usées étudiées, les granules auraient du, selon le modkle de Fang (1997), présenter une distribution homogkne des microorganismes. A l'opposé, dans tous les cas moins La Caperucita, une distribution stratifiée des microorganismes a été observée. Ceci semble indiquer que la distribution des micro-organismes dans les digesteurs n'est pas seulement due h la nature chimique du substrat, mais qu'elle dépend également d'autres facteurs tels que, entre autres, la charge organique appliquée, la concentration des composés organique présents dans l'eau et sa température. Le modkle de Fang ne peut pas par conséquent &re directement extrapoler au cas de granules se développant sur un mélange complexe de substrats.