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Cada invierno que ha llegado, ha terminado. MICROTHRIX Parvicella regresará

05/07/2021

Cada invierno que ha llegado, ha terminado. MICROTHRIX Parvicella regresará

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Andrés Zornoza Zornoza

Andrés Zornoza Zornoza

  • Científico freelance
  • Director Área H2O en WALEBUBLÉ y H2OCITIES
  • Doctor en Ingeniería del Agua y Medioambiental (UPV)
  • Fundador de www.walebuble.com
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"Basándonos en las principales aportaciones científicas, podemos afirmar que “M. parvicella” es un microorganismo filamentoso visitante durante el invierno o periodos fríos, y que gracias a la elevada hidrofobicidad de sus paredes celulares y su capacidad exoenzimática es capaz de asimilar los ácidos grasos de cadena larga"
 
El invierno y la primavera ya quedaron atrás. El silbido del zorzal viajando entre las oscuras mañanas ha dejado de sonar, mientras se acercan las mañanas cálidas. Es hora de sentir los profundos suspiros de alivio de los técnicos de explotación de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), al conocer que la terrible bacteria filamentosa Microthrix parvicella ha partido, aunque no para siempre, pues saben que regresará con el frío del próximo invierno. Detrás han quedado momentos de pánico en la EDAR, con numerosos incumplimientos en el vertido del agua tratada, así como elevados costes de explotación.
 
Mucho se ha escrito y mucho se ha especulado sobre la temida “M. parvicella”, un microorganismo filamentoso que no pasa para nada desapercibido en el sector del tratamiento de las aguas residuales. El profesor Eikelboom, en la década de los noventa, ya vaticinaba que su “vida” en los biorreactores sería todo un puzzle y, sin duda, aunque hayamos conseguido descubrir una “aspirina” (PAX) para paliar sus efectos devastadores durante los episodios de pánico, su dinámica se encuentra todavía cultivada de misterios.
 
 
 
Foaming filamentoso
 
 
Dos son las noticias que nos ofrece nuestra terrible amiga: una buena y otra mala. La buena es, sin duda, su fácil identificación en fangos activos: filamentos irregulares, con abultamientos y sin morfología celular, y una tinción de Gram fuertemente positiva, mientras que la mala es su capacidad de combinar los episodios de abultamiento (bulking) y formación de espumas (foaming), una mezcla que provoca realmente efectos devastadores en las instalaciones.
 
 
 
Microthrix parvicella
 
 
Con este alentador preámbulo, parece necesario dedicar unas líneas para anunciar los principales conocimientos que la comunidad científica ha aportado sobre la “vida” de este entrañable ser filamentoso, visitante cíclico de nuestras instalaciones y contribuyente fiel al caos.
 
Sin más, damos paso a conocer solo el principio de su apasionante biografía...
 


Los inicios fueron complicados

 
Tan pronto como fue desarrollado el proceso de fangos activos en 1914, por Ardern & Lockett, comenzaron a sucederse los problemas ocasionados por microorganismos filamentosos. Los primeros intentos de control de estos seres fueron bastante confusos y frustrantes, debido a la incapacidad para identificar los filamentos que originaban dichos problemas. No fue hasta 1975, cuando el profesor Eikelboom propuso el sistema de identificación convencional de microorganismos filamentosos en fangos activos, lo que hizo posible un “lenguaje común” entre científicos. Fue sin duda todo un anhelado punto de partida, para que numerosos estudios pudieran asociar la presencia de “Microthrix parvicella” a episodios de bulking y foaming, los cuales se encuentran bien resumidos en los conocidos manuales de Eikelboom & van Buijsen (1983) y Jenkins et al. (1993). Realmente, pocos son los microorganismos filamentosos que han podido ser aislados en cultivo puro, entre ellos, “Microthrix parvicella”, aislada por primera vez en 1973 por van Veen, después de los primeros intentos frustrantes de Pasveer (1969) y Farquhar & Boyle (1971a, b), aunque bien es cierto que su mantenimiento en cultivo siempre ha sido muy complicado.
 
 
 
Cultivo bacteriano
 
 

Un nombre provisional para un “degustador” de ácidos grasos

 
Son numerosos los técnicos que todavía atribuyen a “Microthrix parvicella” el nombre de especie, siendo realmente un nombre vernáculo o vulgar. No fue hasta 1996, cuando la profesora Linda Blackall y otros investigadores consiguieron elevar dicho organismo al estado de Candidatus (Ca.), en la clase Actinobacteria, dentro del filo Actinobacteria, siendo por tanto un organismo candidato a especie y no una especie aceptada.
 
Actualmente, gracias a la técnica de hibridación in situ con sondas 16S/23S rDNA marcadas con fluoróforos (FISH), se han diseñado sondas capaces de identificar a Ca. ‘Microthrix parvicella’, como son: MPA645, MPA60 y MPA223, y a Ca. ‘Microthrix calida’, otro organismo muy similar capaz de ser identificado con la sonda MPA-T1-1260. A pesar de las sondas disponibles, es suficiente el empleo de la técnica convencional para identificar y controlar su presencia en fangos activos (Zornoza, 2017).
 
 
 
Sonda MPA 645
 
 
Ca. ‘Microthrix parvicella’ es, sin duda, un exquisito “degustador” de ácidos grasos de cadena larga, siendo su característica ecofisiológica más singular, según Nielsen et al. (2009). Dichos sustratos son tomados bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas y almacenados como reservas de lípidos, utilizándolos para su crecimiento con oxígeno o nitrato como aceptores terminales de electrones. La elevada hidrofobicidad de la pared celular de Ca. ‘Microthrix parvicella’, junto con las actividades exoenzimáticas esterasa y lipasa asociadas a su superficie, la hacen extremadamente competitiva en la asimilación y crecimiento a partir de lípidos y grasas.
 
A pesar de que han sido numerosos los estudios que han centrado sus objetivos en la descripción fenotípica, filogenética y fisiológica de bacterias Microthrix, son todavía muy escasos aquellos que lo han hecho en la ecología de plantas depuradoras a escala real. Insisto en que los estudios de ecología son imprescindibles para poder dilucidar la combinación de valores y variables ambientales que desencadenan los episodios de pánico de este misterioso microorganismo.
 

 

El bajo oxígeno disuelto (OD) en los reactores: un arma poderosa de supervivencia de “M. parvicella”, todavía poco contrastada

 
Aunque el bajo nivel de OD siempre ha sido comentado entre los responsables de planta como una condición a revisar ante episodios de pánico por “M. parvicella”, son pocos los documentos científicos que han podido contrastar su capacidad competitiva en condiciones de limitación de esta variable operacional, probablemente por las dificultades en la obtención de valores de OD representativos durante la marcha del proceso biológico (Zornoza, 2017).
 
Fue la profesora Simona Rossetti, en el año 2005, quien señaló que valores bajos de OD (aproximadamente de 0,4 mg/L) producían filamentos largos y regulares con pérdida celular o tricomas deformados, siendo dicha limitación una ventaja metabólica competitiva para “M. parvicella”. Anteriormente, en 1983, Slijkhuis también concluyó que elevadas concentraciones de OD (>6 mg/L) podrían ser tóxicas para “M. parvicella”, siendo considerado por ello un microorganismo microaerófilo. Dichos resultados no han sido posteriormente contrastados y tampoco dicha estrategia ha sido documentada con éxito en el control de “M. parvicella” en plantas depuradoras a escala real.
 

 

La edad del fango (EF): una variable contradictoria y quizás poco determinante

 
Algunos investigadores han asociado la supervivencia de “Microthrix parvicella” con valores elevados de EF, a partir de los valores bajos de velocidad máxima de crecimiento (Rossetti et al., 2005), lo cual podría confirmar la ocurrencia de “M. parvicella” en plantas depuradoras diseñadas para la eliminación de nutrientes (Jenkins et al., 2004; Eikelboom, 2006).
 
Algunos autores han señalado que dichos microorganismos filamentosos se encuentran favorecidos por valores de la EF superiores a 10 días (Eikelboom, 2000, 2006), incluso algunos afirmaron anteriormente que se requieren dichos valores para que “M. parvicella” cause episodios de bulking y foaming (Richard, 1989).
 
En este sentido, hay opiniones contrarias que indican que precisamente los valores de EF inferiores a 10 días pueden llegar a explicar la mayor abundancia de Ca. “M. parvicella” en determinadas EDAR, no influyendo en términos generales en la dinámica poblacional del conjunto de las EDAR (Zornoza, 2017). Estos últimos resultados son similares a los obtenidos por Santos et al. (2015) y Mi?ob?dzka et al. (2016). En base a lo expuesto anteriormente, la EF no parece ser una variable que deba ser considerada determinante en la aparición de episodios de bulking y/o foaming causados por “M. parvicella”, aunque valores superiores a 10 días puedan en ocasiones contribuir a su crecimiento hasta alcanzar indeseables en la EDAR.
 

 

Amante de las bajas temperaturas en los reactores (Tªr): la clave de la “degustación de los ácidos grasos”

 
Si hay algo bastante claro de “M. parvicella”, y en el que coinciden la inmensa mayoría de investigadores es, sin duda, su elevada capacidad de crecimiento a bajas temperaturas, lo que le confiere una ventaja competitiva durante los periodos más fríos. De hecho, la proliferación de “M. parvicella” en las EDAR muestra un patrón estacional característico, apareciendo principalmente durante el invierno. Muchos de los lectores responsables de planta ya conocen por su experiencia el rango de Tªr en el cual puede desencadenarse su crecimiento exponencial, efectivamente, según Eikelboom (2000) y Jenkins et al. (2004), valores inferiores a 15 ºC favorecen su crecimiento, mientras que Levantesi et al. (2006) y Zornoza (2017), señalan que son los valores inferiores a 21 ºC.
 
Algunos científicos apuntan que la baja temperatura que llegan a alcanzar los reactores durante el invierno es la clave de su ventaja competitiva en la asimilación de ácidos grasos de cadena larga (LCFAs, long-chain fatty acids), como son: el ácido oleico, trioleico y palmítico, puesto que disminuye la solubilidad de estos compuestos.
 
Además, “M. parvicella” cuenta con dos “armas” muy potentes: una superficie celular hidrofóbica capaz de atraer lípidos y otras sustancias no polares, y la actividad exoenzimática lipasa, que le permite tomar productos de lisis y LCFAs de los lípidos asociados con la superficie celular. Dicha combinación podría explicar su ventaja competitiva frente a otros organismos heterótrofos que utilizan lípidos.
 
 
 
Aceite de oliva (ácido oleico)
 
 

Nitrificación y desnitrificación deficientes: una relación todavía no suficientemente contrastada

 
En 1983, Slijkhuis demostró el requerimiento de N-NH4+ para el crecimiento de “M. parvicella”. A partir de entonces, han sido pocos los autores que han asociado dicho microorganismo filamentoso con procesos deficientes de nitrificación y desnitrificación, siendo necesarios más estudios en plantas depuradoras a escala real.
 
Basándonos en las principales aportaciones científicas, podemos afirmar que “M. parvicella” es un microorganismo filamentoso visitante durante el invierno o periodos fríos, y que gracias a la elevada hidrofobicidad de sus paredes celulares y su capacidad exoenzimática es capaz de asimilar los ácidos grasos de cadena larga.
 
Ahora bien, llama enormemente la atención que aceptada su relación con los aceites y grasas (AG), dicha variable fisicoquímica no haya sido incluida en los estudios de ecología en plantas a escala real (Zornoza, 2017). De hecho, curiosamente la carga de aceites y grasas (CAG) en el afluente a los reactores biológicos no es una variable que normalmente se determine en las EDAR, ni siquiera el rendimiento de los sistemas de eliminación de aceites y grasas. Muchos responsables de planta dan por hecho que la no observación de aceites en la superficie del agua residual afluente al reactor es una garantía de buen funcionamiento de estos sistemas, estando probablemente equivocados, puesto que es posible la presencia de niveles elevados de AG sin llegar a ser visibles, contribuyendo al crecimiento excesivo de las bacterias filamentosas especializadas en estos compuestos. Uno de los primeros trabajos incluyendo la CAG señala que valores por encima de 15 g/Kg SSVLM.d podrían contribuir al crecimiento de “M. parvicella” (Zornoza, 2017).
 
Bien es cierto, que otras EDAR con valores elevados de CAG en el afluente al reactor durante los periodos fríos no muestran la aparición de “M. parvicella”, lo cual pone de manifiesto que las piezas del puzzle todavía no están en su sitio. Seguramente existan otro tipo de variables ambientales o factores abióticos determinantes del crecimiento de estos microorganismos, siendo por ello necesario que los futuros estudios de ecología en EDAR a escala real realicen una gestión de datos basada en una ordenación multivariante ambiental en el espacio y en el tiempo, capaz de construir modelos de predicción.
 
A la espera de que los futuros estudios cambien el curso de la historia, una vez más volverá a visitar nuestras EDAR, mientras tanto, otro ser filamentoso “disfrazado” de “Microthrix parvicella”, sembrará el caos (próximamente).
 
 
Referencias
  • Ardern, E., y Lockett, W.T. (1914) Experiments on the oxidation of sewage without de aid of filters. Journal of the Society of Chemical Industry, London 33: 523-525.
  • Blackall, L.L., Stratton, H., Bradford, D., Del Dot, T., Sjorup, C., Seviour, E.M., y Seviour, R.J. (1996) ‘‘Candidatus Microthrix parvicella’’, a filamentous bacteria from activated sludge sewage treatment plants. International Journal of Systematic Bacteriology 46: 344-346.
  • Eikelboom, D. (2000) Process Control of Activated Sludge Plant by Microscopic Investigations. London: IWA Publishing.
  • Eikelboom, D. (2006) Identification and Control of Filamentous Micro-organisms in Industrial Wastewater Treatment Plants (CD). London: IWA Publishing.
  • Eikelboom, D.H. (1975) Filamentous organisms observed in activated sludge. Water Research 9: 365-388.
  • Farquhar, G.J., y Boyle, W.C. (1971a) Occurrence of filamentous microorganisms in activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 43: 779-798.
  • Farquhar, G.J., y Boyle, W.C. (1971b) Identification of filamentous microorganisms in activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 43: 604-622.
  • Jenkins, D., Richard, M., y Daigger, G. (1993) Manual on Causes and Control of Activated Sludge Bulking and Foaming. Chelsea, Michigan: Lewis Publishers.
  • Jenkins, D., Richard, M.G., y Daigger, G.T. (2004) Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and other Solids Separation Problems. London: IWA Publishing.
  • Levantesi, C., Rossetti, S., Thelen, K., Kragelund, C., Krooneman, J., Eikelboom, D. et al. (2006) Phylogeny, physiology and distribution of ‘Candidatus Microthrix calida’, a new Microthrix species isolated from industrial activated sludge wastewater treatment plants. Environmental Microbiology 8: 1552-1563.
  • Mi?obe?dzka, A., Witeska, A., y Muszy?ski, A. (2016) Factors affecting population of filamentous bacteria in wastewater treatment plants with nutrients removal. Water Science and Technology 73(4): 790-797.
  • Nielsen, P.H., Kragelund, C., Seviour, R.J., y Nielsen, J.L. (2009) Identity and ecophysiology of filamentous bacteria in activated sludge. FEMS Microbiology Reviews 33(6): 969-998.
  • Pasveer, A. (1969) A case of filamentous activated sludge. Journal of the Water Pollution Control Federation 41: 1340-1352.
  • Richard, M. (1989) Activated Sludge Microbiology. Alexandria, Virginia: The Water Pollution Control Federation.
  • Rossetti, S., Tomei, M.C., Nielsen, P.H., y Tandoi, V. (2005) ‘‘Microthrix parvicella’’, a filamentous bacterium causing bulking and foaming in activated sludge systems: a review of current knowledge. FEMS Microbiology Reviews 29: 49-64.
  • Santos L.A, Ferreira, V., Neto, M.M., Pereira, M.A., Mota, M., y Nicolau, A. (2015) Study of 16 Portuguese activated sludge systems based on filamentous bacteria populations and their relationships with environmental parameters. Applied Microbiology and Biotechnology 99(12): 5307-5316.
  • Slijkhuis, H. (1983) Microthrix parvicella, a filamentous bacterium isolated from activated sludge: cultivation in a chemically defined medium. Applied and Environmental Microbiology 46: 832-839.
  • van Veen, W.L. (1973) Bacteriology of activated sludge, in particular the filamentous bacteria. Antonie van Leeuwenhoek 39: 189205.
  • Zornoza, A. (2017) Estudio de la dinámica poblacional de protistas, metazoos y bacterias filamentosas y su interpretación ecológica en fangos activos. Tesis. Valencia: Universitat Politècnica de València.
 
 
Andrés Zornoza
 

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Comentarios Publicar comentario
06/07/2021
Emilio Serrano escribió:
Felicidades de nuevo Andrés por el excelente artículo.
En Surcis nos hemos encontrado con varios procesos de depuración que se encontraban bajo el bulking provocado por la presencia de M. Parvicella y la Respirometría BM aportó el análisis de algunos puntos que creo importante comentar (ver caso de estudio en la web de Surcis www.surcis.com)
En todos ellos existía la combinación de bajo porcentaje de DQO soluble rápidamente biodegradable (DQOrb), bajo oxígeno disuelto y baja temperatura.
Como condición crítica se encontró que, aunque la carga másica teórica era normal, la carga másica específica de la DQOrb era muy baja.
Con ello, una vez más se confirma que el valor de la carga másica (por DBO y por DQO) deja de ser representativo si no se analizan las fracciones de la DQO.
Por otro lado, los procesos que se analizaron incluían la eliminación biológica de nitrógeno; y otro punto importante fue el cálculo de la edad del fango desde la tasa actual de nitrificación con el fin de confirmar su coherencia con la baja carga másica por DQOrb.
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