Denitrification and phosphorus removal efficiency of different pretreated qingke straw carbon sources and microbial response mechanisms

Resumen Técnico: Eficiencia de la Desnitrificación y Eliminación de Fósforo de Diferentes Fuentes de Carbono de Paja de Qingke Pretratada y Mecanismos de Respuesta Microbiana

Planteamiento del Problema
Las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) en la región de Xizang, en la meseta de Qinghai-Xizang, enfrentan desafíos significativos debido a las bajas relaciones carbono-nitrógeno (C/N) de los influentes (típicamente 1–5) y las condiciones ambientales únicas de la meseta, que incluyen bajas temperaturas del agua y alta radiación ultravioleta. Estos factores suelen provocar una desnitrificación insuficiente y concentraciones de nitrógeno en el efluente que superan los estándares obligatorios. Si bien la adición de fuentes de carbono externas como el acetato de sodio mejora la eficiencia de eliminación, esto conlleva altos costos operativos. Por el contrario, los desechos agrícolas como la paja de qingke (cebada tibetana) son abundantes en la región, pero actualmente se desaprovechan, eliminándose frecuentemente mediante incineración. Existe una falta de investigación sobre la eficacia de diferentes métodos de pretratamiento para el caldo de fermentación de la paja de qingke como una fuente de carbono externa de bajo costo para la eliminación de nitrógeno y fósforo en hábitats de meseta, así como los mecanismos de respuesta microbiana asociados.

Metodología
El estudio empleó un sistema de Reactor de Lotes Secuenciales (SBR) a escala de laboratorio operando bajo condiciones de hábitat de meseta (simuladas o reales, con la temperatura controlada a 25±1 °C). Se establecieron cuatro reactores paralelos:

• S1 (Control): Aguas residuales crudas sin adición de carbono externo.
• S2: Aguas residuales mezcladas con caldo de fermentación de paja de qingke sin tratar.
• S3: Aguas residuales mezcladas con caldo de fermentación de paja de qingke pretratado con ácido sulfúrico al 2%.
• S4: Aguas residuales mezcladas con caldo de fermentación de paja de qingke pretratado con hidróxido de sodio al 2%.

Los reactores operaron con un tiempo de retención hidráulica de 12 horas durante un período de 100 días. El estudio utilizó la secuenciación de genes 16S rRNA de alto rendimiento (Illumina MiSeq) para analizar la estructura de la comunidad microbiana, la diversidad (Alfa y Beta diversidad) y la abundancia de genes funcionales. Además, se utilizaron la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) y la espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para caracterizar la composición química y los grupos funcionales de los caldos de fermentación. Se realizaron análisis de correlación (Spearman) para vincular los géneros microbianos con los módulos funcionales del metabolismo del nitrógeno y los factores ambientales.

Resultos Clave

• Calidad del Agua y Eficiencia de Eliminación:

  • Eliminación de DQO: El pretratamiento ácido (S3) y el alcalino (S4) mejoraron significativamente la eliminación de DQO en comparación con el control (S1) y el caldo sin tratar (S2). El S3 alcanzó la mayor tasa de eliminación promedio (76.96%), seguido del S4 (73.16%).
  • Eliminación de Nitrógeno: Todos los reactores con adición de caldo mostraron mejoras en la eliminación de amonio ($NH_4^+$-N) y nitrógeno total (NT). El S3 y el S4 demostraron las mejoras más significativas, con tasas de eliminación de $NH_4^+$-N promedio que alcanzaron el 89.30% y 92.26%, respectivamente, y aumentos en la eliminación de NT superiores al 22.5%.
  • Eliminación de Fósforo: La eficiencia de eliminación de fósforo se mantuvo baja en todos los dispositivos, exhibiendo fluctuaciones significativas e incluso tasas de eliminación negativas. El estudio atribuye esto a la alta relación influyente TP/TN y a la inhibición competitiva de los organismos acumuladores de fósforo por parte de las bacterias eliminadoras de nitrógeno bajo condiciones de baja relación C/N.

• Caracterización de la Fuente de Carbono:

  • Caldo sin tratar: Baja DQO (300–500 mg/L) con una alta proporción de sustancias lentamente degradables y tóxicas.
  • Pretratamiento Ácido: Liberó una cantidad moderada de carbono (DQO ~2000 mg/L) pero contenía una alta proporción de sustancias inhibitorias y orgánicos de cadena múltiple complejos difíciles de degradar.
  • Pretratamiento Alcalino: Produjo la mayor producción de carbono (DQO >6000 mg/L) con una mayor proporción de cetonas rápidamente degradables (ej. 2-Heptanona, 2-Octanona) y menos efectos secundarios tóxicos en comparación con el tratamiento ácido.

• Dinámica de la Comunidad Microbiana:

  • Diversidad: La adición de caldo pretratado inicialmente suprimió la abundancia y la diversidad microbiana, pero condujo a una recuperación y aumento significativo de la riqueza con el tiempo. El grupo tratado con álcali (S4) mostró el aumento más notable en la abundancia.
  • Estructura de la Comunidad: Los filos dominantes fueron Pseudomonadota, Bacteroidota, Actinomycetota, Patescibacteria y Bacillota. El pretratamiento ácido-base alteró significativamente la sucesión de estas comunidades. Por ejemplo, la abundancia de Actinomycetota aumentó significamente en el grupo tratado con álcali (S4), mientras que Patescibacteria y Bacillota fueron inhibidos por los caldos pretratados con ácido-base.
  • Módulos Funcionales: La adición de caldo pretratado ácido-base inhibió significativamente tres módulos del metabolismo del nitrógeno: desnitrificación (M00529), reducción disimilatoria de nitrato (M00530) y nitrificación completa (M00804). Por el contrario, mejoró la reducción de nitrato de asimilación (M00531), la nitrificación (M00528) y la fijación de nitrógeno (M00175). El caldo tratado con álcali (S4) mostró una mejora más pronunciada de estos módulos beneficiosos en comparación con el caldo tratado con ácido.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que utilizar la paja de qingke como fuente de carbono externa es una estrategia viable para reducir costos en el tratamiento de aguas residuales en la meseta, siempre que se aplique el pretratamiento adecuado. Específicamente, el pretratamiento alcalino se identifica como el método superior, ofreciendo el mayor rendimiento de carbono, el mejor equilibrio de componentes degradables y el impacto más favorable en la eficiencia de eliminación de nitrógeno y la adaptación de la comunidad microbiana.

El estudio destaca que, si bien la paja de qingke pretratada mejora eficazmente la eliminación de nitrógeno y la diversidad microbiana en sistemas SBR bajo condiciones de meseta, no resuelve inherentemente los problemas de eliminación de fósforo. Los autores conclen que, debido a las restricciones específicas de los hábitats de meseta (altas relaciones TP/TN y limitaciones microbianas específicas), es necesario un tratamiento mejorado dirigido específicamente a la eliminación de fósforo junto con el uso de fuentes de carbono externas. La investigación proporciona soporte teórico para el mecanismo de los reactores SBR en entornos de gran altitud y ofrece una vía práctica para la utilización de recursos de los desechos agrícolas locales.