ELISA NUÑEZ ACOSTA

Consorcio alga-bacteria: la pareja perfecta para el tratamiento de aguas residuales

El tratamiento de aguas residuales de granjas porcícolas es un problema en México, el cual es el octavo productor de cerdo en el mundo. La sinergia entre algas y bacterias podría proveer de un proceso sostenible y con valor agregado para tratar estas aguas. Esta es un área de investigación que el Dr. Manuel Sacristán de Alva, de la Unidad Química en Sisal de la Facultad de Química, desarrolla para su implementación.

Producción porcícola en México

México produce el 1.4% de la producción porcícola global, siendo el octavo país con mayor producción. Mientras que, los estados con mayor producción en el país son Jalisco, Sonora, Puebla, Veracruz y Yucatán. La producción en Yucatán está creciendo más rápido que en otros estados a una tasa del 4.5% anualmente.

La actividad porcícola en el país tiene gran impacto económico nacional e internacionalmente, por ejemplo, en 2021 México produjo 18.8 millones de cerdos, exportando la mayor parte de su producción y creando más de 2 millones de empleos.

Generación y destino del agua residual de granjas de puercos

La producción de ganado porcino genera agua residual que contiene residuos contaminantes, por lo que requiere un tratamiento especial para remover dichos contaminantes. Sin embargo, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Ambientales (SEMARNAT) reportó que el tratamiento para limpiar las aguas residuales de granjas de cerdos es deficiente en Yucatán. La Secretaría también monitoreó las granjas de 51 municipios y determinó que en 26 de ellos la capacidad de renovación del acuífero de Yucatán es crítica, debido a los niveles de contaminación detectados en agua. Lo que implica que, la práctica porcina en algunos lugares no es sostenible hídricamente. Finalmente, SEMARNAT detectó que, de las granjas estudiadas, el 60% no cuentan con permisos de descarga de aguas residuales.

El agua residual de granjas porcícolas contiene metales pesados, fósforo, nitrógeno y patógenos provenientes de heces fecales. Este contenido puede filtrarse a través del suelo, especialmente el de tipo kárstico, como el de Yucatán. Los suelos kársticos tienen un espesor escaso y son muy permeables, lo que permite que los contaminantes se filtren fácilmente esparciéndose a distancias de decenas de kilómetros. Es así como, los contaminantes de las aguas residuales de las granjas porcinas se esparcen hasta llegar a cenotes, pozos de agua potable y el acuífero de Yucatán, que es la única fuente de abastecimiento de agua de la población. Además, también se contaminará la materia orgánica, como plantas y semillas, que tenga contacto con las aguas contaminadas durante su paso a través del subsuelo.

Contenido de aguas residuales

Un cerdo adulto puede producir entre 4 y 10 veces el excremento que produce un humano adulto. Si consideramos que la producción de cerdos en el país en 2021 fue de 18.8 millones de animales, esto indicaría que ese año se produjeron 27 millones de toneladas de heces de cerdo. Con esta cantidad masiva de desperdicios se podría llenar poco más de un estadio Rungrado 1° de Mayo, el cual es el estadio de fútbol más grande del mundo. Mientras que los residuos humanos se tratan generalmente en sistemas de agua municipales, es común que las granjas porcícolas incumplan la normatividad para tratar sus desechos.

¿Pero, qué contienen estas aguas residuales que las hacen tan contaminantes? Las heces de cerdo tienen elementos como el nitrógeno y fósforo que pueden ser útiles, por ejemplo, como fertilizantes. Sin embargo, las cantidades excesivas de estos elementos son tóxicas, de manera que si se utilizan sin ninguna guía como fertilizantes pueden dañar la fertilidad de las tierras. Y si se filtran a aguas subterráneas, de cenotes o acuíferos, podrían eliminar el oxígeno de estos cuerpos de agua causando la muerte de la fauna que la habita.

La SEMARNAT cuantificó los contaminantes en aguas residuales de las granjas, en cenotes y pozos de agua potable impactados por la actividad porcícola. Estas aguas rebasan los límites permitidos por Ley de nitrógeno, fosforo, solidos suspendidos y bacterias fecales, lo que impacta en el medio ambiente y a la salud humana. Además, estas características limitan su uso, por ejemplo, ya que el agua residual de granjas contiene organismos fecales y parásitos, no es apta para usarse como agua de riego para cultivos agrícolas.

El análisis de estas muestras de agua lo llevó a cabo la SEMARNAT de acuerdo con las distintas Normas establecidas para el muestreo y determinación de las características físicas, químicas y bacteriológicas de las muestras.

El agua de los cenotes que se encuentran cerca de granjas porcícolas también está contaminada. Por ejemplo, la concentración de nitrógeno amoniacal, fósforo y de la bacteria E. Coli están por encima de los límites permitidos por Normatividad, lo que amenaza la sobrevivencia de la fauna acuática. Además, si esta agua se usa o consume por humanos amenaza la salud humana.

Los humedales de agua dulce de Yucatán son otros cuerpos, cuya fauna está amenazada por E. Coli y enterococos fecales.

Áreas recomendadas para la actividad porcícola

Expertos desarrollaron mapas que indican zonas que tienen un tipo de suelo apto para el desarrollo de la actividad porcícola. Así como mapas que muestran las áreas con mayor vulnerabilidad de acuíferos a ser afectados por descargas de contaminantes. Y lo que detectaron es que existen cientos de granjas porcícolas localizadas en áreas no recomendadas para estas actividades, ya que el suelo es de tipo kárstico y hay cenotes. Además, algunas de las granjas con mayor capacidad de producción se encuentran en esta área.

La pareja ideal: el consorcio alga-bacteria base del tratamiento de agua sostenible

Actualmente, se desarrollan consorcios de microalgas-bacterias para limpiar aguas residuales. Mientras que las algas generan oxígeno que utilizan las bacterias para degradar la materia orgánica, las bacterias generan dióxido de carbono que utilizan las algas durante la fotosíntesis para remover el nitrógeno y el fósforo, explica el Dr. Sacristán. Además, las algas remueven el carbonato del agua lo que cambia la acidez del agua provocando que los patógenos presentes mueran. Asimismo, producen oxígeno creando condiciones oxidantes que podrían ayudar a eliminar a los patógenos. El remanente de este proceso es biomasa que no necesita un postratamiento para ser aprovechada y generar nuevos compuestos útiles con valor agregado.

El consorcio alga-bacteria es muy eficiente comparando con otros sistemas biológicos o no-biológicos, ya que únicamente les toma entre 10 y 12 días en limpiar el agua, la eficiencia de remoción es alta y el gasto energético es muy bajo. Este sistema sólo requiere agitar las algas suave y constantemente, para lo cual podrían utilizar paneles solares para proveer de energía a los agitadores.

Dado que la eficiencia de remoción de nitrógeno y fósforo con el consorcio alga-bacteria es alta, este sistema es ideal para tratar aguas residuales derivadas de la actividad porcícola, las cuales contienen altas concentraciones de nitratos y fósforo comparando con aguas residuales provenientes de casas. Además, la remoción eficiente de dichos elementos hace plausible el uso de la biomasa remanente, en términos económicos, ya que no necesita ser tratada antes de su reúso.

El consorcio alga-bacteria es mucho más eficiente que los sistemas que solo utilizan bacterias para tratar el agua, los cuales requieren que se les suministre oxígeno para funcionar. Esto implica el uso de energía contaminante y altos costos. Además, las bacterias solas no remueven el nitrógeno y el fósforo. El par alga-bacteria es también más eficiente frente a sistemas que utilizan sólo microalgas, ya que remueven más contaminantes en un menor tiempo.

Otro mecanismo ampliamente usado para tratar aguas residuales y que usa bacterias que crecen en forma de agregados pequeños, es el tratamiento convencional con lodos activados. Este puede ser muy eficiente, pero requieren de pasos extra como desnitrificación y oxidación anaerobia del amonio, para que la biomasa remante se pueda utilizar. Esto representa gastos energéticos intensivos y económicos.  Además, su proceso ha sido discutido por su impacto en el cambio climático, por lo que se requieren procesos más limpios.

La biomasa generada a través del tratamiento de agua con el consorcio alga-bacteria en cambio, presenta alta remoción de contaminantes con un bajo costo energético y la biomasa puede utilizarse potencialmente para producir alimento para animales, como fertilizante y biocombustible.

Desarrollo del consorcio alga-bacteria en el SISAL

Crear la relación simbiótica perfecta entre algas y bacterias requiere entre otras cosas de la selección adecuada de estos elementos. Además, se requiere superar las interacciones antagonistas que surgen entre este par cuando las algas mueren y compiten con las bacterias por el oxígeno presente. Análogamente, los productos que generan algas y bacterias pueden hacer que se dañen mutuamente, sin embargo, el consorcio logra salir adelante a pesar de estas interacciones.

La mayoría de los estudios sobre el consorcio alga-bacteria se han realizado en sistemas controlados de laboratorio. El Dr. Sacristán relata en entrevista cómo ha ido escalando su investigación, la cual comenzó en su laboratorio y escaló para tratar el agua en reactores de 200 L en condiciones ambientales al aire libre. El investigador observó que este sistema se adapta bien a los climas extremos de Yucatán, por lo que podría servir para tratar agua de distintos tipos de granjas en zonas con climas extremos alrededor del país. Adicionalmente, el investigador estima que la detección de nitrógeno y fósforo se podría hacer en campo utilizando kits.

Uno de los retos para escalar el proyecto es transportar el agua residual de granjas al SISAL, ya que esto representa costos. La remoción cuantificada de nitrógeno a través del par alga-bacteria es prometedora para su implementación, comenta el Dr. Sacristán. Asimismo, los carbohidratos y lípidos cuantificados en la masa remanente podrían utilizarse para generar pequeñas cantidades de biodiesel a partir de la biomasa y bioetanol a partir de los carbohidratos, para su uso en la misma granja donde se trate el agua. Esto permitiría tener granjas sustentables y sostenibles.

Aunque la producción de biodiesel a gran escala a partir de la biomasa generada por el par alga-bacteria es todavía inaccesible económicamente, el investigador proyecta que esta será una opción de mayor interés cuando el petróleo empiece a escasear. También comentó que, las cantidades de lípidos y su perfil de ácidos grasos son prometedores para elaborar productos con valor nutricional, pero antes sería necesario realizar estudios toxicológicos para evaluar la viabilidad de su uso.

La proteína de la biomasa remanente tiene un valor nutricional aprovechable en suplementos alimenticios para animales. La presencia potencial de ácidos grasos omega-3 y omega-6, y antioxidantes también podría usarse con fines nutricionales. Finalmente, el valor agregado del proceso se incrementaría aún más con la producción de biofertilizantes a partir del nitrógeno y fósforo removido del agua tratada. El grupo del Dr. Sacristán planea monitorear la remoción de contaminantes emergentes como antibióticos y hormonas en las aguas residuales de Yucatán para ampliar la caracterización del proceso de remoción del consorcio alga-bacteria.

Granjas limpias

Una de las metas del grupo de investigación del Dr. Sacristán es implementar el tratamiento de agua con el consorcio alga-bacteria a mayor escala, por ejemplo en granjas. La implementación de este método en granjas permitiría que estas generaran la energía eléctrica y el agua no-potable que necesitan para trabajar, como resultado del mismo proceso de tratamiento de agua. ¿Cómo funcionaría esto? Después de remover los lípidos de la biomasa, se realiza una digestión anaerobia con los carbohidratos y proteína remanentes para producir biogás, el cual se quema para producir energía eléctrica, explica el científico. Esta energía se usa para alimentar el sistema de tratamiento de agua residual. Finalmente, el agua limpia obtenida de este tratamiento se vuelve a usar en la granja. Este ciclo virtuoso reduciría costos monetarios y energéticos, haciendo el tratamiento de agua sustentable y sostenible.

Proyecciones globales

La investigación para escalar el tratamiento de agua a través del consorcio alga-bacteria, y la conversión de la biomasa resultante en productos de valor agregado es un área de oportunidad globalmente. La biomasa generada durante el tratamiento de agua con este consorcio puede tener características más apropiadas para su aprovechamiento, comparando con la biomasa derivada solo de tratamiento con algas. Por ejemplo, los compuestos bioquímicos pueden contener mucha más proteína (40-60%), carbohidratos (42%) y lípidos (15%). También, el sistema alga-bacteria transforma fácilmente los compuestos orgánicos e inorgánicos en moléculas que las plantas pueden descomponer para hacer biofertilizantes.

La implementación del sistema simbiótico para el tratamiento de agua y el aprovechamiento de la biomasa remanente requiere del desarrollo de más investigación para hacer su implementación una realidad. Mientras tanto, el Dr. Sacristán estará trabajando en su propia contribución desde la unidad de la Facultad de Química en Yucatán, SISAL.