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B IOTECNOLOGÍA AMBIENTAL DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES César Lazcano Carreño Segunda edición

Segunda edición BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL DE AGUAS Y … · Oxidación de la materia orgánica en el tanque de aireación ... Tanque Imhoff ... Esqueleto estructural del ciclopentanaoperhidrofenantreno

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  • BIOTECNOLOGA AMBIENTAL DEAGUAS Y AGUAS RESIDUALES

    Csar Lazcano Carreo

    Segunda edicin

  • Prlogo ................................................................................................. XXIX

    Presentacin ........................................................................................ XXXI

    Captulo 1. Introduccin ..........................................................................1

    Captulo 2. Los seres vivos en los ambientes acuticos ...........................3Generalidades ...............................................................................................3La clula ........................................................................................................4 Definicin ...............................................................................................4 Composicin qumica ..............................................................................4 Carbohidratos ....................................................................................4 Protenas ...........................................................................................10 Lpidos .............................................................................................16 cidos nucleicos ...............................................................................19 Otros componentes qumicos del protoplasma celular ......................26Conceptos bsicos de enzimologa ................................................................27 Cintica qumica ....................................................................................27 Orden de una reaccin .....................................................................29 Las enzimas ............................................................................................30 Clases de enzimas ...................................................................................31

    Contenido

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesX

    Especificidad enzimtica ...........................................................................31 Cintica enzimtica .................................................................................31 Actividad enzimtica ...............................................................................35Energa y metabolismo ..................................................................................36 Generalidades ..........................................................................................36 Primera ley de la termodinmica .............................................................36 Segunda ley de la termodinmica ............................................................37 Formas de energa que usan los organismos vivos ....................................37 Energa luminosa ...............................................................................37 Potencial elctrico ..............................................................................38 Oxidacin biolgica .................................................................................39 Mecanismos de la oxidacin biolgica de la materia orgnica ............39 Reacciones de xido-reduccin ..........................................................40 Metabolismo .............................................................................................40 Catabolismo ......................................................................................40 Anabolismo (biosntesis) ....................................................................44 Fotosntesis .......................................................................................44Los virus ........................................................................................................46 Generalidades ...........................................................................................46 Caractersticas de los virus .......................................................................47 Tipos de virus ..........................................................................................48 Virus animales y humanos .................................................................48 Virus de bacterias o bacterifagos ......................................................52 Virus de plantas .................................................................................59Taxonoma y caracterizacin de los seres vivos ..............................................59 Generalidades ..........................................................................................59 Procariotes ................................................................................................61 Forma y tamao de las clulas procariticas .......................................62 Estructura de la clula procaritica ....................................................63 Nutricin en procariotes ....................................................................69 Crecimiento microbiano ....................................................................71 Factores para el crecimiento de los procariotes ..................................73 Cintica del crecimiento microbiano en reactores ..............................74 Dominio Archaea .....................................................................................79 Arqueas haloflicas extremas ..............................................................80 Arqueas sulfatorreductoras ................................................................80 Arqueas que carecen de pared celular ............................................... 81 Arqueas extremotermfilas ............................................................... 81

  • Contenido XI

    Arqueas metanognicas .................................................................... 82 Dominio Bacteria .................................................................................... 86 Bacterias patgenas ........................................................................... 86 Bacterias que originan infecciones gastrointestinales ......................... 86 Bacterias que originan enfermedades emergentes y oportunistas patgenas en aguas ............................................................................ 93 Bacterias indicadoras de la calidad del agua ....................................... 99 Dominio Eukaria ....................................................................................135 Estructura de la clula eucariota .......................................................135 Reino Protista ....................................................................................136 Reino fungi .......................................................................................150 Reino Plantae ....................................................................................153 Reino Animalia .................................................................................157

    Captulo 3. Ecologa de los ambientes acuticos ............................................165Generalidades ...............................................................................................165Los ecosistemas acuticos .............................................................................167 Autodepuracin de los ecosistemas acuticos .........................................169 Factores que intervienen en el proceso de autodepuracin ...............170 Fases de la autodepuracin ................................................................173 Termodinmica de los ecosistemas acuticos ..........................................174 Principios bsicos de ecologa aplicados a la termodinmica de los ecosistemas ..................................................................................174 Crecimiento y desarrollo de los ecosistemas .....................................178Definicin termodinmica de exerga ..............................................................179El ciclo hidrogeolgico .................................................................................180 Balance hidrolgico ................................................................................184Los ciclos biogeoqumicos ............................................................................185 Ciclo del carbono ...................................................................................187 Ciclo del nitrgeno .................................................................................187 Fijacin de N ....................................................................................189 Amonificacin ...................................................................................193 Nitrificacin .....................................................................................193 Desnitrificacin .................................................................................195 Asimilacin del armonio ....................................................................197 Reduccin disimilatoria de nitrato a amonio ......................................198 Proceso Anammox ............................................................................198 Uso del proceso Anammox en el tratamiento de aguas residuales ......200

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXII

    Ciclo del fsforo ......................................................................................201 Meteorizacin ...................................................................................202 Solubilizacin ...................................................................................202 Asimilacin .......................................................................................202 Precipitacin ....................................................................................202 Mineralizacin ...................................................................................202 Remocin de fsforo en plantas de tratamiento .................................203 Microorganismos que contribuyen con la precipitacin qumica .......204 Ciclo del azufre ......................................................................................204 Oxidacin del azufre elemental .........................................................206 Reduccin del sulfato .......................................................................206Captulo 4. Evaluacin de la calidad biolgica de las aguas ....................209Generalidades ................................................................................................209Evaluacin de la salud de los ecosistemas y su relacin con la salud del hombre y la biota .......................................................................210Aspectos generales para el control y vigilancia de las fuentes de agua ............212Uso de bioindicadores y biomarcadores en problemas de salud de los ecosistemas ........................................................................................214 Clasificacin de los biomarcadores .........................................................215 Biomarcadores de la condicin fisiolgica .........................................215 Biomarcadores de la condicin celular ..............................................215 Biomarcadores especficos para metales ............................................215 Las algas como bioindicadores de la calidad de los ecosistemas acuticos ................................................................................................216 Uso de macroinvertebrados bentnicos como indicadores en cuerpos de agua ...................................................................................................217 Principales biomarcadores usados en los monitoreos de ecosistemas acuticos .........................................................................219 Biosensores obtenidos por ingeniera gentica para el monitoreo de fuentes de agua ..............................................................224 Biosensores automatizados para anlisis de aguas ...................................224 Biosensores bacterianos en contaminacin con petrleo .........................227

    Captulo 5. Caractersticas de las aguas residuales ........................................231Generalidades ................................................................................................231Definicin .....................................................................................................232Clases de aguas residuales ............................................................................232 Aguas residuales domsticas ...................................................................232 Aguas residuales municipales .................................................................233

  • Contenido XIII

    Aguas residuales industriales ..................................................................233 Aguas residuales agropecuarias o agroindustriales ..................................233 Aguas residuales de origen minero-metalrgico ......................................233 Aguas pluviales .......................................................................................234 Caractersticas fsicas de las aguas residuales ...........................................234 Slidos ...................................................................................................234 Slidos totales (ST) ..................................................................................234 Temperatura ...........................................................................................236 Color .......................................................................................................236 Olor .......................................................................................................237 Transmitancia ..........................................................................................237Caractersticas qumicas de las aguas residuales ............................................237 pH ..........................................................................................................237 Alcalinidad ..............................................................................................238 Carbohidratos ........................................................................................239 Protenas .................................................................................................239 Lpidos ....................................................................................................239 Nitrgeno ................................................................................................239 Fsforo ...................................................................................................240 Oxgeno disuelto (OD) ............................................................................240 Demanda bioqumica de oxgeno (DBO

    5) ................................................241

    Demanda qumica de oxgeno (DQO) .....................................................247 Carbono orgnico total (COT) ................................................................249 Carga orgnica en los desages domsticos .............................................249Caractersticas biolgicas de las aguas residuales ...........................................250Modelos de reactores biolgicos en el tratamiento de aguas residuales ..........250Tipos de reactores biolgicos ........................................................................253 Reactores bsicos de crecimiento en suspensin .....................................253 De flujo discontinuo .........................................................................253 De flujo en pistn .............................................................................254 De flujo continuo y mezcla completa .................................................255 Reactores de pelcula fija .........................................................................257 De lecho relleno ................................................................................257 De lecho fluidizado (FBR) ..................................................................257 Contactor biolgico rotatorio (RBC) ..................................................258

    Captulo 6. Introduccin al tratamiento de aguas residuales .........................261Generalidades ...............................................................................................261Objetivos del tratamiento de las aguas residuales ..........................................262

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXIV

    Procesos operacionales y unitarios en sistemas de tratamiento de aguas residuales ...............................................................263Biodegradabilidad de la materia orgnica en las aguas residuales ..................265Importancia de las molculas de H

    2 y acetato

    en el proceso de metanognesis ....................................................................269

    Captulo 7. Lagunas de estabilizacin .............................................................271Generalidades ...............................................................................................271Descripcin del proceso ...............................................................................271Clasificacin de las lagunas de estabilizacin ................................................272 Lagunas aerobias .....................................................................................272 Lagunas facultativas .................................................................................275 Lagunas anaerbicas ................................................................................275 Lagunas anxicas ....................................................................................276 Lagunas aireadas......................................................................................276Objetivos del tratamiento por medio de lagunas de estabilizacin ................277Ventajas del uso de lagunas de estabilizacin .................................................278Desventajas del uso de lagunas de estabilizacin ...........................................279Factores que influencian los diseos y funcionamiento de las lagunas de estabilizacin .....................................................................279 Viento ....................................................................................................279 Temperatura ............................................................................................280 Precipitaciones .......................................................................................281 Tiempo de retencin hidrulico (TRH) ....................................................281 Radiacin solar .......................................................................................281 Las algas .................................................................................................283 Las bacterias ...........................................................................................283 Evaporacin ...........................................................................................283 rea superficial ......................................................................................284 Cortocircuitos .........................................................................................284 Mezcla ....................................................................................................284 pH .........................................................................................................284 Materiales txicos ..................................................................................285 Oxgeno disuelto (OD) ............................................................................285 Nutrientes ..............................................................................................285Clculos bsicos para el diseo de sistemas de tratamiento de aguas residuales ........................................................................................285Diseo de lagunas anaerbicas ......................................................................286 Ejemplo de dimensionamiento y diseo de lagunas anaerbicas ..............288

  • Contenido XV

    Diseo de lagunas facultativas .......................................................................289 Modelo ecolgico en lagunas facultativas ................................................290 Proceso de remocin de patgenos .........................................................294 Modelo de mezcla completa y cintica de primer orden ..........................295 Parmetros de diseo de lagunas facultativas ...........................................295 Ejemplo de diseo y dimensionamiento de lagunas facultativas ..............302Diseo de lagunas aireadas de estabilizacin .................................................304 Ecuacin para el dimensionamiento de lagunas aireadas facultativas ......304 Ecuacin para el dimensionamiento de lagunas aireadas de mezcla completa .................................................................................304 Remocin de la DBO ..............................................................................304 Requerimientos de oxgeno .....................................................................306 Concentracin de biomasa en la laguna ..................................................307 Produccin de lodos ...............................................................................307 Clarificacin y depuracin del efluente ....................................................308 Optimizacin del diseo de lagunas aireadas ..........................................308 Ejemplo de diseo y dimensionamiento de lagunas aireadas ...................308

    Captulo 8. Lodos activados .............................................................................313Generalidades ................................................................................................313Aspectos biolgicos en los reactores para lodos activados .............................315 Floc de lodos activados y biofloculacin .................................................315 Presencia de bacterias ..............................................................................317 Presencia de hongos ................................................................................319 Presencia de protozoarios y rotferos .......................................................319Oxidacin de la materia orgnica en el tanque de aireacin .........................322Sedimentacin de lodos .................................................................................322 Determinacin del ndice volumtrico de lodos (SVI) ..............................323Remocin de patgenos ................................................................................324Sistema convencional de lodos activados .......................................................324Parmetros de diseo de reactores para lodos activados ................................325Principales problemas que ocurren en sistemas de lodos activados ................331Tcnicas de control de sistemas de lodos activados .......................................336 Respirometra ..........................................................................................337 Tipos de respirmetros ......................................................................339 Ventajas de la respirometra ..............................................................341 Ensayo de toxicidad...........................................................................341Ejemplo de diseo de reactores para lodos activados .....................................342

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXVI

    Captulo 9. Reactores de pelcula biolgica fija ..............................................345Biofiltros .......................................................................................................345Generalidades ................................................................................................345 El empaque ............................................................................................347 aractersticas del empaque ................................................................347 Tipos de empaque .............................................................................348 Clasificacin de los biofiltros ..................................................................349 Biologa de los biofiltros percoladores .....................................................350 Ventajas de los biofiltros .........................................................................352 Desventajas de los biofiltros ....................................................................352 Criterios de diseo de biofiltros ..............................................................353 Parmetros de diseo en biofiltros sin recirculacin .................................354 Parmetros de diseo en biofiltros con recirculacin ..............................355 Problemas operativos en biofiltros ..........................................................361Biodiscos .......................................................................................................363 Cintica del tratamiento en biodiscos ................................................364 Dimensionamiento de biodiscos .......................................................366 Ventajas de los sistemas RBC ............................................................367

    Captulo 10. Tratamiento anaerbico ..............................................................369Generalidades ...............................................................................................369Microbiologa del proceso anaerbico ............................................................370 El proceso de hidrlisis ...........................................................................370 El proceso de acidognesis] .....................................................................371 El proceso de acetognesis ......................................................................371 El proceso de metanognesis ...................................................................372 Granulacin ............................................................................................374Reactores anaerbicos ...................................................................................376 Generalidades .........................................................................................376 Ventajas de los reactores anaerbicos .......................................................376 Desventajas de los reactores anaerbicos .................................................376 Requisitos para un buen tratamiento ......................................................377Tipos de reactores anaerbicos .....................................................................378 Reactores de primera generacin .............................................................378 Reactores de segunda generacin .............................................................379 Reactores de tercera generacin ..............................................................381Remocin de DQO y produccin de metano .................................................381

  • Contenido XVII

    Principales sistemas anaerbicos usados en tratamiento de aguas residuales .......................................................................................381 Tanque sptico .......................................................................................381 Tanque Imhoff .........................................................................................383 Filtro anaerbico ....................................................................................386 Reactor anaerbico de flujo ascendente y manto de lodos (UASB) ...........388 Reactor granular expandido y manto de lodos .........................................392 Reactor de lecho fluidizado .....................................................................392 Reactor de lecho expandido ....................................................................393

    Captulo 11. Reso de aguas residuales ..........................................................395Generalidades ................................................................................................395Factores favorables para el reso o reciclaje de aguas residuales ....................396Reso en agricultura ......................................................................................397 Experiencias en el uso de aguas residuales en agricultura en diversas partes del mundo ...................................................................................399 Algunas sugerencias para el uso adecuado de aguas residuales agricultura ..............................................................................................404Reso en piscicultura ...................................................................................405Reso en la recarga del acufero ....................................................................406 Reso como agua potable .......................................................................406Adendas ........................................................................................................409Abreviaturas y smbolos usados en el texto ....................................................423Glosario de trminos ....................................................................................429Referencias Bibliogrficas ...............................................................................491

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXVIII

    NDICE DE FIGURAS

    Figura 1. Estructuras de diferentes monosacridos ....................................... 6Figura 2. Estructuras de tres disacridos importantes: lactosa, sucrosa y

    maltosa .......................................................................................... 7Figura 3. Estructura de un trisacrido .......................................................... 8Figura 4. Cadena de monosacridos que conforman la amilosa en el

    almidn, el glucgeno, la celulosa y la estructura de la quitina ...... 9Figura 5. Estructura de un aminocido y unin de dos por medio

    del enlace peptdico .......................................................................11Figura 6. Estructura primaria de las protenas ..............................................14Figura 7. Estructura secundaria de una protena -laminar ..........................14Figura 8. Estructura terciaria de las protenas ..............................................15Figura 9. Estructura globular y cuaternaria de la hemoglobina .....................16Figura 10. Estructura qumica de un triglicrido ............................................17Figura 11. Esqueleto estructural del ciclopentanaoperhidrofenantreno ...........17Figura 12. Estructura qumica de un fosfolpido .............................................18Figura 13. Frmulas qumicas de las bases nitrogenadas que conforman

    el ADN ..........................................................................................19Figura 14. Estructura qumica de un nucletido y nuclesido ........................20Figura 15a. Nucletido A .................................................................................20Figura 15b. Conformacin y estructura de la doble hlice de la molcula

    de ADN .........................................................................................21Figura 16. Modelo de replicacin del ADN ....................................................22Figura 17. Nucletidos del ARN .....................................................................23Figura 18. Estructura terciaria de una molcula de ARNt ..............................25Figura 19. Estructura bipolar de la molcula de agua .....................................26Figura 20. Grfico de la energa de activacin en una reacin qumica ...........28Figura 21. Grfico de una reaccin tpica de orden cero .................................29Figura 22. Grfico de una reaccin tpica de primer orden .............................30Figura 23. Grfico de una reaccin tpica de segundo orden ...........................30Figura 24. Esquema de una reaccin enzimtica .............................................32Figura 25. Modelo cintico de Monod ............................................................33Figura 26. Estructura molecular del adenosn trifosfato (ATP) ........................40Figura 28. Modelo de respiracin aerbica .....................................................41Figura 29. Modelo de fermentacin con produccin de etanol .......................42Figura 30. Modelo de respiracin anaerbica..................................................43

  • Contenido XIX

    Figura 31. Modelo de proceso respiratorio por desnitrificacin ......................43Figura 32. Modelo de acoplamiento del catabolismo y anabolismo mostrando el papel del ATP. (Adenda) ........................................ 410Figura 33. Esquema simplificado del ciclo de Calvin .....................................46Figura 33a. Micrografa del virus humano de la hepatitis E por

    microscopa electrnica .................................................................50Figura 34. Estructura del fago ........................................................................54Figura 35. Imagen tridimensional de la placa basal del bacterifago ..............54Figura 36. Micrografa de barrido electrnico que muestra clulas de E.

    coli con partculas de fago adheridas a su superficie .....................55Figura 37. Ciclo ltico y lisognico del fago ....................................................56Figura 38. rbol filogentico con los tres dominios aceptados con base en

    las comparaciones secuenciales del ARNr: Bacteria, Archaea y Eukarya ........................................................................................60

    Figura 39. Formas de la clula procaritica ....................................................62Figura 40. Estructura de una clula procaritica tpica ...................................64Figura 41. Diferencias estructurales entre las clulas Gram positivas

    y Gram negativas .........................................................................66Figura 42. Curva tpica de crecimiento microbiano ........................................72Figura 43. Modelo cintico para crecimiento de bacterias, segn Monod ........75Figura 44. Modelo experimental de la capacidad de formacin de biomasa ....78Figura 45. Imagen de Methanobacterium formicicum por inmuno

    fluorescencia indirecta con sonda calibrada de anticuerpos especficos .....................................................................................82

    Figura 46. Imagen de Methanobrevibacter smithii por inmunofluorescencia indirecta con sonda calibrada de anticuerpos especficos ...............83

    Figura 47. Imagen de Methanococcus maripalidus por inmunofluorescencia indirecta con sonda calibrada de anticuerpos especficos ...............83

    Figura 48: Imagen de Methanospirillum hungatei por inmunofluorescencia indirecta con sonda calibrada de anticuerpos especficos ...............84

    Figura 49. Micrografa de Methanosarcina barkeri ..........................................85Figura 50. Micrografa de Methanothrix thermophyla .....................................85Figura 51. Micrografa de Salmonella sp, mostrando sus flagelos peritricos ....87Figura 52. Micrografa de Shigella sp. .............................................................89Figura 53. Micrografa de Vibrio cholerae ......................................................91Figura 54. Representacin esquemtica de H. pylori en la mucosa del

    estmago .......................................................................................96Figura 55. Micrografa de Campylobacter jejuni..............................................97

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXX

    Figura 56. Micrografa de Spirochaeta americana, aislada de sedimentos de un lago en California del norte.................................................101

    Figura 57. Micrografa de Bdelovibrio mostrando su ciclo de alimentacin como depredador bacteriano ...................................101

    Figura 58. Micrografa de Zoogloea ramigera.................................................102Figura 59. Micrografa de Acinetobacter sp. ...................................................103Figura 60. Micrografa de Bacteroides fragilis del intestino humano ..............104Figura 61. Micrografa de Chromatium sp. .....................................................104Figura 62. Micrografa de Thiocapsa sp. ........................................................105Figura 62a. Estructura qumica de la microcistina ...........................................108Figura 63. Micrografa de Anabaena ambigua mostrando los heterocistos ......109Figura 64. Micrografa de Nostoc sp. .............................................................110Figura 65. Micrografa de Prochloron sp. ......................................................110Figura 66. Esquema tridimensional del consorcio Chlorochromtium

    aggregatum ...................................................................................111Figura 67. Micrografa de Acidithiobacillus ferroxidans de biolixiviacin

    de minas .......................................................................................112Figura 68. Micrografa de Leptospirillum ferrooxidans ...................................113Figura 69. Micrografa de Galionella sp., bacteria del fierro que crea un

    filamento que se adhiere a las superficies ......................................114Figura 70. Micrografa por fluorescencia de Nitrosococcus sp. .......................115Figura 71. Micrografa de Prosthecobacter fusiformis .....................................116Figura 72. Caulobacter dividindose asimtricamente en una clula hija

    mvil (con flagelo) y la otra clula hija forma el tallo ....................116Figura 73. Micrografa de Sphaerotilus natans, bacteria filamentosa que

    se encuentra en plantas de lodos activados ...................................117Figura 74. Micrografa de Leptothrix ochracea, bacteria que remueve

    arsnico proveniente de los relaves mineros ..................................118Figura 75. Micrografa de Crenothrix sp. .......................................................118Figura 76. Micrografa electrnica de Cytophaga hutchintsonii

    desarrollada en papel de filtro de celulosa.....................................119Figura 77. Micrografa de Thiothrix sp. observada al microscopio

    en contraste de fase ......................................................................120Figura 78. Micrografa de Beggiatoa sp. mostrando acumulacin

    de grnulos de azufre ...................................................................120Figura 79. Micrografa en contraste de fase de Saprospira sp., bacteria

    filamentosa de aguas naturales ......................................................121Figura 80. Micrografa de Leucothrix mucor ..................................................122Figura 81. Micrografa de Staphylococcus aureus: cocos Gram positivos ........122

  • Contenido XXI

    Figura 82. Micrografa de Streptococcus sp. ...................................................123Figura 83. Micrografa de Bacillus subtilis mostrando las endosporas ............123Figura 84. Micrografa de la bacteria reductora del azufre

    Desulfotomaculun nigrificans ........................................................124Figura 85. Micrografa de Arthrobacter sp. mostrando bacilos de formas

    diferentes (pleomorfismo) ............................................................124Figura 86. Micrografa de Bifidobacterium sp., que ayudan en los procesos

    fermentativos en la produccin de yogur ......................................125Figura 87. Micrografa de Mycobacterium avium, que produce la

    tuberculosisen aves .......................................................................125Figura 88. Micrografa de Nocardia asteroides mostrando clulas alargadas

    con septas y esporas circulares ......................................................127Figura 89. Micrografa de Rhodococcus jostii con inclusiones poli-p en el

    protoplasma .................................................................................127Figura 90. Micrografa de Pseudonocardia spinosa .........................................127Figura 91. Micrografa de Nocardioides albus ................................................128Figura 92. Micrografa de Frankia alni mostrando las hifas vegetativas

    septadas y las vesculas .................................................................128Figura 93. Micrografa de Actinoplanes sp. ....................................................129Figura 94. Micrografa de Micromonospora sp. ..............................................129Figura 95. Micrografa de Actinomyces sp. mostrando sus hifas septadas

    y las esporas .................................................................................130Figura 96. Micrografa de Streptosporangium sp. mostrando los micelios

    vegetativos y los esporangios ........................................................131Figura 97. Micrografa de Actinomadura sp. ..................................................131Figura 98. Clave para la identificacin de organismos filamentosos con

    grnulos de azufre en lodos activados ...........................................132Figura 99. Clave para la identificacin de organismos filamentosos sin

    grnulos de azufre Gram (+) en lodos activados............................133Figura 100. Clave para la identificacin de organismos filamentosos sin

    grnulos de azufre Gram (-) en lodos activados ..........................134Figura 102. Estructura de una clula eucaritica tpica ..................................135Figura 103. Micrografa de Pediastrum sp. mostrando sus colonias en

    disposicin cenobial ...................................................................137Figura 104. Micrografa de Euglena sp. .........................................................138Figura 105. Diferentes especies de algas del grupo de las Crisfitas ...............139Figura 106. Diferentes especies de algas del grupo de las Pyrrofitas ...............139Figura 107. Micrografa de Giardia intestinalis ..............................................140Figura 108. Micrografa de una ameba ingiriendo un Paramecium ................141Figura 109. Micrografa de una Vorticella (ciliado) ........................................142

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXXII

    Figura 110. Quiste de Entamoeba histolytica mostrando los cuatro ncleos .....143Figura 111. Micrografa de Achantamoeba sp. ...............................................144Figura 112. Micrografa de Naegleria fowleri .................................................145Figura 113. Ciclo biolgico de Naegleria y Achantamoeba (Adenda). ............416Figura 114. Micrografa de Balantidium coli ..................................................146Figura 115. Micrografa de quistes de Giardia intestinalis y ooquistes de

    Cryptosporidium sp. por inmunofluorescencia usando anticuerpos monoclonales ..........................................................148

    Figura 116. Ciclo biolgico de Cyclospora cayetanensis (Adenda). ................417Figura 117. Micrografa de Saccharomyces cerviciae mostrando las yemas .....150Figura 118. Fotografa de Basidiomicetos tambin llamados setas

    u hongos de sombrerillo .............................................................151Figura 119. Micrografa de Neurospora crasa (hongo del pan) mostrando

    sus ramificaciones .......................................................................151Figura 120. Micrografa de Mucor sp. mostrando los esporangios maduros ...152Figura 121. Esporotallo de Allomyces arbuscula con restos de esporas ..........152Figura 122. Micrografa de Aspergillus niger mostrando los esporangios

    y sus ramificaciones ....................................................................153Figura 123. Micrografa de Penicillium notatum mostrando sus conidiforos ...153Figura 124. Fotografas que muestran a la especie llamada jacinto (Eichornia

    crassipes) en forma individual, con poco crecimiento en la superficie de la laguna y crecimiento cubriendo buena parte del lago ...........154

    Figura 125. Fotografas que muestran la lenteja de agua (Lemmna gibba) ......155Figura 126. Fotografas de los pantanos de Villa (Chorrillos, Lima, Per)

    mostrando diferentes tipos de vegetacin ...................................155Figura 127. Ciclo biolgico de Fasciola hepatica, modificado de CDC-dpdx (Adenda). ..................................................................418Figura 128. Ciclo biolgico de Taenia solium donde se destaca la fase de cisticerco en humanos (Adenda). .............................................419Figura 129. Anatoma de un rotfero Monogononta .......................................160Figura 130. Fotografa de un nematodo de vida libre ....................................161Figura 131. Moluscos gasterpodos del gnero Physa ...................................162Figura 132. Coppodo de agua dulce ............................................................164Figura 133. Modelo conceptual de las principales fuerzas que fluyen

    en un ecosistema de agua dulce ..................................................169Figura 133a.Efectos de la carga orgnica sobre el oxgeno disuelto .................172Figura 133b.Efectos de la contaminacin sobre los organismos acuticos

    Fases de la autodepuracin .........................................................173Figura 134. Modelo termodinmico de un ecosistema ...................................180

  • Contenido XXIII

    Figura 135. Principales componentes y relaciones del ciclo hidrolgico .......183Figura 136. Balance hdrico en la superficie de la tierra .................................185Figura 137. Ciclo del carbono. ......................................................................187Figura 138. Esquema del ciclo del N. ............................................................188Figura 139. Ndulos de la raz de una planta de guisante (leguminosa),

    que contienen en simbiosis las bacterias fijadoras de N (Rhizobium sp.) ..........................................................................190

    Figura 140. Transferencia de electrones en el proceso de fijacin de nitrgeno atmosfrico ............................................................192Figura 141. Ingreso del proceso Anammox en el ciclo del N .........................199Figura 142. Principales especies de planctomicetales relacionadas filogenticamente y que intervienen en el proceso ANAMMOX (Adenda). ...............................................................199Figura 143. Esquema del ciclo del fsforo .....................................................201Figura 144. Esquema del ciclo del azufre.......................................................205Figura 145. Distribucin filogentica de diferentes tipos de

    microorganismos que metabolizan el azufre ................................207Figura 146. La integridad ecolgica en equilibrio con los tres

    componentes esenciales ..............................................................210Figura 147. Configuracin de un biosensor mostrando biorreconocimiento,

    interfase y elementos de transduccin ........................................225Figura 148. Sistema AWACSS, incluyendo inmunofluorescencia total (TIRF) ....226Figura 149. Sistema carbonato en el agua ......................................................238Figura 150. Estabilizacin de la materia orgnica (DBO) con formacin de

    clulas nuevas y productos finales ..............................................241Figura 151. DBO carboncea y autotrfica ....................................................242Figura 152. Relaciones entre consumo de oxgeno, crecimiento

    microbiano y remocin de carbono orgnico ..............................243Figura 153. Curva de DBO en funcin del tiempo, relacionando Lt y L .........247Figura 154. Representacin esquemtica del tratamiento de agua residual

    en un reactor ..............................................................................252Figura 155. Descripcin del proceso en un reactor biolgico .........................252Figura 156. Modelo de un reactor tipo batch .................................................253Figura 157. Reactor tipo pistn .....................................................................254Figura 158. Modelo dinmico de reactor de flujo continuo y mezcla

    completa ....................................................................................255Figura 159. Reactor de lecho fluidizado ........................................................258Figura 160. Contactor biolgico rotatorio (RBC) ...........................................259

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXXIV

    Figura 161. Cmara de rejas de la planta de tratamiento de la ciudad de Pisco (Per) ...........................................................................265

    Figura 162. Biodegradabilidad de la molcula de glucosa por medio de respiracin aerbica ...............................................................267

    Figura 163. Biodegradabilidad de la molcula de glucosa por fermentacin y respiracin anaerobia ..........................................268

    Figura 164. Biodegradabilidad de biopolmeros por metanognesis ...............270Figura 165. Distribucin de los organismos fotosintticos con la

    temperatura en lagunas de estabilizacin ....................................281Figura 166. Variacin de la velocidad de la fotosntesis en funcin de la

    temperatura e intensidad de la radiacin solar ............................282Figura 167. Variacin de la proporcin de H

    2S, HS- y S= con el pH en

    solucin acuosa ..........................................................................287Figura 168. Relacin de sinergismo entre las algas y las bacterias

    en la estabilizacin aerobia de la materia orgnica ......................290Figura 169. Perfil de oxgeno y potencial redox en lagunas facultativas .........291Figura 170. Modelo ecolgico de una laguna facultativa ................................294Figura 171. Modelo de laguna facultativa de mezcla completa .......................295Figura 172. Modelo de laguna aireada ...........................................................304Figura 173. Solucin grfica de la relacin S

    0/S con respecto al tiempo

    de retencin (ecuacin 111) .......................................................306Figura 174. Esquema de un sistema de lagunas aireadas primarias y

    secundarias .................................................................................310Figura 175. Remocin de material orgnico en funcin del tiempo en un

    sistema estacionario de lodos activados ......................................314Figura 176. Modelo de reactor biolgico de lodos activados. .........................315Figura 177. Modelo de formacin de los flocs en lodos activados,

    propuesto por Higgins (1997) ....................................................316Figura 178. Presencia de microorganismos en lodos activados,

    en sucesin ecolgica ................................................................321Figura 179. Modelo de remocin de la materia orgnica en un reactor con

    aireacin de lodos activados .......................................................323Figura 180. Curva de crecimiento ideal para lodos activados en un reactor

    tipo estacionario (batch) .............................................................325Figura 181. Modelo del proceso de lodos activados de mezcla completa con recirculacin .........................................................329Figura 182. Diagrama de flujo para la revisin de un proceso de lodos

    activados ....................................................................................336Figura 183. Grficas que representan la tasa de respiracin por los

    microorganismos y la tasa de consumo de oxgeno .....................338

  • Contenido XXV

    Figura 184. Esquema de un respirmetro para mediciones de parmetros cinticos ....................................................................................338

    Figura 185. Observacin del efecto txico en ensayos de respirometra usando muestras de lodos activados y muestra de referencia ......342

    Figura 186. Esquemas de un filtro biolgico tpico ........................................346Figura 187. Muestra de grava que puede ser usada como soporte en biofiltros ...348Figura 188. Empaque estructurado a base de cermica para ser usada en

    biofiltros .....................................................................................349Figura 189. Formacin de biopelcula en el soporte del biofiltro ...................350Figura 190. Modelo de los procesos biolgicos en las piedras biofiltro RB-100 ...351Figura 191. Fotografa de un filtro biolgico tpico ........................................353Figura 192. Modelo de biofiltro sin recirculacin. Se supone flujo de pistn

    y tasa de remocin de DBO ........................................................354Figura 193. Modelo cintico de biofiltros con recirculacin Ofuente .............356Figura 194. Modelo de biofiltros ...................................................................358Figura 195. Esquema de un sistema de tratamiento de aguas residuales

    por medio de biodiscos ..............................................................364Figura 196. Modelo cintico en biodiscos ......................................................364Figura 197. Proceso biolgico en anaerobiosis ...............................................373Figura 198. Vista microscpica de lodo granular de tratamientos anaerbicos ....375Figura 199a. Esquema representativo de un tanque sptico.............................379Figura 199b. Esquema representativo de un tanque Imhoff .............................379Figura 200a. Modelo de reactores anaerobios: filtro anaerbico de flujo

    ascendente y manto de lodos (UASB) .........................................380Figura 200b. Modelo de reactores anaerobios: filtro anaerbico de flujo

    ascendente y manto de lodos (UASB) .........................................380Figura 201. Esquema de un corte del fondo de sedimentador

    de un tanque Imhoff ...................................................................384Figura 202. Corte de un tanque Imhoff que muestra algunas

    caractersticas de diseo del digestor ..........................................386Figura 203. Esquema representativo de un reactor UASB convencional con

    sello hidrulico que mantiene el nivel de agua requerido en la cmara de gas .............................................................................389

    Figura 204. Representacin esquemtica de un reactor anaerobio de lecho fluidizado .....................................................................394

    Figura 205. Vista panormica de la PTAR Shafdan, de 45 ha, que incluye pretratamiento, reactores biolgicos y clarificadores ...................399

    Figura 206. Cultivos en el proyecto Copare-Tacna (Per) ..............................402

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXXVI

    NDICE DE TABLAS

    Tabla 1. Clasificacin de los monosacridos de acuerdo con el nmero de tomos de C ................................................................................5

    Tabla 2. cidos grasos que se encuentran en la naturaleza .............................17

    Tabla 3. Tipos de respiracin en microorganismos .........................................44

    Tabla 4. Ejemplos de algunos virus de inters general ....................................51

    Tabla 5. Diferencias entre los procariotes Gram + y Gram - ...........................65

    Tabla 6. Organismos que causan diferentes tipos de infecciones al hombre, de origen hdrico-alimentario .............................................97

    Tabla 7. Inventario de agua en la superficie terrestre ......................................184

    Tabla 8. Principales gneros y especies bacterianas que forman ndulos con leguminosas .................................................................189

    Tabla 9. Proteobacterias que forman ndulos con leguminosas ......................191

    Tabla 10. Condiciones que favorecen la nitrificacin en el tratamiento de aguas residuales ........................................................................194

    Tabla 11. Condiciones que favorecen la desnitrificacin en el tratamiento de aguas residuales .....................................................196

    Tabla 12. Efecto de diferentes iones presentes en los efluentes de

    aguas residuales sobre la actividad de Anammox ...........................200

    Tabla 13. Principales reacciones bioqumicas y los organismos

    que participan en el ciclo del nitrgeno (adenda) ..........................421

    Tabla 13a. Presiones sobre los ecosistemas de agua dulce ..............................211

    Tabla 14. Principales grupos de macroinvertebrados bentnicos que se usan como bioindicadores de la calidad del agua ...........................218

    Tabla 15. Biosensores bacterianos para monitorear contaminantes del petrleo .........................................................................................228

    Tabla 16. Efectos de los contaminantes presentes en aguas residuales ............243

    Tabla 17. Caractersticas tpicas de un desage domstico .............................245

    Tabla 18. Algunos compuestos parcialmente oxidables por el dicromato en medio cido ...................................................248

    Tabla 19. Aporte de DBO y DQO para diferentes tipos de desages y mezcla completa .........................................................................250

  • Contenido XXVII

    Tabla 20. Principales procesos operacionales en tratamiento de aguas residuales ......................................................................................264

    Tabla 21. Consumo de H2 en reacciones anaerbicas .....................................270

    Tabla 22. Diseo de valores de cargas volumtricas de DBO en porcentaje de remocin de DBO en lagunas anaerbicas a varias temperaturas ....288

    Tabla 23. Valores del coeficiente de reduccinbacteriana Kb (d-1) ..................299

    Tabla 24. Distribucin de bacterias heterotrficas aerbicas en lodos activados .......................................................................................318

    Tabla 25. Causas y efectos de los problemas que se originan por la separacin de los slidos en las plantas de lodos activados ............333

    Tabla 26. Relacin de microorganismos filamentosos identificados en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Industriales (PTAR I) con las principales variables de operacin .......................334

    Tabla 27. Clasificacin de los procesos en lodos activados segn la carga ......337

    Tabla 28. Caractersticas que deben cumplir los filtros segn las cargas .........349

    Tabla 29. Recomendaciones para mantener en estado operativo un sistema de biofiltros ..................................................................362

    Tabla 30. Componentes del biogs en funcin del sustrato utilizado .............374

    Tabla 31. Factores de capacidad relativa de acuerdo con diferentes temperaturas para tanques Imhoff .................................................385

    Tabla 32. Tiempo requerido para la digestin de lodos en un tanque Imhoff de acuerdo con la temperatura ...........................................386

    Tabla 33. Tiempos de retencin hidrulicos recomendados segn temperatura y caudales ........................................................388

    Tabla 34. Parmetros de diseo en plantas anaerbicas tipo UASB .................390

    Tabla 35. Comparacin de rendimientos obtenidos en Tacna con efluentes de lagu-nas aireadas rendimiento con aguas blancas Rendimiento en t/ha ......402

    Tabla 36. Rendimiento obtenido en Mxico con aguas negras y aguas blancas Rendimiento en t/ha .............................................402

    Tabla 37. Categoras para el reso de aguas residuales ...................................403

    Tabla 38. Directrices recomendadas para el reso de aguas en agricultura ....404

  • Prlogo

    Cuando cuidas y proteges el agua, proteges la vidaLa vida es agua, bailando al son de las macromolculas.

    Albert Szent-Gyrgyi

    Lo que tenemos que cuidar y mejorar permanentemente es nuestro planeta Tierra (ecosfera), no solo a partir de las instituciones de gobierno o privadas, sino de todos los que habitamos en ella, con la nica idea de revertir el deterioro ambiental originado principalmente por el desarrollo industrial, pero tambin debido a nuestros hbitos de contaminar el aire, el suelo y el agua.

    Hemos llegado al extremo en los procesos de deforestacin y combustin de car-bono y los efectos ya estn presentes en Sudamrica, debido tambin a la emisin de gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climtico y al deshielo de los glaciares en los polos. De igual manera, la construccin de presas y reser-vorios aumentan el deterioro de los ecosistemas ocasionando la prdida de la biodiversidad, etc.

    Todos estos factores han deteriorado la calidad de las fuentes naturales de agua impidiendo su explotacin para diversos usos; por tanto, todos estos factores se han convertido en un crculo vicioso que si no se detiene a tiempo llegar a un punto sin retorno.

    An es posible revertir los impactos ambientales negativos pero para ello se re-quiere de mucho esfuerzo por parte de las autoridades gubernamentales para evitar problemas ms graves como: sequas, inundaciones, enfermedades epid-micas que afectaran tanto al hombre como a los animales y plantas y que de hecho ya existen en diversas partes del mundo, entre otros.

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXXX

    La educacin ambiental debe empezar en el hogar y en la edad preescolar. La educacin inicial, primaria y secundaria deben ir acompaadas, durante todos los aos, de cursos y talleres acerca del tema ambiental, y deben ser especialmente recreativos para desarrollar en los educandos una conciencia ecolgica para la preservacin del medio ambiente, el uso correcto del agua para consumo humano y la conservacin de las fuentes naturales con una adecuada cultura del agua.

    El libro Biotecnologa ambiental de aguas y aguas residuales est dedicado prin-cipalmente a los estudiantes de ciencias e ingeniera en las carreras de biologa, ingeniera ambiental, qumica, ingeniera sanitaria y algunas carreras tecnolgi-cas; a los profesores universitarios e investigadores en el campo ambiental, as como a cualquier persona que desee ampliar sus conocimientos en los temas que se tratan.

    Muchos lectores se preguntarn por qu este libro de biotecnologa aborda la problemtica del agua existiendo en la literatura una gran variedad de textos y tratados para cada tema. La respuesta es muy sencilla: se debe a que la mayora de los textos profundizan adecuadamente en cada tpico o tema en forma aislada, dejando de lado la interrelacin e interpretacin de los aspectos biolgicos que ocurren en los procesos de ingeniera, sin tener en cuenta, por ejemplo, los desa-rrollos metablicos de los microorganismos que contribuyen con el proceso y las mejoras que se pueden realizar con el manejo adecuado tanto del mundo de la in-geniera como el biolgico, dando lugar a la bioingeniera gracias al uso de herra-mientas adecuadas que ahorren esfuerzos y sean econmicamente beneficiosas.

    La biotecnologa aplicada en estos procesos corresponde y depende de la ha-bilidad y conocimientos de los profesionales para seleccionar aquellas alterna-tivas que den los mejores resultados, incluyendo los avances biotecnolgicos y teniendo en cuenta los costos y la preservacin del medio ambiente.

    En un libro como este es imposible abarcar todas las herramientas para las mejo-ras biotecnolgicas, por lo que resultan necesarios los conocimientos de biologa molecular, bioqumica, matemticas e ingeniera gentica. Sin embargo, se ha abordado en varios captulos el tratamiento biolgico de las aguas residuales, por-que es un problema que afrontan todos los pases de Amrica Latina y el Caribe y al que se debe dar solucin en el mediano plazo, a fin de minimizar las enfer-medades endmicas y epidmicas, disminuyendo la tasa de morbimortalidad que afecta principalmente a los nios y a las personas de la tercera edad.

    Investigando, aplicando y desarrollando programas de tratamiento biolgico del agua estaremos cuidando nuestro ms preciado recurso natural.

    Csar Lazcano Carreo

    Esther Lazcano Carreo

  • Presentacin

    Amrica Latina est representada por los pases de habla hispana de los que Per forma parte como pas proveniente de una cultura milenaria, en la que los pobladores de la poca incaica manejaban los problemas de ingeniera y biotecnologa de forma sorprendente, pues la agricultura era suficiente para una poblacin de ms de 15 millones de habitantes, con sembrados principalmente de maz, papa, oca, etc. En conjunto con la ganadera conformada por los cam-lidos sudamericanos, era posible alimentar a esta vasta poblacin, sin dejar de lado la pesca y la caza de animales salvajes para complementar la alimentacin. Igualmente, la ingeniera hidrulica de la poca estaba bastante adelantada; se haban construido acueductos y canales con transporte de agua a grandes distan-cias, que hoy se pueden apreciar en algunas ruinas asentadas en diversas partes de Per, como Tambomachay, en la ciudad de Cusco.

    Actualmente, Per tiene una poblacin de 28 millones de habitantes asentados principalmente en la zona costera. Lima, la capital, alberga la tercera parte de la poblacin, pero tiene graves problemas en los ecosistemas acuticos, los cuales se vienen deteriorando da a da por los vertimientos de aguas residuales sin tratar o con tratamientos deficientes, originando sobrecostos en la produccin de agua potable por el uso de estos sistemas como fuentes de abastecimiento, contamina-cin de cultivos cuando el riego se realiza con desages crudos o con tratamientos deficientes, etc. Cuando los efluentes se vierten en el ocano Pacfico, la contami-nacin de las aguas costeras es inminente e impide la pesca artesanal y algunos

  • Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residualesXXXII

    deportes acuticos como la natacin y la recreacin poblacional. En un enfoque claro, los efluentes con tratamiento parcial o sin tratamiento en descarga directa generan contaminacin de cultivos por el uso de las aguas para riego de terrenos de cultivo y contaminacin marina.

    La problemtica de Per con respecto a las deficiencias en el tratamiento de las aguas servidas es comn en todos los pases de la regin, con ligeras diferencias, por lo que existe la necesidad de establecer criterios que es lo que bsicamente se desarrolla en el libro que permitan una mejora en la disposicin de aguas re-siduales, cuidado del medio ambiente para preservar los ecosistemas acuticos, y educacin permanente en todos los niveles educativos, as como el cumplimiento de la legislacin vigente; esto mejorar la calidad de vida de las poblaciones, prin-cipalmente de las ms pobres y con menos recursos.

    Este libro incluye un estudio detallado de los diferentes aspectos biotecnolgicos que se conjugan con el ambiente y tienen su aplicacin en el tratamiento biolgico de las aguas residuales en general; para ello se detallan inicialmente los conceptos bsicos de biologa, teniendo en cuenta los avances recientes y las ubicaciones taxonmicas de los seres vivos de acuerdo con las nuevas propuestas, utilizando el trmino Dominio para los tres grandes grupos de seres vivos: Archaea, Bacteria y Eukaria, con el fin de diferenciar mejor las actividades funcionales que cumple cada grupo en los ecosistemas acuticos y su labor principal en los sistemas de tratamiento biolgico.

    Utilizando el Manual de bacteriologa de Bergey se ha podido identificar a los diferentes organismos (bacterias y arqueas) de acuerdo con las funciones que cumplen en el metabolismo, crecimiento y reproduccin en los sistemas de tra-tamiento biolgico de aguas residuales y el papel en cada proceso, lo cual es de gran utilidad para un buen diseo, operacin y mantenimiento de los sistemas de tratamiento.

    Se incluye el captulo Ecosistemas acuticos, en el cual se analizan las caracte-rsticas ms importantes de un ecosistema en relacin con las leyes de la termo-dinmica, y se adopta el trmino exerga en los ecosistemas como un nuevo concepto que permite conocer la utilizacin mnima de energa para producir el mximo trabajo, considerando que un ecosistema acutico es un sistema abierto. Asimismo, se da nfasis a los principales ciclos biogeoqumicos en un ecosistema acutico, para lo cual se han elaborado, en forma didctica, las principales reac-ciones en cada uno de los ciclos que son de utilidad para una mejor compren-sin de los sistemas de tratamiento biolgico de aguas residuales; tambin se ha introducido en el ciclo del nitrgeno un nuevo componente que corresponde al complejo Anammox, que representa un cortocircuito en el proceso de desnitri-ficacin, con ahorro de tiempo y energa y de gran aplicabilidad en los sistemas que mencionamos.

  • Captulo 1: IntroduccIn XXXIII

    Un aspecto importante de este libro corresponde al captulo Evaluacin de la calidad de las aguas, en el cual se incluyen temas innovadores como el biomo-nitoreo, bioevaluacin y biocriterio, adems de diferentes mtodos con bioindi-cadores.

    Finalmente, el tema central del libro corresponde al tratamiento biolgico de aguas residuales, en el cual se exponen los aspectos importantes de los reactores biolgicos y su aplicabilidad en los sistemas de tratamiento. Los procesos bio-lgicos ampliamente tratados corresponden a los sistemas de lagunaje, exten-samente difundidos en los pases de Amrica Latina y el Caribe, los sistemas de tratamiento por lodos activados, mtodos de reciente implementacin en Per por sus costos elevados, los filtros biolgicos y los biodiscos. El captulo final corresponde al reso de aguas residuales como ejemplos de aplicabilidad de los efluentes tratados y las experiencias en los diferentes pases de Amrica y Europa.

    Dedico este libro principalmente a los estudiantes de ciencias e ingeniera para que aborden los temas que les sean tiles en sus cursos de biotecnologa, tratamiento de aguas residuales, qumica ambiental, etc., y a los tecnlogos que trabajen o estudien temas de biotecnologa ambiental. Asimismo, este libro resulta prctico y til para los profesores de los cursos mencionados; como libro de consulta para los investigadores y para toda persona que desee tener un conocimiento sobre los temas que se incluyen o deseen ampliar sus conocimientos al respecto.

  • Captulo 1

    Introduccin

    La biotecnologa consiste en la aplicacin de los modelos biolgicos que ocu-rren en forma natural en todos los seres vivos a procesos tecnolgicos; es una rama aplicativa cientfica de grandes expectativas y en conjunto con la ingeniera gentica, sern los aspectos de mayor demanda en el siglo XXI. Las aplicaciones biolgicas son inmensas y se ha recurrido a todo tipo de procesos ya conocidos para su aplicabilidad.

    Antes de la aparicin de esta rama de las ciencias aplicadas, algunos conceptos eran tomados en cuenta de forma emprica, sin la aplicacin de los conocimientos netamente cientficos; son las diferentes ramas de la ingeniera las que han tenido los avances ms importantes en el campo del uso de organismos biolgicos para sus procesos productivos.

    La biologa siempre fue estudiada como una ciencia naturalista y de investigacin pura, con resultados sorprendentes; sin embargo, su aplicacin en la tecnologa moderna tard algunos aos en ser entendida. Hoy en da las universidades e instituciones donde se desarrolla la biotecnologa tienen mayor prestigio a nivel mundial y ofrecen soluciones a muchos problemas tecnolgicos adems de avan-ces cada vez ms especializados, incluyendo a la informtica (bioinformtica).

    Desde hace varios aos el autor empez a dictar algunos cursos-taller sobre bio-tecnologa del tratamiento de aguas residuales, especialmente a profesionales de las ramas de la ingeniera deseosos de comprender adecuadamente este tema,

  • 2 Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residuales

    obteniendo bastante xito; sin embargo, los conocimientos impartidos solo alcan-zaron a un pblico reducido de la ciudad de Lima y a algunos profesionales de provincias, as como tambin a algunos extranjeros.

    Con los apuntes acumulados de los talleres dictados, el autor realiz el primer tra-bajo monogrfico en la segunda fase del programa de doctorado de AIU titulado Modern Biotechnology for Effluents Treatment.

    El presente libro no es una simple revisin bibliogrfica de los temas abordados, sino ms bien una investigacin exhaustiva de los avances recientes en el trata-miento biolgico de las aguas residuales y en la calidad de las fuentes de aguas naturales, que han permitido elaborar modelos biolgicos y biotecnolgicos in-ditos, lo que permite, adems, interpretar adecuadamente los hechos que se mencionan en los textos.

    La biotecnologa del agua y de las aguas residuales se basa en temas aplicativos de la biologa, microbiologa, bioqumica, biologa molecular y las matemticas, que en conjunto contribuyen adecuadamente a la interpretacin de cada tema, tablas y modelos. De all que aunque la parte considerada como biolgica parezca demasiado extensa, servir de base no solo para la interpretacin de los diferen-tes temas de este documento, sino de otros textos y revistas que el lector desee consultar.

    La literatura investigada, en su mayora, corresponde a los ltimos diez aos; sin embargo, existe informacin valiosa que no se puede dejar de lado en revistas, textos, etc., inclusive de los aos setenta a los noventa, que no ha podido dejar de revisarse e incluirse como aporte en este documento.

  • Captulo 2

    Los seres vivos en los ambientes acuticos

    Generalidades

    Los ambientes acuticos representan una gran parte de los ecosistemas donde los seres vivos realizan todas sus actividades, con sus caractersticas propias y con los nutrientes necesarios para la supervivencia; es decir, corresponde al hbitat de los seres vivos donde realizan todas o la mayora de sus actividades en una comunidad llamada cadena trfica que empieza con los productores pri-marios: bacterias fotosintticas, algas y plantas que por medio de la fotosntesis y la fijacin de nitrgeno del aire sintetizan los carbohidratos y protenas (orga-nismos autotrficos) y que constituyen el primer eslabn en este sistema. Luego se encuentran los organismos unicelulares como las bacterias y los protozoarios, que en su mayora son heterotrficos y se nutren de los organismos anteriores. La cadena contina con los organismos pluricelulares invertebrados, como los rot-feros, crustceos, insectos, etc., y vertebrados como los peces, anfibios, reptiles y mamferos, todos ellos conviviendo en un ambiente en equilibrio tanto en aguas dulces como salobres o marinas.

    Este captulo no pretende abarcar un curso de zoologa y botnica, sino un as-pecto referencial de los principales organismos que forman parte de los ecosis-temas acuticos, la importancia que tiene cada uno de ellos en el ecosistema y principalmente su significado en ambientes contaminados o deteriorados eco-

  • 4 Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residuales

    lgicamente, as como su participacin en los sistemas de tratamiento de aguas residuales para una mejor interpretacin en los diseos y procesos operativos de las plantas de tratamiento biolgico de aguas residuales (PTAR) que constituye aspectos importantes de la biotecnologa ambiental.

    La clula

    Definicin

    La clula es la unidad biolgica fundamental con las funciones de un ser unitario. En los organismos pluricelulares se encuentran diferenciadas para cada tipo de rgano y por la funcin que realizan. En los organismos unicelulares (algas mi-croscpicas, protozoarios) cada clula es un organismo individual y diferenciado a su vez de otros de acuerdo con su constitucin gentica y fenotpica.

    Composicin qumica

    Segn la definicin, las clulas realizan todas las funciones de un ser vivo y mu-chas de ellas estn especializadas en cumplir determinadas funciones. Todas las clulas tienen la capacidad de nutrirse, dividirse y morir, para ello la funcionali-dad de cada una se relaciona con la composicin qumica presente, cuyas mol-culas permiten que se realice el metabolismo dentro de la clula, incluyendo los procesos de respiracin y transferencia de gases y biomolculas. Los componen-tes qumicos se hallan representados por compuestos orgnicos: carbohidratos, lpidos, protenas y cidos nucleicos. Adems, existen compuestos inorgnicos como algunos metales y metaloides (Fe, Cu, Zn, S, Se, Mo, Ca, Mg, P, etc.), con funciones variadas en el protoplasma celular, existiendo adems una gran propor-cin de agua, de acuerdo con el tipo de clula.

    Carbohidratos

    Son compuestos formados por C, H y O en la proporcin de 1, 2, 1 (CH2O), de all el nombre de carbohidratos; algunos carbohidratos adems tienen N, S, P, etc.; qumicamente, son polihidroxialdehdos o polihidroxicetonas. Son los com-ponentes que se forman inicialmente con el proceso de fotosntesis a partir de CO2 y los que proveen de energa a la clula y que con el proceso de combustin del material celular, regresan al aire en forma de CO2 con el proceso respiratorio (ver el ciclo del carbono, figura 137).

    El carbohidrato ms simple posee solo tres tomos de carbono y los ms comple-jos presentan una estructura polimrica con n tomos de C.

    Clasificacin de los carbohidratos:

  • 5 Captulo 2: Los seres vivos en Los ambientes acuticos

    a) Monosacridos

    Son los azcares ms sencillos, conformados por un nico polihidroxialdehdo o polihidroxicetona y se clasifican de acuerdo con el nmero de tomos de car-bono, segn se indica en la tabla 1 y en la figura 1.

    Glucsidos

    Derivados de los monosacridos por sustitucin del tomo de H del hidroxilo, semiacetlico, por un grupo alquilo o arilo, denominado aglucn, unido a la mo-lcula ciclada del azcar mediante un enlace glucosdico.Ejemplos de algunos glucsidos naturales:

    Arbutina: Glu + hidroquinona

    Florizina: Glu + floretina

    Amigdalina: 2 Glu + D-mandelonitrilo

    Digitonina: 4 Gal + xilosa + digitogenina

    Saponina: Azcar sapogenina

    Indican: Glu + indoxilo

    Tabla 1. Clasificacin de los monosacridos de acuerdo con el nmero de tomos de C

    Clase Nmero tomos de C

    Nombres Ejemplos

    Aldosas

    2 Diosas Glicolaldehdo

    3 Aldotriosa D-gliceraldehdo

    4 Aldotetrosa D-eritrosa, D-treosa

    5 Aldopentosa D-ribosa, D-arabinosa

    6 Aldohexosa D-glucosa, D-manosa, D-galactosa

    7 Aldoheptosa D-mananoheptulosa, Seudoheptulosa

  • 6 Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residuales

    Clase Nmero tomos de C

    Nombres Ejemplos

    Cetosas

    3 Cetotriosa Dihidroxilcetona

    4 Cetotetrosa D-eritrulosa

    5 Cetopentosa D-xilulosa, D-ribulosa

    6 Cetohexosa D-fructosa, D-sorbosa

    7 Heptosas Glucooctosa, manooc-tosa, calactoctosa

    Figura 1. Estructuras de diferentes monosacridos

    b) Oligosacridos

    Son compuestos que poseen de 2 a 10 unidades de monosacridos unidos con enlaces tipo y :

    1. Disacridos

    Los monosacridos se unen entre s para formar molculas dobles de-nominadas disacridos como la maltosa, formada por dos molculas de glucosa, la sucrosa (sacarosa) formada por una molcula de glucosa y una de fructosa y la lactosa, formada por una molcula de glucosa y una de galactosa (figura 2).

  • 7 Captulo 2: Los seres vivos en Los ambientes acuticos

    Figura 2. Estructuras de tres disacridos importantes: lactosa, sucrosa y maltosa

    2. Trisacridos

    Algunos oligosacridos presentan tres unidades de monosacridos en su estructura, como ejemplos tenemos los siguientes (figura 3):

    Manotriosa: Gal + Gal + Glu

    Robinosa: Gal + Rham + Rham

    Rafinosa: Fruc + Glu + Gal

  • 8 Biotecnologa amBiental de aguas y aguas residuales

    Figura 3. Estructura de un trisacrido

    3. Tetrasacridos

    Se conocen dos tetrasacridos: estaquiosa (C24

    H42

    O21

    : Gal-GalGlu-Fru) que se encuentra en la soya y escorodosa, presente en el Allium sativum (ajo) y de efectos cardioprotectores (Garca, 2000, pp 12,16).

    4. Pentasacridos

    Se conoce uno: verbascosa (Gal-Gal-Gal-Glu-Fruc) encontrado en la raz de Verbascum thapus (mulena). Recientemente se han preparado pentasacridos sintticos que presentan la actividad anticoagulante de la heparina de bajo peso molecular, pero con una actividad mucho me-jor (Mainez, 2006, p 298W).

    5. Polisacridos o almidones

    Se encuentran formados por una cadena larga de monosacridos, gene-ralmente glucosa, en nmero mayor a diez subunidades y unidos con enlaces glucosdicos. Los ms comunes son:

    El almidn, que se encuentra en las races y tubrculos de los vegetales, tiene cadenas largas con ramificaciones cada 24 a 30 tomos de carbono y est conformado por amilosa y amilopectina.

    El glucgeno, que se encuentra en los msculos y en el hgado y sirve como reserva energtica, similar al almidn; sin embargo, las ramifica-ciones se encuentran cada 10-12 tomos de carbono.

    La celulosa, formada por n molculas de -D-glucosa sin ramificaciones, forma parte de la pared celular de todas las clulas vegetales y es degradado por las bacterias del rumen de los rumiantes y algunos protozoarios que se encuentran en el intestino de las termitas.

    La quitina, polisacridos conformados por molculas de aminoazcares (acetilglucosamina), conforma el exoesqueleto de los artrpodos y de algunos hongos (figura 4).

  • Los ecosistemas acuticos de la costa pacca de Amrica del Sur se han venido deterioran-do en los ltimos aos por los vertimientos descontrolados de aguas residuales no tratadas o con tratamientos decientes. Dichos euentes han contaminado terrenos de cultivo, generado sobrecostos en la produccin de agua potable e impedido el desarrollo de la pesca artesanal y turismo costero. Esta es una realidad preocupante

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