¿Se comen las bacterias los lodos directamente?

No. Secretan enzimas extracelulares —proteasas, amilasas, lipasas y celulasas— que hidrolizan las grandes moléculas orgánicas de los lodos en fragmentos solubles. Los organismos asimilan entonces esos fragmentos y los oxidan para obtener energía o los integran en nuevas células. La digestión ocurre fuera de la célula; el organismo vive de lo que las enzimas liberan.

¿Por qué la bioaumentación no puede retirar todos los lodos?

Porque solo la fracción orgánica volátil es biodegradable. Cuando se seca e incinera una muestra de lodos, el material orgánico se quema y la materia mineral —arena, gravilla, limo y precipitados— permanece como sólidos fijos. Esa fracción fija no está disponible para ninguna enzima a ninguna dosis, de modo que el tratamiento biológico reduce el manto orgánico en lugar de eliminar la acumulación.

¿Qué es el crecimiento críptico?

Es el ciclo en el que la biomasa crece sobre los productos de los sólidos orgánicos hidrolizados y lisados, muere y se lisa a su vez, y vuelve a hidrolizarse y metabolizarse. A lo largo de ciclos repetidos, los sólidos orgánicos se mineralizan progresivamente en lugar de simplemente reorganizarse, que es lo que produce una reducción neta de la masa orgánica de los lodos.

Cómo la bioaumentación reduce los lodos

El mecanismo biológico por el cual los microorganismos añadidos reducen los lodos de laguna —la hidrólisis enzimática de los sólidos orgánicos, el crecimiento críptico y el techo de la fracción volátil que lo limita— expuesto frente a las fuentes revisadas por pares.

The short answer

La bioaumentación reduce los lodos mediante hidrólisis enzimática. Los microorganismos añadidos, predominantemente formadores de esporas del género Bacillus, secretan enzimas —proteasas, amilasas, lipasas y celulasas— que rompen las grandes moléculas orgánicas de los sólidos sedimentados en fragmentos lo bastante pequeños como para que las células los asimilen y oxiden. Un estudio de 2022 que aisló cepas reductoras de lodos halló que la reducción se produce principalmente mediante hidrólisis por proteinasa y amilasa seguida de crecimiento críptico, y midió que en 48 horas y a escala de laboratorio se eliminaba alrededor del 21 por ciento de los sólidos suspendidos totales y alrededor del 14 por ciento de los sólidos suspendidos volátiles. El mecanismo actúa siempre únicamente sobre la fracción orgánica volátil. La arena, la gravilla, el limo, los precipitados minerales y los plásticos no son biodegradables y permanecen a cualquier dosis, razón por la cual la reducción —y no la eliminación— es la descripción honesta de lo que logra el proceso.

Un mecanismo, repetido a escala

Quite el marketing y la reducción biológica de lodos es una sola idea química. Los lodos son en gran parte polímero orgánico —proteína, grasa, almidón y celulosa, contenidos en las células microbianas y los sólidos sedimentados y a su alrededor—. Esos polímeros son demasiado grandes para que una bacteria los asimile. Antes de que algo pueda metabolizarse tiene que cortarse en trozos más pequeños y solubles, y ese corte ocurre fuera de la célula, a cargo de las enzimas que los organismos secretan al agua que los rodea. Los organismos no consumen los lodos directamente; liberan las herramientas que los desmontan y luego viven de lo que esas herramientas ponen en libertad.

Cuatro clases de enzimas hacen casi todo el trabajo, cada una emparejada con un componente del material. Esto es bioquímica establecida y no una afirmación de producto, y es la razón por la que importan el formato y la selección de cepas: una mezcla solo es tan útil como las enzimas que sus organismos producen realmente en las condiciones de su laguna.

Clase de enzima	Hidroliza	En un manto de laguna, esto es
Proteasa	Proteínas y péptidos	La fracción proteica de los sólidos sedimentados del afluente y de la biomasa muerta.
Amilasa	Almidones y carbohidratos complejos	La carga de carbohidratos, máxima en el afluente de procesamiento de alimentos.
Lipasa	Grasas y aceites (FOG)	El FOG, que flota y se consolida en lugar de sedimentar por sí solo.
Celulasa	Celulosa	Fibra vegetal y papel, una gran parte de un manto municipal.

De la hidrólisis a un manto más pequeño

La hidrólisis por sí sola solo disuelve los sólidos; no los retira. La retirada procede de lo que ocurre a continuación. Los fragmentos solubles liberados por las enzimas son asimilados por los organismos residentes e introducidos, oxidados a dióxido de carbono y agua para obtener energía, y en parte convertidos en nuevas células. Algunas de esas células mueren y se lisan a su vez, liberando material que se hidroliza y metaboliza de nuevo. A lo largo de ciclos repetidos, los sólidos orgánicos se mineralizan progresivamente en lugar de simplemente reorganizarse, y el efecto neto es una masa orgánica menor. En el estudio de aislamiento de cepas citado aquí, los autores atribuyen la reducción específicamente a la hidrólisis por proteinasa y amilasa seguida de este crecimiento críptico, y señalan que una única cepa bien elegida superó a los cultivos mixtos, que competían entre sí.

21%

Sólidos suspendidos totales eliminados a escala de laboratorio en 48 horas por una cepa reductora de lodos optimizada.

Peer-reviewed

14%

Sólidos suspendidos volátiles eliminados en las mismas 48 horas en el mismo estudio: cinética temprana, no un resultado de campo.

Peer-reviewed

33%

Reducción de sólidos suspendidos volátiles lograda con una mezcla de proteasa y lipasa en un estudio controlado de lodos primarios.

Controlled study

Una palabra sobre esas cifras. Los números de 48 horas son cinética de laboratorio a partir de un cultivo optimizado, no lo que una laguna arroja a lo largo de una temporada, y son menores precisamente porque son tempranos. Las reducciones de campo de la fracción volátil publicadas en esta categoría son mayores —aproximadamente un tercio en el trabajo enzimático controlado hasta en torno al sesenta por ciento en los estudios de caso de proveedores—, pero el mecanismo es el mismo que se mide en el matraz. Lo que cambia entre el matraz y la laguna no es la química; es la entrega, la temperatura y el tiempo, que es donde se sitúa la mayor parte de la incertidumbre honesta de este campo.

El techo que el mecanismo no puede superar

Cada enzima anterior actúa sobre un enlace orgánico. Ninguna de ellas actúa sobre un grano de arena. Secar una muestra de lodos e incinerarla a 550 grados Celsius, el método estándar para la medición, quema el material orgánico en forma de sólidos volátiles y deja atrás la materia mineral como sólidos fijos, y esa fracción fija es exactamente lo que ninguna dosis puede tocar. Conviene ser preciso sobre un límite adicional que refuerza el argumento en lugar de debilitarlo: ni siquiera toda la fracción volátil es biodegradable, ya que parte del material orgánico es químicamente recalcitrante. Así pues, el porcentaje volátil fija el techo exterior de lo que el tratamiento biológico puede lograr, y el resultado alcanzable se sitúa en algún punto por debajo de él.

Por qué el mecanismo decide cómo se juzga un producto

Como el trabajo es enzimático, la pregunta que importa para cualquier producto es si las enzimas adecuadas se producen, en la capa de lodos, a la temperatura del agua, durante el tiempo suficiente para actuar. Un recuento de células destacado no responde a nada de eso. No dice nada sobre qué especies están presentes, qué enzimas secretan, o si llegan al fondo de la celda y sobreviven allí. El mecanismo está genuinamente bien establecido; la ingeniería de conseguir que ocurra donde están los lodos sigue siendo la mitad más difícil y menos estudiada, y se expone en la revisión de la evidencia y en el artículo sobre la evidencia de campo.

Referencias

Li, J., Yang, X., Hu, A., Li, Y., Li, Y., Fu, L. & Yu, C.-P. (2022). The Performance and Mechanism of Sludge Reduction by the Bioaugmentation Approach. Life 12(10): 1649. DOI: 10.3390/life12101649Peer-reviewedAcceso abierto. Aislamiento y optimización de cepas a escala de laboratorio; reducciones del 21,2 % de SST y del 13,9 % de SSV en 48 horas, atribuidas a la hidrólisis por proteinasa y amilasa seguida de crecimiento críptico.
Tongco, J. V., Kim, S., Oh, B.-R., Heo, S.-Y., Lee, J. & Hwang, S. (2020). Enhancement of Hydrolysis and Biogas Production of Primary Sludge by Use of Mixtures of Protease and Lipase. Biotechnology and Bioprocess Engineering 25(1): 132–140. DOI: 10.1007/s12257-019-0302-4Controlled studyLa fuente de la cifra de reducción de sólidos volátiles de aproximadamente un tercio. Texto completo de pago.
İnan Bektaş, K., Nalcaoğlu, A., Ceylan, E. et al. (2023). Isolation and characterization of detergent-compatible amylase-, protease-, lipase-, and cellulase-producing bacteria. Brazilian Journal of Microbiology 54(2): 725–737. DOI: 10.1007/s42770-023-00944-0Peer-reviewedInforma de que aproximadamente la mitad del mercado mundial de enzimas industriales procede de especies de Bacillus.
Schallmey, M., Singh, A. & Ward, O. P. (2004). Developments in the use of Bacillus species for industrial production. Canadian Journal of Microbiology 50(1): 1–17. DOI: 10.1139/w03-076Peer-reviewedCepas seleccionadas de Bacillus secretan 20–25 g/L de enzimas extracelulares.
Kabouris, J. C., Tezel, U., Pavlostathis, S. G. et al. (2009). Mesophilic and Thermophilic Anaerobic Digestion of Municipal Sludge and Fat, Oil, and Grease. Water Environment Research 81(5): 476–485. DOI: 10.2175/106143008X357192Peer-reviewedConfirma que las grasas y los aceites (FOG) son una fracción orgánica altamente biodegradable.
US Environmental Protection Agency (2001). Method 1684: Total, Fixed, and Volatile Solids in Water, Solids, and Biosolids (EPA-821-R-01-015). US EPA Office of Water.RegulatorEl método de incineración que divide los sólidos totales en una fracción orgánica volátil y una fracción mineral fija.
US Environmental Protection Agency. Determining if a Cleaning Product is a Pesticide Under FIFRA. US EPA, Pesticide Registration.RegulatorEnumera las afirmaciones de que un producto limpia, reduce o retira lodos entre los ejemplos que la Agencia no trata como plaguicidas.

Common questions

¿Se comen las bacterias los lodos directamente?: No. Secretan enzimas extracelulares —proteasas, amilasas, lipasas y celulasas— que hidrolizan las grandes moléculas orgánicas de los lodos en fragmentos solubles. Los organismos asimilan entonces esos fragmentos y los oxidan para obtener energía o los integran en nuevas células. La digestión ocurre fuera de la célula; el organismo vive de lo que las enzimas liberan.
¿Por qué la bioaumentación no puede retirar todos los lodos?: Porque solo la fracción orgánica volátil es biodegradable. Cuando se seca e incinera una muestra de lodos, el material orgánico se quema y la materia mineral —arena, gravilla, limo y precipitados— permanece como sólidos fijos. Esa fracción fija no está disponible para ninguna enzima a ninguna dosis, de modo que el tratamiento biológico reduce el manto orgánico en lugar de eliminar la acumulación.
¿Qué es el crecimiento críptico?: Es el ciclo en el que la biomasa crece sobre los productos de los sólidos orgánicos hidrolizados y lisados, muere y se lisa a su vez, y vuelve a hidrolizarse y metabolizarse. A lo largo de ciclos repetidos, los sólidos orgánicos se mineralizan progresivamente en lugar de simplemente reorganizarse, que es lo que produce una reducción neta de la masa orgánica de los lodos.

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