Obtenció d'un inòcul de microalgues enriquit amb aigua contaminada per nitrats i estudi de la presència de comunitats microbianes

Abstract

Currently, more than 20 million people only have access to individual water sources, with groundwater being one of the main sources chosen for small-scale supply. A high percentage of this is contaminated with nitrate levels higher than the established limit of 50 mg NO3/L (91/676/EEC) due to the intensive use of fertilizer from the agricultural sector and the poor management of organic waste from livestock activities. The objectives of this study are the characterization and quantification of the microbial populations present in mother cultures from two experimental bioreactors of the IDAEA research group. These cultures will be used to generate a microalgae inoculum with which it is intended to inoculate a pilot-scale photobioreactor designed to reduce NO3 levels in contaminated groundwater. With the mother cultures, a series of tests have been carried out in order to find the adequate inoculum capable of working efficiently against high concentrations of nitrates. Positive results have been observed regarding the production of microalgae biomass and the creation of biofilm on different materials. No significant reduction in nitrate levels has been detected. DNA extracts have been made from the stock cultures. Using the quantitative real-time PCR method (qPCR), it has been possible to quantify the existing bacterial, denitrifying bacterial, and fungal population. Massive libraries have been sequenced using the MiSeq Illumina platform to taxonomically classify the most prevalent microorganism populations. Regarding the microalgae population present in the mother cultures, the genera Chlorella and Scenedesmus stand out. The phylum Proteobacteria dominates widely in the bacterial population. Once the inoculum was generated, a population change has been detected where the microalgae genus Kalenjinia predominates by 65% and the bacterial phylum Bacteroidetes by 70%. The scaling of the microalgae inoculum has been started but it has not been possible to inoculate the photobioreactor on a pilot scale due to the exceptional situation caused by the COVID-19 pandemic.

En la actualidad, más de 20 millones de personas sólo tienen acceso a fuentes de agua individuales, siendo el agua subterránea una de las principales fuentes escogidas para el suministro a pequeña escala. Un tanto por ciento elevado de esta está contaminado con niveles de nitratos superiores al límite establecido de 50 mg NO3/L (91/676/EEC) debido al uso intensivo de abono desde el sector agrícola y a la mala gestión de los residuos orgánicos procedentes de las actividades ganaderas. Los objetivos del presente trabajo son la caracterización y cuantificación de las poblaciones microbianas presentes en cultivos madres procedentes de dos biorreactores experimentales del grupo de investigación IDAEA. Estos cultivos se utilizarán para generar un inóculo de microalgas con el que se pretende inocular un fotobiorreactor a escala piloto diseñado para reducir los niveles de NO3 de aguas subterráneas contaminadas. Con los cultivos madre se han llevado a cabo una serie de ensayos con el objetivo de encontrar el inóculo adecuado capaz de trabajar eficientemente frente altas concentraciones de nitratos. Se han observado resultados positivos en cuanto a producción de biomasa de microalgas y creación de biofilm sobre diferentes materiales. No se ha detectado una reducción significativa de los niveles de nitrato. Se han hecho extractos de DNA de los cultivos madre. Utilizando el método de PCR cuantitativa en tiempo real (qPCR) se han podido cuantificar las poblaciones bacterianas, fúngicas y bacterianas desnitrificantes existentes. Se han secuenciado librerías masivas utilizando la plataforma MiSeq Illumina para clasificar taxonómicamente las poblaciones de microorganismos más prevalente. En cuanto a la población de microalgas presente en los cultivos madre, destacan los géneros Chlorella y Scenedesmus. El filo Proteobacteria domina ampliamente en la población bacteriana. Una vez generado el inóculo, se ha detectado un cambio poblacional donde el género de microalgas Kalenjinia pasa a predominar en un 65% y el filo bacteriano Bacteroidetes en un 70%. Se ha podido iniciar el escalado del inóculo de microalgas pero no se ha podido llegar a inocular en el fotobiorreactor a escala piloto debido a la situación excepcional provocada por la pandemia de la COVID-19.

En l'actualitat, més de 20 milions de persones només tenen accés a fonts d'aigua individuals, sent l'aigua subterrània una de les principals fonts escollides pel subministrament a petita escala. Un tant per cent elevat d'aquesta està contaminat amb nivells de nitrats superiors al límit establert de 50 mg NO3/L (91/676/EEC) a causa de l'ús intensiu d'adob des del sector agrícola i la mala gestió dels residus orgànics procedents de les activitat ramaderes. Els objectius del present treball són la caracterització i quantificació de les poblacions microbianes presents en cultius mares procedents de dos bioreactors experimentals del grup de recerca IDAEA. Aquests cultius s'utilitzaran per generar un inòcul de microalgues amb el que es pretén inocular un fotobioreactor a escala pilot dissenyat per reduir els nivells de NO3 d'aigües subterrànies contaminades. Amb els cultius mare s'han dut a terme un seguit d'assajos amb l'objectiu de trobar l'inòcul adient capaç de treballar eficientment enfront altes concentracions de nitrats. S'han observat resultats positius pel que fa a producció de biomassa de microalgues i creació de biofilm sobre diferents materials. No s'ha detectat una reducció dels nivells de nitrats significativa. S'han fet extractes de DNA dels cultius mare. Utilitzant el mètode de PCR quantitativa en temps real (qPCR) s'ha pogut quantificar la població bacteriana, fúngica i bacteriana desnitrificant existents. S'ha seqüenciat llibreries massives utilitzant la plataforma MiSeq Illumina per tal de classificar taxonòmicament les poblacions de microorganismes més prevalent. Pel que fa a la població de microalgues present en els cultius mare, destaquen els gèneres Chlorella i Scenedesmus. El fílum Proteobacteria domina àmpliament en la població bacteriana. Un cop generat l'inòcul, s'ha detectat un canvi poblacional on el gènere de microalgues Kalenjinia passa a predominar en un 65% i el fílum bacterià Bacteroidetes en un 70%. S'ha pogut iniciar l'escalat de l'inòcul de microalgues, però no s'ha pogut arribar a inocular en el fotobioreactor a escala pilot a causa de la situació excepcional provocada per la pandèmia de la COVID-19.