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El Índice de Estrés de la Biomasa (BSI): un nuevo índice de proceso en aguas residuales

27/08/2021

El Índice de Estrés de la Biomasa (BSI): un nuevo índice de proceso en aguas residuales

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Autor: MicroPlanet®

Blog: www.bioindicacion.com

 

Antecedentes

 
El Índice de Estrés de la Biomasa (BSI), un nuevo índice de proceso en AR, es un porcentaje que indica el estado de salud de la flora o biomasa bacteriana en aguas residuales.
 
En MicroPlanet Biondicación queremos dedicar este post a conocer con mayor profundidad cómo utilizar este índice para reforzar un sistema de alerta temprana en una EDAR y en Aguas Residuales en general.
 


El BSI en los protocolos de control microbiológico

 
El Índice de Estrés de Biomasa (BSI, en inglés Biomass Stress Index) es un parámetro único de los protocolos de análisis de LuminUltra para la monitorización de aguas residuales (QG21-W) o bien de procesos industriales (QGO-I).
 
Gracias a la exactitud y precisión de estos kits de cuantificación de ATP, podemos medir los valores de tATP (valor de ATP total) y dATP (valor de ATP disuelto o libre), proporcionando no solo una medida precisa de la cantidad de biomasa viva (cATP, valor de ATP intracelular), sino también un valor relativo de la salud de la población.
 
El BSI se calcula a partir de la relación entre tATP (ATP total) y dATP (ATP disuelto). A mayor contenido de ATP disuelto en la muestra en relación con el ATP total, mayor será el BSI. El ATP total se refiere a la cantidad de biomasa viva y muerta presente en la muestra, mientras que el ATP disuelto se refiere solo a la biomasa muerta.
 
Para tener un cálculo de la biomasa viva, se calcula la diferencia entre ATP total y ATP disuelto. En consecuencia, disponemos de una relación directa entre la cantidad de biomasa muerta y los altos índices de estrés.
 
Los valores altos de BSI están relacionados con situaciones estresantes. Por ejemplo, la adición de un biocida como el cloro supondrá un impacto en la biomasa y hará que el BSI aumente (aumento del dATP). Otras situaciones estresantes como la falta de oxígeno, la toxicidad o las deficiencias de nutrientes, también producirán altos valores de BSI por muerte celular.
 
En general, podemos decir que el BSI es un “indicador de alerta” en procesos de aguas industriales o aguas residuales, donde un cambio en el BSI indica un cambio en la calidad de la biomasa, en un sentido o en otro.
 
 

 

Cómo interpretar el estrés microbiológico

 
Cuantificar el índice de estrés de la biomasa ofrece la oportunidad de medir y rastrear la salud de la población de biomasa activa en reactores de tratamiento de residuos, afluentes, efluentes y digestores.
 
Como hemos señalado más arriba, el BSI es un parámetro que se calcula a partir de la relación entre el ATP extracelular (que se ha liberado de una célula muerta o moribunda) y el ATP total en una muestra.
 
Esta medición puede servir como un complemento inestimable para las herramientas de monitorización basadas en la salud existente, como la Tasa de Absorción de Oxígeno (OUR, Oxygen Update Rate).
 
En general, si un sistema de tratamiento de aguas se desequilibra, el BSI cambiará a medida que la población de biomasa cambie y se adapte. Algunas células mueren porque el medio ambiente ya no les es favorable, mientras que otras crecen y las reemplazan en ese nuevo entorno ahora más favorable para ellas. En cualquier proceso, existe un nivel óptimo de estrés que debe intentarse mantener cada día. Los cambios u oscilaciones graves son un signo de inestabilidad.
 
Además, el BSI absoluto es una indicación de la estabilidad o “comodidad” de la biomasa. Un sistema de lodos activos puede tener una cantidad baja de estrés pero concentraciones de oxígeno disuelto extremadamente bajas.
 
Un BSI bajo es posible porque la población se ha adaptado a la situación, aunque la población que está presente no sea del tipo óptimo. En este caso, los microorganismos anaerobios facultativos se ven favorecidos por poco oxígeno disuelto, aunque el proceso está diseñado para favorecer los microorganismos aeróbicos. Por la forma en que se lleva a cabo el proceso, sin embargo, se ha establecido una población completamente diferente.
 


Caracterización del estrés

 
La pregunta más frecuente al respecto es cómo interpretar los cambios en los niveles de estrés. Bajo la categoría amplia de estrés, se pueden dar las siguientes situaciones:
 
Estrés fatal
 
Se trata de situaciones en las que se introduce una sustancia significativamente tóxica en la biomasa y provoca una respuesta. Los ejemplos incluyen cambios severos de pH o grandes cantidades de productos químicos tóxicos a los que la biomasa no está adaptada.
 
La acción de estas sustancias es generalmente una de las causas del daño celular que conduce a la transformación del ATP intracelular (cATP) en ATP extracelular o “disuelto” (dATP). Es decir, el cATP cae y el dATP sube. Por lo tanto se produce un efecto negativo en la salud de la biomasa activa.
 
En una situación perfecta, el ATP total (tATP) permanecería sin cambios mientras se produce esta transición. El factor de complicación es que la toxicidad que provoca estrés en las células también puede atacar sus componentes internos, incluido el ATP. El resultado final es que tan pronto como el cATP se convierte en dATP, es atacado o utilizado, y se descompone en difosfato de adenosina (ADP) o monofosfato (AMP).
 
Resultados netos:
 
  1. Reducción drástica de tATP
  2. Cambios insignificantes o inexistentes en el dATP
  3. Reducción drástica de cATP
  4. Aumento espectacular de BSI
 

Estrés severo sin descomposición del dATP

 
Este mecanismo es similar al estrés fatal, excepto que la misma destrucción del dATP no ocurre tan pronto como se produce. Por lo tanto, el tATP permanece esencialmente igual mientras que el cATP se convierte en dATP.
 
Esta situación puede ocurrir cuando hay suficiente toxina presente para atacar las células pero no el dATP, o cuando el dATP logra protección contra sustancias externas.
 
Resultados netos:
 
  1. Sin cambios en el tATP
  2. Aumento espectacular del dATP
  3. Reducción drástica del cATP
  4. Aumento espectacular del BSI

Desde el punto de vista del control / interpretación / acción del proceso, hay poca diferencia entre los mecanismos de estrés discutidos anteriormente. Un aumento de BSI siempre es indeseable.
 
 
 


Estrés severo con descomposición de dATP

 
En este caso, la toxicidad reduce el contenido de cATP sin un aumento aparente de dATP. Esto puede suceder de dos maneras: o el dATP se destruye tan pronto como se forma, o la célula se bloquea (“fija”) y el cATP se descompone internamente debido a la acción metabólica. Esta acción de “bloqueo”o “cristalización” es similar a la acción de ciertos biocidas como el gluteraldehído.
 
Resultados netos:
 
  1. Reducción del tATP
  2. Sin cambios o tal vez una caída en el dATP
  3. Reducción drástica del cATP
  4. Aumento de BSI (Reducción de tATP> Reducción de dATP) o ningún cambio en BSI (Reducción de tATP = Reducción de dATP)
 

Estrés metabólico

 
También conocido como “inhibición”, el estrés metabólico se produce cuando se introducen alimentos no degradables en la biomasa. Generalmente, este tipo de estrés es más difícil de detectar ya que la biomasa tiene una gran cantidad de cATP acumulada que tarda un tiempo en metabolizar. En general, la interpretación se realiza de forma similar a “Estrés severo con descomposición dATP”.
 
Resultados netos:
 
  1. Reducción moderadamente rápida del tATP
  2. Sin cambios o tal vez una caída en el dATP
  3. Reducción moderadamente rápida del cATP
  4. Aumento de BSI (Reducción de tATP> Reducción de dATP) o ningún cambio en BSI (Reducción de tATP = Reducción de dATP)



Estrés crónico

 
En esta categoría se incluyen los casos en que la población de biomasa está “enferma”. Los ejemplos incluyen una acumulación lenta de toxinas leves como metales pesados en el flóculo, o deficiencias prolongadas de nutrientes.
 
La toxicidad crónica puede debilitar la biomasa y la vuelven más propensa a sucumbir a cualquier tipo de toxicidad. El resultado neto es un cATP subóptimo y un BSI alto.
 
A menudo, esto es lo que sucede en los procesos de tratamiento de aguas residuales de la industria de procesos químicos y del petróleo, debido a que el producto de desecho es más difícil de descomponer para la biomasa. Esto suele ir acompañado de SRT (lodos viejos) extremadamente grandes que se vuelven inactivos.
 
Resultados netos:
 
  1. tATP subóptimo
  2. dATP elevado
  3. cATP subóptimo
  4. BSI elevado
 
 

 

Claves para la detección eficaz del estrés
 

  • Muestreo y pruebas frecuentes: Cuanto más frecuentemente se realicen las pruebas de ATP en un sistema biológico, más fácil será interpretar las tendencias. Y  la posibilidad de que un evento tóxico pase desapercibido será menor. Si las pruebas no se realizan con regularidad, puede resultar muy difícil diagnosticar la causa raíz de los problemas de toxicidad.
     
  • Utilizar los datos de cATP además de los datos de BSI para evaluar la salud general: Dado que las toxinas a menudo tienen efecto rápidamente, se puede pasar por alto un pico de BSI si la muestra se extrae mucho después de que haya ocurrido el trastorno. Pero los resultados de cATP indicarán el impacto de la toxicidad al comparar el resultado con niveles anteriores.
     
  • Hacer coincidir los cambios en la salud de la biomasa o el tamaño de la población con los cambios del proceso: La monitorización del ATP proporciona la capacidad inestimable de indicar inmediatamente los efectos de los cambios en el proceso, estableciendo así relaciones de causa y efecto con otras variables del proceso (por ejemplo, pH, temperatura) y con los parámetros de calidad del efluente (por ejemplo, DBO, TSS, nutrientes residuales).
     
  • Monitorizar las corrientes problemáticas con más frecuencia: Si una o más corrientes que contribuyen al influente total de la planta son más tóxicas que otras, considere testarlas con más frecuencia para aumentar las posibilidades de que se identifique un episodio tóxico de manera oportuna.
     
  • Considerar los efectos aguas arriba: Además de comparar los parámetros de ATP con los cambios en las variables del proceso en el mismo lugar de prueba, los cambios aguas arriba son a menudo la causa de problemas aguas abajo. Como tal, el desfase temporal de los datos del proceso suele ser útil para hacer coincidir las causas anteriores con los efectos posteriores. Los procesos hidráulicos y los tiempos de retención de lodos pueden ayudar a determinar la cantidad adecuada de horas o días que deben usarse al cambiar los datos.
 
El tema común al interpretar los efectos de la toxicidad y las condiciones de operación subóptimas en el tratamiento de aguas residuales es que tanto el cATP como el BSI brindan información separada pero significativa. Por lo tanto, es importante examinar cada una de estas cantidades tanto en la mesa de laboratorio como en la monitorización de los procesos rutinarios.
 


Kit de análisis rápido QG21-W™: aplicando la ATPmetría de 2a generación

 
La tecnología cuantitativa ATP 2G® se utiliza como una herramienta de control microbiológico en tratamientos de depuración en forma del kit de análisis rápido QG21-W™  (Quench Gone 21 Wastewater) para su uso exclusivo en aguas residuales.
 
El análisis de una muestra de su planta le permitirá la valoración microbiológica total de la cantidad de células metabólicamente activas (biomasa o flora total), incluyendo células no cultivables, sin ser influenciada por la presencia de productos inhibidores.
 
El kit QG21-W™, basado en la tecnología ATP2G®, permite realizar una analítica de forma rápida (menos de 5 minutos), es muy fácil de realizar (no se necesita personal especializado) y totalmente fiable (basado en patrón de ATP incluido). Diseñado para su uso en cualquier planta de tratamiento.
 
 
 

Se suministra con todo el material analítico necesario para la realización del análisis, incluyendo patrón de ATP Ultracheck™, tubos de lisis, tubos de reacción, puntas de pipeta, etc.
 
El análisis le proporcionará tres índices válidos para un mayor control de proceso:
 
  • cATP: concentración de biomasa activa
  • BSI™: índice de estrés de la biomasa
  • ABR™: índice de biomasa activa en sólidos suspendidos

Estos valores le permitirán, además de monitorizar el proceso de tratamiento desde un punto de vista microbiológico, realizar una auditoría de situación de una planta o realizar estudios de toxicidad en cualquier tipo de reactor biológico, anóxico o anaeróbico.
 


El Índice de Estrés de la Biomasa (BSI): un nuevo índice de proceso en AR

 
Para realizar la medición se requiere un equipo lector o luminómetro como nuestro PhotonMaster™, un dispositivo de medición de luz sensible, robusto y portátil para poder obtener los mejores resultados “in situ”.
 
Para la interpretación de los datos, en algunos casos deberá realizar algunos sencillos cálculos (indicadores de biomasa, toxicidad,..). Igualmente LuminUltra nos ofrece el software de análisis LuminUltra Cloud ™ que además de ser una herramienta analítica útil, le ayudará en la interpretación de sus datos y disponer de alertas en su móvil.
 
Mediante la combinación de estos productos, dispondrá de la cuantificación del ATP de todos los microorganismos contenidos en su muestra en tan sólo unos minutos. Esta información le permitirá actuar de forma inmediata, tomando las acciones preventivas o correctivas necesarias y ahorrándole tiempo y dinero en su trabajo.
 
Esperamos que le haya resultado útil este post sobre el Índice de Estrés de la Biomasa (BSI), un nuevo índice de proceso en AR a tener en cuenta en su sistema de alerta temprana. Si necesita más información sobre este indicador o sobre los kits de análisis rápido de LuminUltra, contacte con nosotros. Estaremos encantados de asesorarle.
 
 
Nota: el apartado “Cómo interpretar el estrés microbiológico” es la traducción del pdf de LuminUltra,  “Application Note: How to Interpret Microbiological Stress” de febrero 2018
 
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Comentarios Publicar comentario
13/09/2021
Andrés Zornoza escribió:
Hola
Desde mi punto de vista es una excelente propuesta para el control del proceso. Lo hemos utilizado en algunas ocasiones y el BSI parece corresponderse con nuestras observaciones macroscópicas y microscópicas, aunque todavía no hemos encontrado su utilidad en la carga másica, utilizando los SSVALM. Por todo ello, tengo que decir, que todavía no está lo suficiente contrastado a nivel científico en plantas a escala real, no desde el punto de vista de la técnica (que me parece muy buena), sino desde el punto de vista de relacionar todas las variables obtenidas en la medida de ATP, con los parámetros de planta. Sugiero a mis colegas investigadores que lo incorporen en sus estudios.

Andrés Zornoza
30/08/2021
Emilio Serrano escribió:
Perfecta y completa explicación sobre el BSI.
Me parece una medida de gran utilidad que además permite evaluar la relación de la carga vs la biomasa viva (efectiva)
Tal como dice el artículo "un complemento inestimable para las herramientas de monitorización basadas en la salud existente, como la Tasa de Absorción de Oxígeno (OUR, Oxygen Update Rate)"
Respecto a la medida respirómetrica OUR, podemos añadir que se trataría del OUR de la biomasa en fase de respiración endógena: la cual, es directamente proporcional a la concentración de biomasa efectiva.
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