Este documento describe un estudio de las comunidades biológicas en tres plantas de tratamiento de aguas residuales con sistemas avanzados para la eliminación de nitrógeno. Los resultados mostraron que los flagelados, especialmente los bodonidos, y las pequeñas amebas estaban asociadas con una alta eficiencia en la eliminación de nitrógeno. Los ciliados mostraron una baja abundancia cuando la nitrificación era efectiva. El análisis multivariante identificó dos grupos: uno con alta eficiencia en nit

1. © VI Jornadas de Transferencia de Tecnología sobre Microbiología del Fango Activo (2009), Sevilla. Spain.
Asociación Científica Grupo Bioindicación de Sevilla
Parámetros biológicos relacionados con la eliminación de nitrógeno en
fangos activos. Análisis multivariante en el desarrollo de un índice
biológico en estos sistemas.
B. PÉREZ-UZ*1, L. ARREGUI*1, P. CALVO*, H. SALVADÓ**, N. FERNÁNDEZ°, E. RODRIGUEZ°, A. ZORNOZA°°, AND
S. SERRANO*
1 figuran ambas como primer autor. Presenta B. Pérez-Uz
* Dept. Microbiología III. Facultad CC. Biologicas. Universidad Complutense de Madrid.
** Dept. Biologia Animal, Facultat Biologia. Universitat de Barcelona.
° Grupo de Bioindicación de Sevilla (GBS).
°° Grupo aguas de Valencia. EDAR Quart-Benager, EPSAR. Valencia.
1. INTRODUCCIÓN mediante una colaboración Universidad–Empresa. Los
resultados se han analizado buscando posibles
La evaluación de la eficiencia y el estado en los sistemas correlaciones o asociaciones entre las distintas variables
biológicos de tratamiento de aguas residuales, utilizando (biológicas, biológicas/físico-químicas), con el fin de
protistas como indicadores, ha sido un instrumento encontrar posibles bioindicadores en estos sistemas
explorado por muchos autores (Curds & Cockburn, 1970b; biológicos.
Kinner et al., 1989; Madoni, 1991; Madoni, 1994a; Luna-
Pabello et al., 1990; Esteban et al. 1990; Al-Shahwani &
Horan, 1991; Salvadó et al., 1995; Martín-Cerceda et al., 2. MATERIALES Y MÉTODOS
2002; Lee et al., 2004). Las condiciones ambientales en los
reactores biológicos determinan las especies capaces de 2.1. Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales
sobrevivir en ellos. Por esta razón, los protistas y
secundariamente las bacterias filamentosas dominantes, Se realizaron muestreos periódicos en tres EDAR de
son buenos bioindicadores tanto de la calidad del efluente fangos activos (Sevilla, Valencia y Barcelona) con distintos
como del estado biológico de los tanques de aireación sistemas avanzados para la eliminación de nutrientes.
(Poole, 1984; Luna-Pabello et al., 1996; Chen et al., 2004; Estas depuradoras están diseñadas para el desarrollo de
Zhou et al. 2006). poblaciones bacterianas implicadas en procesos de
Se ha asumido que las poblaciones microbianas en nitrificación/desnitrificación, alternando zonas óxicas y
diferentes sistemas biológicos de tratamiento deberían de anóxicas, aunque una de las plantas presentaba también
ser similares; sin embargo, el hecho es que éstas varían en zona anaerobia para la eliminación de otros nutrientes. Las
función del tipo de tratamiento biológico a evaluar. Las diferencias en la configuración del sistema biológico
comunidades microbianas en sistemas convencionales de permitieron obtener muestras con eficiencias variables
fangos activos (Curds & Cockburn, 1970a; Esteban et al., (Tabla 1) en la eliminación de nitrógeno.
1991; Madoni 1994b; Martín-Cereceda et al., 1996) son
distintas de aquellas descritas en biopelículas (Kinner et al., Tabla 1. Eficiencias medias en DBO 5 , DQO y eliminación de
1988; Pérez-Uz et al., 1998; Martín-Cerceda et al., 2001) o N en los reactores biológicos de las EDAR. Diseños de los
en sistemas avanzados para la eliminación de nutrientes tanques de aireación
(Pérez-Uz et al., 2007; Serrano et al., 2008; resultados no EDAR Barcelona Sevilla Valencia
publicados). Los estudios previos de plantas DBO 5 (mg/L) 79-99 % 80-98 % 93-97 %
convencionales no son, por tanto, extrapolables a otros DQO (mg/L) 85-100 % 89-98 % 91-94 %
tipos de tratamientos. N-total (mg/L) 90 % 70 % 50 %
Las estaciones depuradoras de aguas residuales DISEÑO A2O Carrusel AO
(EDAR) con sistemas avanzados para la eliminación de
nutrientes son, en la actualidad, la alternativa utilizada en la 2.2. Muestras de fangos activos de las EDAR
implementación de la directiva Marco del Agua (EU Water
Framework Directive / 2000/60/EC) para evitar un mayor Los muestreos se llevaron a cabo una vez al mes durante
deterioro de los ecosistemas acuáticos. un año (desde Mayo 2007 hasta Julio 2008). Las muestras
En este trabajo se exponen los resultados del estudio se tomaron a la salida de la zona aeróbica del reactor
de las comunidades biológicas en este tipo de tratamientos biológico, sumergiendo un frasco de plástico unos 30 cm y
avanzados para la eliminación de compuestos nitrogenados recogiendo un volumen de muestra que ocupara
en tres plantas de fangos activos, con diferentes diseños,

2. 2 Parámetros biológicos relacionados con la eliminación de nitrógeno en fangos activos
aproximadamente la mitad del volumen total del
contenedor. 3. RESULTADOS
2.3. Enumeración y caracterización microscópica Los datos obtenidos mostraron que la comunidad de
de Protistas protistas asociada a la zona óxica del reactor biológico,
donde se produce el proceso de nitrificación, tiene una
Las muestras se mantuvieron en agitación y se procesaron composición diferente a la de una planta de fangos activos
durante las tres horas siguientes al muestreo. Los convencional.
recuentos se realizaron tomando dos replicas de 25 µl, a
100 aumentos en el microscopio de contraste de fases. La 3.1. Flagelados
identificación se llevó a cabo realizando observaciones “in
situ” (fotografías y vídeos), así como tinciones argénticas o Estos tratamientos avanzados mostraron que los flagelados
con Flutax. representan una población estable en el reactor biológico
(87% del total de la población), y que su densidad decrecía
2.4. Análisis físico-quimicos drásticamente cuando la eficiencia en eliminación de
nitrógeno era moderada o baja. Por el contrario, su
Los parámetros físico-químicos (DBO 5 , DQO, N-NH 4 +, N- porcentaje de aparición, en cuanto a número de taxones,
NO 2 -, N-NO 3 - y N-total/N-Kjeldahl) se analizaron siguiendo se incrementó cuando la eficiencia en la eliminación de
los métodos estandar (APHA, 1998) sobre muestras nitrógeno aumentó (p=0.01).
recogidas a la entrada y la salida del tratamiento biológico. Los bodónidos fueron el grupo de flagelados más
representativo (Fig. 1a): estuvieron presentes en más del
2.5. Análisis estadístico 50% de las muestras cuando la eficiencia en la nitrificación
era mayor del 85% (los datos de frecuencia absoluta
Los análisis estadísticos univariantes y multivariantes se confirmaron la presencia significativa de bodónidos en la
llevaron a cabo con los paquetes estadísticos Statgraphic población total de protistas). Los bodónidos, de hecho,
Plus v.5.1 y SPAD v.7.0. Se emplearon las abundancias estuvieron significativamente asociados (p<0.0001) a una
relativas (porcentaje de protistas totales presentes) (Parker eficiencia elevada en la eliminación de nitrógeno (tanto de
& Arnold, 1999). El análisis multivariante sólo se llevó a N-NH 4 + como de N-Total/NKjeldahl) y de DBO 5 , lo cual fue
cabo sobre aquellos recuentos de protistas que mostraron muy frecuente en las muestras de Barcelona y en algunas
una frecuencia de aparición en los muestreos superior al de las muestras de Sevilla. Una reducción en la eficiencia
20%. Se utilizó un análisis de componentes principales de eliminación de nitrógeno también disminuyó
(PCA) para la ordenación de los muestreos considerando significativamente tanto la presencia como la densidad de
únicamente las variables biológicas. Los factores de este la población de flagelados (p=0.0159).
análisis que explicaban entre un 80-90% de porcentaje
acumulativo se seleccionaron para realizar un posterior 3.2. Amebas
análisis cluster jerárquico (protocolo del vecino más
cercano, módulo RECIP en SPAD v.7.0), utilizando Las amebas de vida libre, tanto desnudas como testáceas
entonces las variables físico-químicas como variables (Fig 1b-d), constituyeron un grupo representativo y su
continuas suplementarias. porcentaje de aparición (11%) decreció a medida que la
Los grupos obtenidos se evaluaron con un t-test para eficiencia en la eliminación de nitrógeno disminuía,
definir las variables biológicas y/o físico-químicas que se especialmente la aparición de especies del género Arcella.
asociaban significativamente a estos. Los porcentajes de aparición en las muestras de los dos
El número total de taxones, individuos e índices de tipos de amebas desnudas (mayores y menores de 50 µm)
diversidad de Shannon–Weaver (Shannon and Weaver, fueron similares. Sin embargo, las amebas pequeñas
1963) se calcularon para cada uno de los sitios de fueron las poblaciones más abundantes (ind/ml). Estas
muestreo, y para cada grupo de protistas considerados amebas pequeñas y especialmente aquellas menores de
(flagelados, amebas y ciliados). Las relaciones entre estas 50 µm (Fig 1c), mostraron una asociación significativa
variables se establecieron utilizando análisis de regresión (p<0.01) con una elevada eficiencia en eliminación de
simple nitrógeno (tanto N-NH 4 + como N-Total/N-Kjeldahl) y DBO 5 ,
. como ocurrió con los bodónidos. La aparición y abundancia
de amebas decreció significativamente a medida que la
eficiencia en la eliminación de nitrógeno se redujo
(p=0.0101).

3. PÉREZ-UZ et al. 3
a b c d
e f g h i
Figura 1. (a) pequeños flagelados (b) Arcella sp., (c-d) amebas desnudas(>50, <50 µm), (e) Opercularia articulata, (f) Acineria uncinata, (g) Gastronauta
membranaceus, (h) Epistylis balatónica, (i) Uronema nigricans.
3.3. Ciliados a eliminación de nitrógeno, aunque tampoco en este caso se
l
obtuvo una significación estadística.
Los ciliados fueron el grupo de protistas con la mayor
diversidad de especies (Fig 1e-i), aunque su abundancia 3.4. Análisis de la comunidad
total fue menor en comparación con la de otros
tratamientos biológicos. Se observó que los ciliados Los resultados obtenidos del análisis multivariante
mostraban una baja abundancia (5 %) en las muestras con indicaron dos grupos claramente definidos. Un primer grupo
una buena eficiencia en la nitrificación y la tendencia, en de muestras con elevada eficiencia en la eliminación de
este grupo, fue disminuir a medida que aumentaba la nitrógeno y DBO 5 agrupó todas aquellas muestras
eficiencia en la eliminación de N-NH 4 + (p=0,011). La procedentes de las EDAR de Barcelona y algunas de la
diversidad de este grupo también decrecía cuando se planta de Sevilla, mientras que el segundo agrupó todas las
incrementaba la eficiencia en la eliminación de la DBO 5 muestras de Valencia y otras de Sevilla. Entre aquellas
(p=0.005). muestras con buena eficiencia, las principales asociaciones
El grupo más representativo, en términos de porcentaje estadísticamente significativas fueron aquellas de los
de aparición y abundancia, fueron los peritricos, pero bodónidos y las amebas pequeñas (<20 µm) con la
únicamente las especies Pseudovorticella elongata y existencia de nitrificación. Como ya se ha mencionado,
Opercularia articulata aparecieron asociadas a elevadas aunque los resultados PCA mostraron también que los
eficiencias en eliminación de nitrógeno, aunque estas ciliados como Pseudovorticella elongata y Opercularia
relaciones no fueron estadísticamente significativas. articulata parecían estar asociados a eficiencias elevadas
La comunidad de ciliados reptantes estuvo compuesta en la eliminación de N, estos resultados no fueron
por pocas especies de listostomados y cirtofóridos estadísticamente significativos. Sin embargo, los resultados
(pertenecientes a los filofaríngeos), especialmente Acineria aquí indicaron que Uronema nigricans, Gastronauta
sp. y Trochilia minuta, aunque éstas no mostraron membranaceus, y los peritricos Vorticella aquadulcis y
relaciones significativas con la eliminación de nitrógeno. Se Epistylis balatonica, estaban asociados a elevados valores
observó, sin embargo, que las muestras con una deficiente de eliminación de DQO, que se producían
eliminación de nitrógeno (<50%) presentaban un bajo característicamente cuando había bajas eficiencias en la
número de especies y los oligohymenóforos, principalmente nitrificación.
escuticociliados (Fig 1i), alcanzaron porcentajes de El segundo grupo confirmó los resultados obtenidos en
aparición no observados en situaciones de alta eficiencia. el primero, ya que aquellas poblaciones de ciliados,
En esta situación los cirtoforidos filofaringeos fueron flagelados o amebas asociadas al segundo factor con DQO
sustituidos por los clásicos hipotricos reptantes (Aspidisca fueron más abundantes en las muestras con los peores
sp. y Euplotes sp.). resultados en eficiencia de nitrificación (donde bodónidos y
El ciliado prostomátido libre nadador, Plagiocampa pequeñas amebas (<20 µm) estuvieron prácticamente
rouxi, también parecía mostrar una asociación con elevada ausentes).

4. 4 Parámetros biológicos relacionados con la eliminación de nitrógeno en fangos activos
este caso indican que algunos ciliados podrían utilizarse
4. DISCUSIÓN como indicadores de baja eficiencia en el sistema.
Estos resultados son obviamente una característica
Los resultados obtenidos en sistemas diseñados que también podría utilizarse como parte del diseño de
para la eliminación de N muestran que las comunidades un índice biológico. Con respecto a su relación con
de protistas son diferentes de aquellas que se pueden bacterias nitrificantes, algunos estudios han encontrado
encontrar en otros sistemas convencionales con fangos que los ciliados no parecen tener una influencia ni en la
activos (Curds & Cockburn, 1970a; Esteban et al., 1991; abundancia ni en el crecimiento de las bacterias
Madoni, 1994a; Serrano et al., 2008). nitrificantes ni, por lo tanto, en la nitrificación (Neubacher
En primer lugar, estas observaciones indican que los et al., 2008); y nuestros resultados iniciales parecen
principales componentes de las poblaciones de protistas corroborar estas observaciones.
en tratamientos avanzados no son únicamente ciliados, Por otro lado, se ha observado también que algunos
dado que las amebas y los flagelados son también de los ciliados libre nadadores, que fueron considerados
representativos de las poblaciones estables. Este anteriormente como indicadores de un mal
resultado difiere claramente de lo observado en sistemas funcionamiento en EDAR (como ocurría con los
convencionales (Curds & Cockburn, 1970a; Esteban et flagelados y las amebas) según este estudio podrían
al.,1991; Madoni 1994b; Martín-Cereceda et al., 1996). estar asociados a una buena eficiencia en la nitrificación.
Los flagelados y las amebas en sistemas convencionales Este fue el caso del depredador Plagiocampa rouxi,
de fangos activos se han citado como inusuales, excepto ciliado prostómido que depreda sobre partículas grandes.
en aquellas plantas con elevada sobrecarga o durante los Es interesante indicar que otros prostómidos como
estadios iniciales de la planta. Estos protistas han sido, especies del género Coleps se han considerado como
por lo tanto, asociados normalmente a sistemas con buenos indicadores de eliminación de nitrógeno (Poole,
deficiencias en el funcionamiento del sistema (Curds & 1984; Madoni et al., 1993).
Hawkes, 1975). Sin embargo, las amebas y flagelados en
sistemas avanzados para eliminación de nutrientes
parecen jugar un papel diferente, convirtiéndose en 5. CONCLUSIONES
miembros representativos de las poblaciones estables, y
están claramente asociadas a una buena eficiencia en la Los bodónidos y amebas pequeñas (<20 µm) son
eliminación de nitrógeno. Por lo tanto, son candidatos importantes miembros de las poblaciones biológicas en
apropiados a tener en cuenta en el desarrollo de un los sistemas avanzados para la eliminación de nitrógeno,
índice de eficiencia en estos sistemas. Los flagelados, indican buenas tasas de nitrificación en estos sistemas.
específicamente bodónidos y pequeñas amebas (<20 Aunque algunos ciliados también parecen estar
µm) son depredadores de bacterias y pueden mantener relacionados con eficiente eliminación de nitrógeno, no
otras poblaciones bacterianas en niveles bajos, hemos obtenido hasta ahora resultados significativos, por
permitiendo una mejor eficiencia en la actividad de lo que un muestreo más exhaustivo permitirá alcanzar
bacterias nitrificantes en el flóculo (Mitchel et al., 1988). una mejor comprensión de estas relaciones y en
Este hecho se ha observado también en otros consecuencia la propuesta de índices biológicos más
ecosistemas (Verhagen et al.,1994), y parece que la fiables.
bacterivoría puede incrementar la mineralización de
nitrógeno que queda así inmovilizado. Aunque las AGRADECIMIENTOS
bacterias nitrificantes pueden también disminuir en
presencia de flagelados a través de la depredación Los autores agradecen la ayuda financiera proporcionada
selectiva (Pernthaler et al., 1996, Verhagen, 1992, por la UCM a través de los proyectos PR1A/07-15396 y
Mitchel et al., 1988), nuestros resultados indican PR1/08-15930-A y al Ministerio de Ciencia e Innovación
indirectamente que su actividad se ve incrementada. por el proyecto PR: 10.0811-16182. Gracias
Las poblaciones de ciliados, en estos tratamientos especialmente a Santiago Cano, del Grupo de Apoyo a la
avanzados, fueron los componentes principales de las Investigación (UCM), por su inestimable ayuda y
comunidades de protistas, aunque con abundancias y discusión con el trabajo estadístico.
diversidad más bajas que en otros sistemas biológicos de
tratamiento de aguas residuales (Curds & Cockburn, REFERENCIAS
1970a; Esteban et al., 1991; Madoni 1994b; Martín-
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comparada con otras poblaciones de protistas, fue X., Gan, Y., Liu, W., Zhai, J. and Shao, Y. (2004) The
sorprendente inicialmente y los resultados obtenidos en activated-sludge fauna and performance of five sewage

5. PÉREZ-UZ et al. 5
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