El amonio es el compuesto nitrogenado más abundante en la mayoría de las aguas residuales. Su descarga en ecosistemas acuáticos provoca la eutrofización y acidificación de estos ambientes naturales, así como pérdida de biodiversidad a causa de la muerte de especies acuáticas sensibles a este contaminante. Hasta finales del siglo pasado, las principales tecnologías para eliminar el amonio de las aguas residuales consistían en combinar sistemas biológicos aerobios y anóxicos en los que se llevaban a cabo los procesos de nitrificación y desnitrificación, obteniéndose nitrógeno molecular (N2), como producto principal. A pesar de ser altamente efectivos, estos procesos demandan una gran cantidad de energía y de recursos durante su operación. En el umbral del nuevo milenio y como alternativa tecnológica, surgió el proceso de oxidación anaerobia de amonio (Anammox, por sus siglas en inglés), el cual consiste en oxidar el amonio, en condiciones anóxicas, utilizando nitrito como aceptor final de electrones. A partir de su descubrimiento y durante las siguientes 2 décadas, se ha consolidado como una tecnología viable para eliminar nitrógeno amoniacal de aguas residuales, debido al menor consumo energético y de insumos durante su operación. Recientemente, estudios adicionales han indicado que el proceso Anammox puede ser sustentado con aceptores de electrones alternos, como sulfato y hierro férrico. Además, se ha descubierto que hay microorganismos que son capaces de oxidar amonio en condiciones anóxicas acoplado a la transferencia extracelular de electrones hacia compuestos que contengan grupos oxigenados con capacidad de aceptarlos, como las quinonas, las cuales son muy abundantes en materiales a base de carbono, como las sustancias húmicas y el óxido de grafeno. Esta capacidad de acoplar la Anammox a la reducción de compuestos a base de carbono podría sentar las bases para desarrollar una tecnología en la que se logre oxidar el amonio en una celda electro-microbiana, en la que el ánodo sirva como aceptor final de electrones; de tal manera que la oxidación anaerobia de amonio sea acoplada a la generación de electricidad en este tipo de sistemas. Durante la primera etapa de este proyecto, el objetivo general se centrará en evaluar la capacidad de diferentes consorcios microbianos, obtenidos de sedimentos de ecosistemas naturales y de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales, para oxidar el amonio con distintos aceptores finales de electrones. Esto sentará las bases para elegir el inóculo apropiado y diseñar un nuevo sistema electro-microbiano en el que se pretende generar electricidad a partir de la oxidación del amonio. El diseño, puesta en marcha y evaluación de esta celda electro-microbiana será llevado a cabo en la segunda etapa del proyecto. Si bien es cierto que existe algunos estudios en los que se ha probado el proceso Anammox en celdas electro-microbianas, éstos han sido desarrollados bajo las condiciones convencionales del proceso Anammox, en el que suministra nitrito como aceptor de electrones al sistema. El reto que se plantea en este proyecto es que el ánodo de la celda electro-microbiana actúe como único aceptor de electrones con el fin de potenciar la generación de electricidad en el sistema. Se espera que este nuevo concepto de tratamiento sea aplicable para tratar aguas residuales industriales con altas concentraciones de amonio, como efluentes del sector agropecuario y procesadoras de alimentos, así como sobrenadantes de digestores de lodos y lixiviados de rellenos sanitarios. Adicionalmente, para consorcios anaerobios que muestren capacidad de oxidar el amonio con sulfato como aceptor de electrones, se proyecta arrancar un biorreactor en el que se establezca este proceso con el fin de explorar su aplicación para el tratamiento de efluentes industriales con altas concentraciones de amonio y sulfato, como los derivados de actividades acuícolas, lo cual no ha sido reportado tampoco hasta la fecha. Nuestro grupo de investigación es uno de los pocos que estudian el proceso Anammox en México y ha hecho aportaciones importantes que ha sido publicadas en revistas de reconocido prestigio. Se espera que se publiquen al menos 2 artículos indizados (uno por cada etapa al menos) y un artículo de divulgación, derivado de este proyecto. Además, se espera la graduación de un estudiante de licenciatura y uno de maestría, así como el arranque de una tesis de doctorado.
Este proyecto permitirá identificar consorcios microbianos, derivados de sedimentos de ecosistemas acuáticos y de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales, que sean capaces de oxidar el amonio con diferentes aceptores de electrones. Esta contribución es relevante, ya que permitirá identificar fuentes de inóculos de biorreactores para futuras aplicaciones de los sistemas de tratamiento de aguas residuales que se desarrollarán. Conjuntamente, para profundizar y aportar conocimiento científico nuevo, estos consorcios serán caracterizados filogenéticamente con el fin de elucidar los microrganismos involucrados en los procesos estudiados. Otra aportación del proyecto es cuantificar la producción de N2 a partir de los procesos de oxidación anaerobia de amonio ligada a la reducción de sustancias húmicas y hierro férrico, los cuales son dos aceptores de electrones importantes en diferentes ecosistemas naturales. Esta información contribuirá a elucidar los flujos de nitrógeno que ocurren en cuerpos de agua naturales, por medio de estos procesos, los cuales han sido escasamente estudiados (Rios-Del Toro y Cervantes 2019).
Además, se diseñará un sistema bioelectroquímico, el cual estará provisto de electrodos modificados estratégicamente para potenciar la producción de electricidad, mediante el proceso de oxidación anaerobia de amonio. Como se explica en los antecedentes, existen pocos estudios en la literatura en los que se reporta el proceso Anammox en sistemas bioelectroquímicos, pero la gran mayoría de ellos han sido operados bajo las condiciones tradicionales del proceso Anammox, en el que se alimenta nitrito como aceptor de electrones para oxidar el amonio. El enfoque de la presente propuesta es prescindir del nitrito en el sistema bioelectroquímico, de tal manera que el ánodo actúe como único aceptor de electrones para estimular la oxidación del amonio acoplado a la producción de electricidad. Se espera que el conocimiento que se genere sea de frontera y publicable en revistas de reconocido prestigio, además de que constituya la base para la generación de una nueva tecnología que sea aplicable para eliminar nitrógeno amoniacal de aguas residuales industriales.
Adicionalmente, se espera establecer el proceso de oxidación anaerobia de amonio acoplado a la reducción de sulfato (Sulfammox). Particularmente, se pretende desarrollar este proceso a partir de sedimentos marinos, ya que su aplicación se proyecta para aguas residuales que contengan alta salinidad y elevadas concentraciones de amonio y sulfato, como los efluentes del sector acuícola. Ésta será también una contribución importante del proyecto, ya que el proceso Sulfammox no ha sido aplicado a efluentes con estas características.
En cuanto a la formación de recursos humanos, este proyecto contribuirá con la formación de un estudiante de licenciatura, una de maestría y otro de doctorado. Los estudiantes de licenciatura y maestría concluirán sus trabajos y obtendrán su grado dentro del tiempo contemplado en el proyecto, mientras que el alumno de doctorado comenzará sus actividades dentro del proyecto, pero obtendrá el grado después de haber concluido el mismo. Dentro de los productos esperados, también se contempla publicar al menos un artículo científico indizado, por cada año o etapa, y un artículo de divulgación al final del proyecto.