Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Resource recovery from domestic waste sources using purple phototrophic bacteria in photo-biorefineries
Autor
CHACÓN APARICIO, SANDRA
Director
PUYOL SANTOS, DANIEL MELCHOR
Codirector
MOLINA GIL, RAÚL
Fecha de depósito
25-11-2025
Periodo de exposición pública
26 de noviembre a 11 de diciembre de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
Solicitada
Resumen
La presente Tesis Doctoral ha sido realizada en el Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, englobada en la línea de investigación de Biomasa y Bioenergía, siendo financiada por el proyecto Europeo DEEP PURPLE (Bio-based Industries Joint Technology Initiative (BBI-JTI) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 837998) de la Unión Europea. Asimismo, se ha realizado una estancia predoctoral de tres meses en la Universidad Nova de Lisboa dentro del grupo de investigación de Ingeniería Bioquímica.
La creciente escasez de agua dulce está obligando a buscar fuentes alternativas como el agua regenerada, obtenida a partir del tratamiento de aguas residuales. Estas aguas, adecuadamente tratadas, permiten recuperar nutrientes (como nitrógeno y fósforo) y pueden ser reutilizadas en riego agrícola, reduciendo el uso de fertilizantes de origen no biológico. Por tanto, es clave el desarrollo de tecnologías capaces de garantizar la recuperación y reutilización de las aguas residuales para el cumplimiento de los estándares ambientales. De manera general, las estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR) se dividen en tres fases: primarias, secundarias y terciarias. En esta última fase, predominan los tratamientos biológicos aerobios y anaerobios, especialmente el sistema de fangos activados y la digestión anaerobia, respectivamente. En ambos casos, cuentan con la limitación de las elevadas producciones de lodos, el coste energético de los procesos y, específicamente, en la digestión anaerobia, los elevados tiempos de retención. A pesar de estar implementados a nivel industrial y de que se continúa investigando para mejorar su eficiencia energética y medioambiental, se busca impulsar nuevas tecnologías que no cuentan con tan altos requerimientos económicos ni energéticos primordialmente. Dando paso a una búsqueda sobre la integración de los tratamientos de residuos urbanos dentro del marco de la economía circular. Esta necesidad responde a la urgencia de reemplazar el modelo lineal de producción y consumo basado en la extracción, uso y eliminación de recursos.
En este cambio entra en juego el concepto de economía circular que plantea un cambio estructural hacia un sistema en el que los materiales se mantienen dentro del ciclo productivo, minimizando los desechos y reduciendo las emisiones contaminantes. Las biorrefinerías surgen como herramientas clave en este proceso, transformando residuos en productos de valor añadido como energía, materiales o nutrientes, promoviendo la eficiencia energética y la reducción de la dependencia de recursos no renovables. Dentro de este contexto, las EDAR evolucionan hacia plantas de recuperación de recursos, donde se recupera agua limpia, energía y nutrientes, integrando así los principios de sostenibilidad y circularidad. La mejora de la eficiencia energética de las EDAR es uno de los principales retos actuales, ya que estas instalaciones consumen una parte significativa de la energía del ciclo urbano del agua, casi el 44%. Reducir este consumo es esencial para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y avanzar hacia sistemas cada vez más autosuficientes.
Entre las innovaciones más prometedoras en el tratamiento biológico de aguas residuales destacan las bacterias fototróficas púrpuras (PPB, por sus siglas en inglés). Estas bacterias son organismos fotosintéticos facultativos que aprovechan la luz y poseen una notable versatilidad metabólica. Son capaces de asimilar simultáneamente carbono, nitrógeno y fósforo, generando una biomasa rica en compuestos de alto valor añadido. Entre dichos compuestos, sobresale su capacidad para almacenar carbono en forma de polihidroxialcanoatos (PHA) o glucógeno y fósforo como polifosfato, lo que los convierte en potenciales fuentes de fertilizantes. Además de su capacidad para fijar nitrógeno y sintetizar proteínas de alta calidad, las posiciona como una alternativa viable de proteína unicelular (SCP, por sus siglas en inglés) para la alimentación animal o humana.
El metabolismo de las PPB varía según las condiciones ambientales, pudiendo desarrollarse en ambientes fotoheterotróficos, heterotróficos o quimioautotróficos. Esta flexibilidad metabólica de las PPB permite su adaptación a distintos tipos de aguas residuales y objetivos de recuperación. El equilibrio entre carbono y nitrógeno en el medio de cultivo es determinante: relaciones altas favorecen la acumulación de bioplásticos, mientras que proporciones más equilibradas optimizan la eliminación de nutrientes. También influyen factores como los ciclos de luz y oscuridad, la concentración de oxígeno disuelto y la intensidad lumínica. Un control adecuado del potencial redox y de la aireación es crucial para evitar la oxidación de los complejos fotosintéticos. Por otra parte, las estrategias de alimentación y las condiciones de iluminación permiten mejorar la producción de polímeros y pigmentos, lo que ayudaría a reducir los costes energéticos del proceso. Además, a diferencia de otros microorganismos fotosintéticos como las microalgas, las PPB utilizan longitudes de onda en el rango del infrarrojo cercano (entre 800 y 1050 nm), lo que reduce la competencia microbiana, favoreciendo sus posibilidades de implementación en sistemas abiertos.
En este caso, el escalado de sistemas fotobiorreactores basados en PPB constituye uno de los principales retos tecnológicos. La operación en sistemas abiertos, como los canales tipo raceway, es más económica, aunque implica desafíos en el control del oxígeno y la competencia microbiana. Los reactores cerrados, como los de placas planas, permiten un mayor control, pero suponen un mayor coste económico. De cualquier forma, la optimización del diseño y de la transferencia de luz resulta esencial para mantener la productividad y estabilidad de las comunidades bacterianas. Para ello, las herramientas de modelado computacional son una gran aliada para poder optimizar la hidráulica y la distribución de la luz en estos sistemas de manera eficaz en según qué ambientes.
La implementación de fotobiorefinerías de PPB a gran escala que sean capaces de integrar el tratamiento de aguas residuales con la recuperación de productos de valor añadido representa un paso decisivo hacia la sostenibilidad. Proyectos europeos como DEEP PURPLE han avanzado en esta dirección, combinando la gestión de residuos orgánicos municipales, lodos y aguas domésticas mediante sistemas fotobiorreactores que aprovechan la capacidad de las PPB para generar bioplásticos, fertilizantes y otros compuestos útiles. Este enfoque demuestra que es posible concebir plantas de tratamiento no solo como infraestructuras de depuración, sino como biofactorías productivas que cierran el ciclo de los recursos, reducen emisiones y contribuyen al desarrollo de una economía verdaderamente circular. El desafío futuro radica en consolidar su escalabilidad industrial y en integrar de forma holística los aspectos ambientales, económicos y sociales que permitan hacer realidad su potencial como motor de la bioeconomía circular.
En este marco, y con el objetivo de contribuir al avance en la implementación de fotobiorefinerías basadas en PPB, la presente tesis doctoral aborda la necesidad de cambiar el paradigma de la gestión de los residuos urbanos (aguas residuales y fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) pasando del tratamiento y la eliminación a la valorización y la recuperación de nutrientes, bajo los auspicios de la economía circular. Uno de los principales desafíos en el tratamiento de aguas residuales urbanas (ARU) mediante PPB radica en el desequilibrio entre la demanda química de oxígeno (DQO) y los nutrientes presentes en el efluente, generalmente N. Esta desproporción dificulta la eliminación simultánea de carbono, nitrógeno y fósforo sin la adición de una fuente externa de carbono que permita alcanzar la proporción óptima de DQO:N requerida por las PPB. De manera que, en el SUBCAPÍTULO 4.I. de esta tesis doctoral se estudia el potencial de un cultivo mixto de PPB para el co-tratamiento de ARU junto con la fracción líquida obtenida tras la hidrólisis térmica de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FL-FORSU). El sistema de cultivo propuesto se basó en un proceso de una sola etapa, operado bajo condiciones microaerofílicas (OD < 1 mgO2/L) y un potencial redox negativo, con el fin de evitar la competencia con bacterias aerobias. El co-tratamiento de los residuos fue evaluado a escala de laboratorio para determinar el ratio DQO:N:P óptimo entre ambos residuos para poder alcanzar la máxima descarga de vertidos. Se lograron valores estables de descarga en DQO soluble (DQOs) de más del 80%, de nitrógeno (N) del 55% y de fósforo (P) del 60% mediante el enriquecimiento de PPB hasta un 50–60% en reactores de tipo CSTR con un tiempo de retención hidráulico (HRT) de 3 días. Resultados similares, eliminaciones de DQOs del 87%, 57% de N y de P del 55% se obtuvieron en sistemas MBR con HRT y tiempo de retención de sólidos (SRT) de 3 y 4 días, respectivamente. Para garantizar la eliminación de carbono y fósforo por debajo de los límites de vertido, se determinó que la relación DQO:N debe situarse en el rango de 100:4.37–100:6.63. El aumento del SRT en sistemas MBR mejora la calidad del efluente líquido, permitiendo su reutilización.
El control del ORP, el oxígeno disuelto (OD) y la influencia de la luz fueron determinantes para el rendimiento del sistema. Sobre esta base, se plantea el siguiente SUBCAPÍTULO 4.II.A. centrado en la influencia de las condiciones de luz, oxígeno y la fuente de alimentación para la producción y recuperación de los complejos captadores de luz (LHC, de sus siglas en inglés) de las PPB. Este trabajo fue desarrollado en colaboración con la Universidad NOVA de Lisboa durante la estancia predoctoral. Para ello, se plantearon 4 condiciones: dos sistemas en oscuridad continua, sin oxigenación y uno de ellos con fuente de carbono; otros dos sistemas en iluminación continua, con aireación y uno de ellos con fuente de carbono. Cubriendo de esta manera la versatilidad metabólica de las PPB en cuanto a los crecimientos quimiotróficos y fototróficos. Durante el bleaching (proceso de oxidación de los LHC) se observó que los sistemas anaerobios en oscuridad consiguieron mantener los pigmentos independientemente de si había o no fuente de carbono, mientras que los ensayos aireados y con luz tuvieron pérdidas de hasta el 50% de la concentración de pigmentos. Sin embargo, cuando los 4 sistemas fueron sometidos a recuperación de los LHC mediante el purpling (proceso de anaerobiosis, administración de nutrientes y fuente de carbono suficiente e irradiación continua), los sistemas aerobios y en oscuridad iniciales mantuvieron prácticamente constante la concentración de pigmentos, pero el sistema sometido a aireación, luz y sin fuente de carbono fue capaz de recuperar hasta en un 75% la concentración de neurosporeno (Neu) y licopeno (Lyc), más del 85% de carotenoides totales (TC) y una estabilización de la bacterioclorofila (Bchl) igual a los sistemas que no sufrieron oxidación. Sin embargo, la aireación, con luz y fuente de carbono en el proceso del bleaching, al trasladarlo al purpling, no fue capaz de mantener los LHC y sufrió una caída total de las Bchly una nula respuesta en el resto de pigmentos (estables desde el inicio del purpling hasta el final). Estas variaciones se vieron reflejadas en términos de población microbiana; se observó un aumento del género Rhodopseudomonas en todos los sistemas menos en el aireado, con luz y fuente de carbono, que sufrió un detrimento de la población de PPB.
En base a las observaciones sobre la capacidad de recuperación de los LHC de las PPB tras sufrir un proceso de estrés oxidativo, en el SUBCAPÍTULO 4.II.B se evaluaron diferentes concentraciones de oxígeno disuelto, destacando las condiciones microaerofílicas (OD < 1 mgO2/L) correspondientes a las estudiadas en el Subcapítulo 4.I. donde se consiguió cumplir con los valores de vertido establecidos en legislación en sistemas abiertos en una sola etapa. Se establecieron 4 sistemas en batch a escala de laboratorio con las siguientes condiciones: una condición anaerobia como control positivo, una saturada como control negativo, un sistema abierto en condiciones microaerófilas (NC-MA) y un sistema microaerófilo controlado (MA) por un Arduino para mantener 1 mgO2/L. En condiciones de oxígeno saturado (SAT), los pigmentos fotosintéticos se perdieron casi por completo tras 72 horas. En el ensayo anaerobio (ANA), los pigmentos se mantuvieron estables, indicando protección efectiva de los carotenos sobre la Bchl. Los ensayos MA y NC-MA también mostraron estabilidad en las concentraciones de los carotenos y Bchl. Además, en el SAT, se vio reflejada la drástica caída de la población de PPB en beneficio de los microorganismos facultativos. De cara a la recuperación en el purpling se observó que todos los sistemas mantuvieron los pigmentos del LHC, aunque con caídas temporales de Bchl seguidas de recuperación, especialmente en los que fueron sometidos a condiciones microaerófilicas en el bleaching. La fotoaclimatación permitió la adaptación metabólica de las PPB, Rubrivivax dominó la comunidad microbiana (>50%), favoreciendo la recuperación de PPB tras el bleaching. Los ensayos microaerófilicos mostraron comportamientos similares al anaerobio control, en el purpling, en acumulación de PHA (hasta 14%). La acumulación de PHA se relaciona con mecanismos de protección celular ante desequilibrios redox. Cabe destacar el estudio cualitativo mediante la técnica de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM, de sus siglas en inglés) y Microscopía Electronica de Transmisión (TEM, de sus siglas en inglés) que permitieron observar los LHC presentes en las fotomembranas, tanto su degradación como su formación, comprobando la capacidad fotoadaptativa de los cultivos mixtos de PPB tras la exposición a condiciones de estrés oxidativo.
Finalmente, el SUBCAPÍTULO 4.III. se evaluó a escala piloto el co-tratamiento del ARU con la FL-FORSU mediante cultivos mixtos de PPB en dos reactores de 500 L tipo raceway en condiciones reales, bajo iluminación solar y en abierto al ambiente. Se plantearon dos sistemas: un sistema inoculado y un sistema sin inoculación previa de PPB. Tras 4 batch de 1 semana de duración cada uno, se observó que el comportamiento de los sistemas en términos de eliminación de DQO:N:P para alcanzar valores de vertido, fue prácticamente parejo. En ambos se llegó a valores próximos al 100% de eliminación de N y P y a una eliminación de DQOs superior al 70%, aunque no fue suficiente para cumplir con la legislación. La principal ventaja en la preinoculación del sistema fue poder obtener una composición microbiana más estable y temprana, en torno al 45% de PPB, frente al casi 30% del reactor sin inocular. Sin embargo, se analizó la biomasa como posible potencial biofertilizante orgánico y resultó tener unas composiciones de N/P/K en torno al 8.5/2.4/0.5 y una baja concentración de metales pesados y nula en patógenos tras un tratamiento de microondas.
Con estos resultados se ha podido comprobar que los sistemas de cultivos fototróficos mixtos de PPB en condiciones microaerófilass, bajo ciclos de luz y oscuridad, en condiciones reales de operación y empleando reactores abiertos del tipo raceways es posible mantener el metabolismo fotoheterotrófico de las PPB alcanzando valores de vertidos en las aguas residuales y pudiendo llegar a acumular compuestos de alto valor añadido como el PHA, así como regenerar el agua y emplear la biomasa como potencial fertilizante orgánico.
