Ingeniería y Ciencia

Pollutant Remotion and Growth of Scenedesmus sp. on Wastewater from Tannery. A Comparison Between Free and Immobilized Cells

Resumen Las aguas residuales de curtiembres conllevan un problema ambiental y de salud, debido a las altas concentraciones de contaminantes como el cromo, sulfuros, entre otros. Una forma de realizar el tratamiento de estas aguas es por medio del uso de microorganismos tales como las microalgas, debido a su capacidad de utilizar los compuestos inorgánicos y acumular metales y otras sustancias contaminantes. Esta capacidad podría verse magnificada con la inmovilización celular en diferentes matrices. En este artículo se presenta una evaluación de la capacidad de crecimiento y de remoción de nitrógeno, fósforo y cromo por parte de la microalga Scenedesmus sp., comparando la eficiencia entre las células libres e inmovilizadas en una matriz de esponja de Luffa. De esta manera, se obtuvo un mayor crecimiento en las células libres en comparación a las inmovilizadas, aunque sin diferencias significativas entre ambos experimentos. En ambos casos se observaron remociones superiores al 90 % para NO3 −, NH4 +, PO3− y cromo total, así como una reducción importante de la DBO y DQO (> 97 %) que puede deberse a efecto sinérgico con las bacterias presentes en los cultivos de la microalga. Finalmente, los porcentajes de lípidos en ambos casos fueron superiores al 20 % indicando que esta biomasa podría presentar un alto potencial como materia prima para la generación de biodiesel.

Abstract Tannery wastewater are a public health and ecosystem hazard, due to the high concentration of contaminants such as chrome, sulfides and others. One way to treat these waters is by the use of microorganisms such as microalgae due to their capacity to use the inorganic compounds, as well as to accumulate metals and other contaminant substances; ability that could be improve with cellular immobilization. In this paper, the growth and removal of nitrogen, phosphorus and chrome by the microalgae Scenedesmus sp. were evaluated, comparing the rates between free and immobilized cells in a Loofa matrix. In this way, a higher growth in the free cells was obtained, compared to the immobilized ones. However, there were no significant differences between removals of contaminants. In both cases, higher reductions than 90% for NO3 −, NH4 +, PO3− and Chromium, as well as a significant reduction in BOD and COD (> 97%) were obtained, probably by a synergy effect between algae and bacteria presents in the culture. Finally, lipids in both cases were higher than 20%, showing that this biomass could present a high potential as a raw material for the generation of biodiesel.

Groundwater Physicochemical Characteristics’ Analysis of Chicú River Basin, Colombia, Using Hydrochemical Indicators and Multivariate Statistics

Resumen Se evaluaron las características hidroquímicas de una cuenca intramontana, ubicada en la Sabana de Bogotá, usando indicadores y métodos estadísticos, basados en los datos fisicoquímicos de 10 pozos de monitoreo obtenidos durante dos campañas de muestreo realizadas en el año 2014, para determinar las características hidroquímicas generadas por la interacción agua/sedimento del acuífero y determinar las condiciones de calidad del agua subterránea. Para ello, (1) se aplicaron indicadores hidroquímicos para evaluar los procesos de interacción entre el agua y la matriz sedimentaria del acuífero, corroborados mediante (2) la aplicación del análisis de componentes principales, que develó asociaciones fuertes entre las variables (Na +, Mg 2+, Ca 2+, SO 2− 4 y HCO 3 − ), y la influencia de las variables T, pH y STD en los procesos hidroquímicos que gobiernan el acuífero, además (3) se analizaron los parámetros fisicoquímicos, comparándolos con la normatividad ambiental colombiana para consumo humano y para riego. Como resultados, se determinó que en la matriz agua-sedimento, se suscitan procesos de intercambio catiónico reverso y meteorización de los minerales presentes en las formaciones que conforman el acuífero analizado, así mismo, que las muestras de agua obtenidas no presentan características de calidad que permita su uso para riego o consumo humano.

Abstract The hydrochemical characteristics of an intramontane basin, located in the Bogotá Savannah, were evaluated using indicators and statistical methods, based on 10 monitoring wells physicochemical data, obtained during two sampling campaigns conducted in 2014, to establish the hydrochemical characteristics that are generated by the groundwater and sedimentary matrix interaction of the aquifer and determine the extracted groundwater quality conditions’ in the studied aquifer. To analyze the data, (1) hydrochemical indicators were applied to evaluate the groundwater and the sedimentary matrix interaction processes’ in the studied aquifer, which was corroborated by (2) principal components analysis, which allowed to disclose strong associations between the variables (Na +, Mg 2+, Ca 2+, SO 2− y HCO3−), and T, pH y TDS variables influence on the hydrochemical process that govern the analyzed aquifer, in addition (3) physicochemical parameters were compared with the Colombian environmental regulations, referring to human consumption and irrigation use. As results, in watersediment matrix was determined reverse cation exchange and minerals meteorization processes, present in the formations that conform the analyzed aquifer, likewise, the water samples obtained do not present quality characteristics that allow its use for irrigation or human consumption.

Parameter Estimation of Two Mathematical Models for the Dynamics of Dengue and its Vector in Cali, Colombia

Resumen El dengue es una infección viral transmitida por la hembra del mosquito Aedes aegypti que se presenta en todas las regiones tropicales y subtropicales del planeta. En Cali, Colombia, a pesar de los controles que las autoridades de salud dicen estar haciendo, durante el año 2013, se reportaron más de 9.000 casos de dengue, de los cuales algunos han sido graves y otros han llegado a ser letales. Para la transmisión del virus del dengue, los modelos matemáticos que simulan la dinámica de la población infectada, bien sea de humanos, de mosquitos o de ambos, permiten una buena comprensión de la dinámica del virus, por lo que son una excelente herramienta para el seguimiento y control de la enfermedad causada por ellos. Sin embargo, para que esta herramienta sea realmente útil en casos concretos, los modelos deben ser ajustados a las características particulares de la región donde se quieren utilizar. En este artículo, queremos presentar el ajuste de dos modelos matemáticos al área urbana de la ciudad de Cali, Colombia. Inicialmente, con base en el comportamiento natural del mosquito Aedes aegypti en una región como el área de interés, estimamos algunos de los parámetros de los modelos, teniendo en cuenta la literatura existente sobre este tema. Posteriormente, estimamos el resto de parámetros como la solución de mínimos cuadrados que mejor ajusta los resultados de los modelos a los datos de los casos reportados de dengue, según la Secretaria Municipal de Salud de Cali, durante el año 2010.

Abstract Dengue is a viral infection transmitted by the female Aedes aegypti mosquito that lives in all tropical and subtropical regions of the planet. In Cali, Colombia, despite the controls that health officials say they are doing, this year, there have been more than 9,000 cases of dengue, of which some have been serious and others have become lethal. For the case of dengue virus transmission, mathematical models to simulate the dynamics of the infected population, either human or mosquito or both, allow a good understanding of the dynamics of the virus, so they are a good tool for monitoring and controlling the disease. However, for this tool to be really useful in a specific case, the models must be tailored to the particular characteristics of the region where you want to use them. In this paper, we present the fitting of two mathematical models to the urban area of Cali, Colombia. Initially, based on the natural behavior of the Aedes aegypti mosquito in a region as the area of interest, we estimate some of the parameters of the models, taking into account the existing literature on this topic. Subsequently, we estimate the others parameters as the (non-linear) least squares solution that best fits the output of the models to the data of reported cases of dengue, according to the Municipal Secretary of Cali, in 2010.

Implementation of a Non-Invasive Bioprospecting Protocol for Isolation of Lactobacillus from Feces of Hens Under Foraging Conditions

Abstract In animal production, probiotics seek to replace the use of antibiotics, while diminishing mortality and morbidity rates to raise productivity. Probiotics constitute a natural alternative that, in contrast with antibiotics, neither produces pathogen resistance, nor leaves chemical residues in the final product. Several bacteria, including some belonging to the genus Lactobacillus have been described as probiotics with high potential. A non-invasive bioprospecting protocol aimed for the isolation and characterization of lactobacilli from chicken feces was established. Fecal samples were collected from the ground. These were diluted and cultured in LAB selective medium. Colonies were identified by three methods: Gram stain, MALDI-TOF MS and sequencing of 16S rRNA gene. An initial probiotic potential of lactobacilli isolates was determined via antagonism tests using five enteropathogen reference strains: Staphylococcus aureus, Enterococcus faecium, Candida albicans, Pseudomonas spp. and Salmonella spp. 24 isolates belonging to four Lactobacillus species were identified by MALDITOF MS. BLAST of 16S rRNA gene of eight randomly selected isolates, confirmed MALDI-TOF MS identification. Five of these eight isolates inhibited the growth of at least one of the pathogenic strains used, three isolates of Lactobacillus plantarum and two of Lactobacillus salivarius. Our protocol achieved 21 lactobacilli per 100 isolates performance, greatly surpassing the normal percentage of lactobacilli in chicken gut microbiome, that so, its implementation would facilitate the isolation and identification of new probiotic strains from feces.

Resumen En la producción animal, los probióticos son una alternativa para reemplazar el uso de antibióticos, ya que disminuyen las tasas de morbilidad y mortalidad, aumentando al mismo tiempo la productividad. Así mismo, los probióticos constituyen una alternativa natural que, en contraste con los antibióticos, no generan patógenos resistentes ni dejan residuos químicos en el producto final. Una variedad de bacterias, pertenecientes al género Lactobacillus, han sido descritas como probióticos con alto potencial. Se estableció un protocolo de bioprospección no invasivo dirigido al aislamiento y caracterización de lactobacilos a partir de heces de gallinas. Las muestras fecales fueron colectadas a partir del suelo. Luego fueron diluidas y sembradas en medio selectivo para bacterias ácido lácticas MRS. Las colonias fueron identificadas por tres métodos: tinción de Gram, MALDI-TOF MS y secuenciamiento del gen ARNr 16s. Para caracterizar inicialmente el potencial probiótico de ocho de los aislados de lactobacilos obtenidos se realizaron pruebas de antagonismo usando cinco cepas referencia de patógenos: Staphylococcus aureus, Enterococcus faecium, Candida albicans, Pseudomonas spp. y Salmonella spp. 24 aislados distribuidos en cuatro especies de Lactobacillus fueron identificadas por MALDI-TOF MS. La identificación por MALDI-TOF MS fue confirmada mediante el secuenciamiento del gen ARNr 16s de ocho aislados seleccionados aleatoriamente. Cinco aislados, tres identificados como Lactobacillus plantarum y dos como Lactobacillus salivarius, inhibieron el crecimiento de al menos uno de los patógenos seleccionados. El protocolo logró un desempeño de 21 lactobacilos por 100 aislados, superando con creces la representación normal de los lacobacilos en el microbioma gastrointestinal de las gallinas, de manera que su implementación facilitaría los esfuerzos de aislamiento e identificación de nuevas cepas probióticas a partir de heces.

Identification of Fusarium cf. verticillioides as The Causal Agent of Pokka Boheng Disease in Sugarcane in the Department of Antioquia, Colombia

Abstract The cultivation of sugarcane represents an important part in the Colombian economy due to the diverse applications in industries like liquor, food, paper and biofuels. Sugarcane worldwide production is affected by the presence of phytopathogenic agents, mainly filamentous fungi such as Physalospora tucumanensis (red rot disease) and Fusarium spp. To date in Colombia, Pokka boheng disease whose causal agent is the fungus Fusarium verticillioides, has not been reported, which is why it is necessary to identify appropriately this microorganism, responsible for losses in productivity and food contamination. In order to isolate and identify the infectious agent from symptomatic tissues, disinfection and culture in liquid and solid culture mediums were performed in malt extract (2%) and yeast extract (0.2%) both liquid and solid, for 7 days. After several replicates in agar plate, a purification was made along with a morpho- logical characterization based on the shape and color of the mycelium, as well as the type of spores generated. Additionally, the genetic material was extracted and gene markers (ITS, Elongation Factor 1-α (EF) and β- Tubulin (Btub)) were amplified by PCR. Then, DNA sequencing was used to obtain the data to make a phylogenetic reconstruction by probabilistic methods (Maximum Likelihood and Bayesian Inference). The isolated strain, named as EA-FP0013 was located in the Fujikuroi complex group, with high probable identity to Fusarium verticillioides. Thus, early and species-specific identification of these fungal isolates by molecular methods may allow the timely diagnosis of emerging pathophysiological diseases of interest in the region, and thus propose the respective control strategies.

Resumen El cultivo de la caña de azúcar representa una parte importante en la economía de Colombia debido a las diversas aplicaciones en industrias como licor, alimentos, papel y biocombustibles. Su producción en todo el mundo se ve afectada por la presencia de agentes fitopatógenos, principalmente hongos filamentosos como Physalospora tucumanensis (agente causal de la enfermedad “Pudrición roja”) y Fusarium spp. Hasta la fecha, en Colombia, no se ha reportado la enfermedad de Pokka boheng en este cultivo cuyo agente causal es el hongo Fusarium verticillioides, por lo que es necesario identificar adecuadamente este microorganismo, responsable de las pérdidas en productividad y contaminación de los alimentos. Con el fin de aislar e identificar el agente infeccioso de los tejidos sintomáticos, se realizó la desinfección y posterior siembra de éstos en medios de cultivo extracto de malta (2 %) y extracto de levadura (0.2 %) tanto líquido como sólido durante 7 días. A partir de varias placas petri, se realizó la respectiva purificación y una caracterización morfológica basada en la forma y el color del micelio, así como el tipo de esporas generadas. Adicionalmente, el material genético se extrajo y se amplificaron los marcadores genéticos (ITS, factor de elongación 1-α (EF) y β-tubulina (Btub)) por PCR. Luego, se utilizó la secuenciación del ADN para obtener los datos para realizar una reconstrucción filogenética mediante métodos probabilísticos (máxima verosimilitud e inferencia bayesiana). La cepa aislada, nombrada como EA-FP0013 se localizó en el grupo del complejo Fujikuroi, con una alta identidad probable para Fusarium verticillioides. Por lo tanto, la identificación temprana y específica de especie de estos aislados fúngicos, utilizando métodos moleculares, puede permitir el diagnóstico oportuno de enfermedades fisiopatológicas emergentes de interés para la región, y así proponer las estrategias de control respectivas.

Development and Evaluation of a Light Weight Electronic Device for the Sampling of Volatile Organic Compounds in the Vertical Coupled to a Captive Metorological Globe

Resumen El conocimiento del perfil vertical de la composición de los compuestos orgánicos volátiles (COVs) en áreas urbanas contaminadas puede ayudar a un mejor entendimiento del impacto de estos compuestos en la calidad del aire y en el desarrollo de mejores estrategias de control. Con el fin facilitar este tipo de mediciones y de que éstas tengan la confiabilidad necesaria, se diseñó e integró un dispositivo de muestreo miniaturizado programable de COVs ligero de bajo costo, que permite el anclaje de varios de ellos a diversos niveles de altura en el cordel de un globo meteorológico cautivo instrumentado, y cuyo arranque y paro de los muestreadores es controlado desde superficie. El muestreo simultáneo asegura que el perfil vertical de los COVs capturados representen con mejor certeza las diferencias esperadas en la concentración de estos compuestos debido a la influencia del dosel urbano y de la actividad urbana. Cada dispositivo de muestreo consiste en un circuito electrónico que recibe la señal de arranque y/o paro de la minibomba de succión de aire de un sistema maestro de control que se ubica en superficie y que comanda la operación por radiofrecuencia. La captura de los COVs es realizada por medio de un cartucho empacado con un medio adsorbente apropiado para este objeto. La aplicabilidad del sistema miniaturizado fue demostrada en una campaña corta de muestreos a los niveles 0 m, 50 m, y 100 m sobre la superficie en un sitio al suroeste de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México durante abril de 2017. Los perfiles de las concentraciones de COVs determinadas fueron comparados tanto con registros previos obtenidos a nivel superficie como en perfiles verticales utilizando métodos de muestreo menos dinámicos demostrando así el beneficio de conocer la concentración a diferentes alturas en la interpretación de la química atmosférica asociada a estos perfiles.

Abstract An understanding of the vertical profile of the composition of volatile organic compounds (VOCs) in polluted urban areas can help to better understand the impact of these compounds on air quality and in the development of better control strategies. To facilitate these types of measurements and they have the necessary reliability, a programmable, lightweight and lowcost VOCs miniaturized sampling device was designed and integrated, that allows to anchor several of them at different heights in the string of a captive instrumented meteorological balloon and also a start/stop control of the samplers that can be operated from the ground. Simultaneous sampling ensures that the vertical profile of the captured VOCs, represents with better certainty the expected differences in the concentration of these compounds due to the influence of the urban canopy layer and urban activity. Each sampling device consists of an electronic circuit that receives the start or stop signal of the air suction mini-pump from a master control system that is on the surface and that allows radio frequency operation. The capture of VOCs is carried out by packed cartridges with an appropriated adsorbent medium for this purpose. The feasibility of the miniaturized system was demonstrated in a short sampling campaign at the levels 0 m, 50 m, and 100 m above ground at a site southwest of the Metropolitan Area of Mexico City during April 2017. The profiles of the determined VOCs concentrations were compared with previous records obtained at the surface level and in vertical profiles using less dynamic sampling methods, demonstrating the benefit of knowing the concentration at different heights in the interpretation of atmospheric chemistry associated with these profiles.

Modern Biotechnology for Agricultural Development in Colombia

Abstract Colombia is currently one of the most promising countries with regard to its potential for agricultural development and for generating food supply for current and future human generations. This is owing to factors such as availability of land, water, topographical diversity, as well as political factors. Nevertheless, Colombia will reach this full potential if it adopts available technologies that can meet the current global challenges faced by the agriculture in the 21st century: among others, world population growth, increase in average life expectancy, high degree of malnutrition, climate change, wrong agricultural practices. Here is presented how modern biotechnology is an important ally as a wide range of technologies and innovative systems can be applied where they are most needed: for in- creasing cultivation productivity, resisting both biotic and abiotic factors, and ensuring food safety. In this study is showed evidence with regard to significant benefits of adopting biotechnological crops to contribute to food safety and how they are already being implemented in both developed and developing countries. Using modern technology, there are open opportunities for the country in search of circular bio-based economy, strengthen its food sovereignty and to serve as an agricultural breadbasket to Latin America and the World.

Resumen Colombia es actualmente uno de los países más prometedores en cuanto a su potencial para el desarrollo agrícola y para generar alimentos para las generaciones humanas actuales y futuras. Esto se debe a factores como la disponibilidad de tierra, agua, diversidad topográfica, así como a factores políticos. Sin embargo, Colombia alcanzará su pleno potencial de desarrollo agrícola sostenible si adopta las tecnologías disponibles que puedan hacer frente a los desafíos globales actuales que enfrenta la agricultura en el siglo XXI: entre otros, el crecimiento de la población mundial, el incremento en el promedio de la esperanza de vida, alto grado de desnutrición, cambio climático, uso de practicas agrícolas equivocadas. Aquí es presentado cómo la biotecnología moderna es un aliado importante ya que se puede aplicar una amplia gama de tecnologías y sistemas innovadores donde más se necesitan: aumentar la productividad y sostenibilidad del cultivo, resistir los factores de estrés bióticos y abióticos y garantizar la seguridad alimentaria. En este estudio se muestra evidencia sobre los beneficios significativos de la adopción de cultivos biotecnológicos para contribuir a la inocuidad de los alimentos y como ellos ya se están implementando en los países desarrollados y en vía de desarrollo. Usando tecnologías modernas, hay oportunidades abiertas para el país en la búsqueda de una economía circular de base biológica, que fortalezca su soberanía alimentaria y para servir como despensa agrícola para América Latina y el mundo.