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1. Introducción
Las microalgas y cianobacterias son organismos fotosintéticos que requieren luz, dióxido de carbono y agua para producir su propia energía 1,2. Ambos microorganismos poseen una capacidad adaptativa a diferentes condiciones ambientales que les permite crecer en diversos hábitats acuáticos (marino, agua dulce y aguas residuales) de donde obtienen los nutrientes necesarios para producir biomasa rica en bioactivos de alto valor como: lípidos, proteínas, pigmentos, carbohidratos, entre otros 3,4. Por tal razón, las microalgas son útiles en sectores industriales como el farmacéutico, de alimentos y de combustible 5.
La producción de biomasa varía dependiendo de las especies de algas, técnicas o condiciones de cultivo (Temperatura, pH, intensidad de luz y concentración de nutrientes), al igual que el contenido de bioactivos 6, por tanto, la adecuación de un sistema que se ajuste de forma óptima a las condiciones requeridas es muy importante a la hora emplear las microalgas y cianobacterias 7. El ajuste de estas condiciones permite una mayor obtención de metabolitos de interés comercial, dentro de los que se encuentran los pigmentos en el sector farmacéutico y textil 8, los lípidos en el área de los biocombustibles 9; y los biomateriales como polihidroxialcanoatos (PHA) y polihidroxibutirato (PHB), usados como biopolímeros útiles 10,11.
La obtención de subproductos de alto valor, ha ganado gran atención, sin embargo, la proyección a gran escala para uso industrial ha encontrado gran variedad de obstáculos debido a la baja productividad y al alto costo 12, especialmente por el uso de nutrientes y agua, razón por la cual, diversas investigaciones han ampliado sus estudios en el uso de las microalgas y cianobacterias como técnica sostenible para tratar aguas residuales por su capacidad de tolerar condiciones extremas medioambientales y diversos contaminantes, además de su capacidad de bioabsorción y capacidad de eliminación de compuestos orgánicos, inorgánicos, nitrógeno, carbono y fósforo los cuales metabolizan para su crecimiento 13,14. Lo anterior arroja resultados prometedores con relación a la remoción de contaminante, la producción de biomasa como fuente de energía y la generación de subproductos de interés comercial, aliviando las limitaciones económicas en el cultivo a gran escala de microalgas 15,16.
Dentro de los residuos líquidos que han tomado participación en el uso de cultivos de microalgas se encuentran los lixiviados. Este residuo se obtiene en los rellenos sanitarios mediante la descomposición de la materia orgánica junto con el agua lluvia percolada 17, por esta razón poseen altas concentraciones de compuestos orgánicos e inorgánicos como, metales pesados, amonio y compuestos biorefractarios 18, productos de procesos y reacciones fisicoquímicas y biológicas. Este residuo genera diversos efectos negativos al medio ambiente como son: la eutrofización y toxicidad en cuerpos de agua a causa de la presencia de altas concentraciones de NO3 -, Pb, Mn y Fe 19, la pérdida de flora y fauna, la contaminación del suelo y la bioacumulación de metales pesados 20.
Debido a su complejidad, se han explorado diversos métodos fisicoquímicos y biológicos para su tratamiento. Algunos de los métodos fisicoquímicos más implementados son la floculación, la coagulación y la filtración por membranas, sin embargo, no han sido totalmente eficientes y presentan altos costos en materiales, equipos, productos químicos y eléctricos sin ningún tipo de recuperación, lo que los hacen insostenibles a largo plazo 21. En consecuencia, se prefieren los métodos biológicos debido a su fiabilidad, sencillez y rentabilidad 22. El uso de microalgas y cianobacterias para tratar los lixiviados de rellenos sanitarios es prometedor gracias a su capacidad de recuperar nutrientes, permitir la producción de metabolitos como lípidos y pigmentos 15 y su uso en la generación de biocombustibles 16, supliendo la necesidad de las algas en el consumo de recursos hídricos y nutrientes, esto es demostrado en especies como Scenedesmus cf. Rubescent y Chlorella cf. Ellipsoidea23.
El principal inconveniente de usar lixiviados como medio de cultivo de microalgas y cianobacterias es la variabilidad y complejidad de la composición de los lixiviados, pues presentan altas concentraciones de compuestos tóxicos que inhiben el crecimiento de las microalgas. Por esta razón se plantean el uso de pretratamientos que reduzcan la carga de algunos compuestos específicos y estabilicen el pH o la implementación de lixiviados diluidos con el fin de garantizar una concentración de compuestos tolerada por las microalgas 24, sin embargo, la primera opción aumenta los costos y la segunda requiere una alta demanda de agua limpia. De modo que se han evaluado estrategias para integrar aguas residuales de menor carga en el proceso de dilución 25. A la fecha, la gran mayoría de investigaciones realizadas en lixiviados de rellenos sanitarios se enfocan en su tratamiento y son limitadas aquellas que hacen énfasis en su aprovechamiento para la extracción de productos de alto valor, lo que aumenta el interés en esta área de estudio.
En el presente documento, se realiza una revisión del estado actual del uso de microalgas en aguas residuales, más específicamente en lixiviados de rellenos sanitarios. Mostrando la capacidad de crecimiento de las microalgas en aguas residuales en general y los metabolitos de interés industrial que puedan generar, para finalmente realizar un análisis bibliométrico de los avances y las limitaciones en la implementación de lixiviados de rellenos sanitarios como medio de cultivo de microalgas y cianobacterias abarcando desde el tratamiento hasta la obtención de bio-productos.
2. Metodología
Reporte de avances del uso de microalgas en aguas residuales (A.R.)
Para este estudio se realizó una búsqueda inicial de información, relacionada con microalgas y aguas residuales, en la base de datos de SCOPUS (http://www.scopus.com, Elsevier B.V, Ámsterdam, Países Bajos), una de las bases de datos más grandes del mundo. Con el fin de contextualizar el uso de aguas residuales como medio de cultivo para las microalgas y cianobacterias, la remoción de contaminantes y su posible aprovechamiento.
Análisis bibliométrico del uso de microalgas en Lixiviados de rellenos sanitarios
Se realizó una búsqueda sistemática en SCOPUS, incluyendo los artículos publicados en todo el mundo desde 1993 hasta el 2023, con fecha de recolección de datos del 10/04/2023. La ecuación de búsqueda fue: TITLE-ABS-KEY ("microalgae" AND "landfill leachate"). Con el fin de realizar el análisis de la información, se evaluó la frecuencia de las palabras claves empleando el software VOSviewer (version 1.6.19, Leiden University, Leiden, The Netherlands) 26. El número mínimo de ocurrencias de palabras claves que se manejó fue de 5, con el fin de que los resultados fueran significativos debido a la limitada información al respecto. En este análisis cada esfera simboliza una palabra clave, su tamaño representa el número de apariciones, el color indica la relación y categorización de las palabras y los enlaces señalan la relación de co-ocurrencia entre las palabras.
Posteriormente se realizó un análisis de los resultados encontrados teniendo en cuenta: 1) documentos por año; 2) relevancia de los autores; 3) instituciones vinculadas; 4) áreas de estudio y 5) documentos por países.
Análisis bibliográfico del uso de microalgas en Lixiviados de rellenos sanitarios
Se analizó la bibliografía encontrada en el proceso de búsqueda anterior, presentando un resumen de algunos de los artículos más citados en los últimos 10 años, relacionados directamente a los procesos de tratamiento y aprovechamiento de lixiviados de relleno sanitario mediante el uso de microalgas.
Estado del arte de los lixiviados en Colombia
Teniendo en cuenta la limitación de los documentos encontrados que relacionan los lixiviados y las microalgas en Colombia, se realizó un análisis del estado del arte de los lixiviados en Colombia y su potencial uso en cultivos de microalgas para aprovechamiento.
3. Resultados y discusión
Uso de microalgas en aguas residuales
Las microalgas y cianobacterias han ganado popularidad por su capacidad de crecer bajo diferentes condiciones y entornos. Con el paso de los años, esta habilidad ha sido reportada en diversas investigaciones que han demostrado el uso de las microalgas como una herramienta para contribuir con el mejoramiento de la calidad del medio ambiente, mediante su cultivo en aguas residuales como proceso de fitorremediación y a través de la valorización de residuos líquidos como técnica sostenible 27. En una búsqueda realizada en SCOPUS para los últimos 10 años se reportaron 4,984 documentos que describen procesos de cultivos de microalgas en aguas residuales, de los que 3,686 corresponden a artículos de investigación.
Los principales estudios enfocan sus investigaciones en el tratamiento de aguas residuales con microalgas, dando respuesta a la crisis de los recursos hídricos y la preocupación por la contaminación que está llevando a revaluar los procesos convencionales de tratamiento y buscando alternativas para la obtención de biocombustibles y bioproductos 28. Sin embargo, son limitados los resultados específicos para cianobacterias que se relacionan al tratamiento o aprovechamiento, puesto que este enfoque tiene acogida en los últimos 5 años.
El principio del uso de microalgas en aguas residuales consta de diferentes etapas, la primera relacionada con su cultivo, fase en la que requieren una fuente de carbono, una fuente de luz y una fuente de nutrientes, la cual es aportada por las aguas residuales y son transformados en moléculas que promueven su crecimiento; la segunda etapa es la cosecha, en donde se busca el mayor crecimiento y la purificación del efluente; finalmente se extrae la biomasa producida para ser procesada y obtener diferentes metabolitos (Figura 1) 29.
En ese sentido, la capacidad de las microalgas de metabolizar diversos bioproductos es atribuida a su alta tasa de producción de biomasa, compuesta principalmente por proteínas (30% - 50%), carbohidratos (20% - 40%) y lípidos (8% - 15%) que actúan como fuente de energía bajo condiciones de crecimiento normales 30. Con el fin de apreciar los avances del cultivo de microalgas en aguas residuales tanto para biorremediación como para aprovechamiento, en la Tabla 1 se presenta un resumen de algunos artículos, en los que se muestran condiciones de cultivos, remociones y obtención de productos de valor agregado.
Tabla 1 Uso de microalgas en el tratamiento de aguas residuales
| Microalga -cianobacteria | Tipo de Agua residual | Condiciones de cultivo | Remociones | Producto de valor agregado | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlorella vulgaris | Agua residual textil | Agua residual al 50% | Remoción > 80% de nitrógeno y fósforo. | Lípidos (FAME para biodiésel) | 31 |
| Tetradesmus obliquus, Chlorella protothecoides, Chlorella vulgaris, Synechocystis sp. | Agua residual porcina | Agua residual diluida 1:20 | 62-79% para DQO, 84-92% para TKN, 79-92% para NH4 + y más del 96% para PO4 3- | Biomasa como Bioestimulante | 32 |
| Thermosynechococcus sp. | Agua residual porcina | Diferentes intensidades de luz, tipo de tratamiento del agua residual. Agua diluida | - | Ficobiliproteína y carotenoide | 33 |
| Chlorella sp. y Chlorella Vulgaris inmovilizadas en cápsulas inmovilizadas de alginato. | Agua residual textil | Condiciones mixotróficas Agua residual a diferentes diluciones | Remoción de > 80% NH4 + y 60% DQO | Lípidos | 34 |
| Chlorella vulgaris G-9 | Agua residual sintética | Relación TOC/TN de 24 y 30 | Remoción > 90% de nitrógeno. | 35.3 y 36.5% lípidos | 35 |
| Chlorella vulgaris | Agua residual doméstica primaria y secundaria y efluente de petróleo. | Mezcla de agua residual y medio estándar. Concentraciones del 100%, 75%, 50% y 25% | Máxima de 80% para N y 100 para P para agua residual primaria. | - | 36 |
| Chlorella vulgaris | Agua residual doméstica | Enriquecido con carbono orgánico | Remoción de > 90% NH3-N y PO4-P | - | 37 |
| Scenedesmus sp. | Agua residual doméstica | Agua residual filtrada y estéril. Diferentes concentraciones de CO2 | 98% para NH4 +, 70.2% para NO3 -, 78.9% para PO4 y 95.9% para DQO | 33.3% contenido total de lípidos | 38 |
| Chlorella vulgaris JSC-6 | Agua residual porcina | Agua residual filtrada a diferentes concentraciones | Hasta un 91% para nitrógeno y 76% para DQO | 58% de carbohidratos (90% Glucosa) | 39 |
| Consorcio de bacillariophyceae, chlorophyceae, cyanophyceae | Agua residual doméstica | Agua residual filtrada y estéril | 6%, 90%, 89%, 70% y 76% para carbono orgánico total, nitrógeno total, NH4 +, fósforo total y fósforo orgánico | De 18% al 28.5% de lípidos. (Composición de FAME) | 40 |
| Chlorella zofingiensis | Agua residual porcina | Agua residual pretratada a diferentes concentraciones de DQO | 65.81% - 79.84% para DQO, 68.96% - 82.70% para nitrógeno total y entre el 85.00% y el 100% para fósforo total | Mayor productividad de lípidos de 110.56 mgL-1d-1 y biodiésel del 30.14 mg L-1 d-1 | 41 |
| Consorcio de Spirulina sp., Oscillatoria sp. y Synechocystis sp. | Solución con contenido de Cr3 | 100 mg L-1 Cr3 | 100 % de Cr3 | - | 42 |
| Nannochloropsis sp. | Agua residual municipal | Agua residual al 50% y CO2 al 15% | - | 59.9 % Lípidos | 43 |
Las aguas residuales domésticas y porcícolas han sido las de mayor uso en cultivos de microalgas, pues su carga orgánica es fuente de nutrientes para su crecimiento 44. La microalga más ampliamente utilizada es Chlorella por su capacidad de adaptarse a diferentes condiciones. Los resultados de las diferentes investigaciones demuestran la habilidad de las microalgas para tratar aguas residuales, así como también de producir metabolitos de valor agregado, con el fin de crear técnicas sostenibles, lo que las hace una herramienta prometedora para el uso con otros tipos de aguas residuales.
Análisis bibliométrico para uso de microalgas en lixiviados de rellenos sanitarios
Los lixiviados son residuos líquidos con altas cargas de compuestos tóxicos que representan gran impacto al medio ambiente 45, por lo que se resalta la necesidad de buscar diferentes alternativas para su manejo. Las microalgas se presentan como una alternativa para el tratamiento de los lixiviados, a pesar de los factores que demuestran la toxicidad de los lixiviados hacia ellas 46. La implementación de este tipo de tratamiento biológico se puede desarrollar mediante estrategias que permitan una mejor adaptabilidad, capacidad de tratamiento y su aprovechamiento 21.
En el análisis de correlación de palabras claves realizado en VOSviewer utilizando todos los artículos publicados, se encontraron 4 grandes grupos (Figura 2), en donde los ejes centrales son los lixiviados de relleno y las microalgas. El primer grupo se enfoca en el uso de microalgas para el tratamiento de lixiviados mediante la remoción de compuestos y la producción de biomasa (Verde), el segundo grupo relaciona la producción de biomasa y la obtención biocombustibles (Rojo), el tercer grupo demuestra el uso de microalgas como indicador de respuestas tóxicas, debido a los compuestos químicos presentes en los lixiviados y su uso para biorremediación (Azul), finalmente se presenta un grupo más pequeño relacionado con la obtención de bioproductos (amarillo), lo que demuestra que la valorización de la biomasa aún se encuentra en desarrollo.
Se registraron un total de 1135 palabras, entre palabras clave de autor y palabras clave indexadas, de las cuales 79 aparecieron más de 5 veces. Las palabras clave con mayor incidencia fueron: “landfill leachate” (n=63), seguida de “microalgae” (n=49), “leachate treatment” (n=40), “biomass” (n=35) y “microorganisms” (n=33).
Posteriormente, se realizó un análisis de los resultados obtenidos en SCOPUS, en donde se encontró un total de 88 artículos comprendidos entre los años 1993 -2023 (Figura 3), lo que comparado con los resultados obtenidos para aguas residuales abarca solo un 1.76 %. Se aprecia que las publicaciones antes del año 2011 se limitan a 7 y después de este año se presenta una tendencia creciente, encontrando su pico en el año 2020 con 15 artículos, sin embargo, es importante resaltar que el año 2023 se encuentra aún vigente.
El primer estudio en el año 1993 está relacionado con el efecto tóxico de los lixiviados en las microalgas Chlorella pyrenoidosa, C. vulgaris, Scenedesmus sp. y Dunaliella tertiolecta47, al igual que los artículos encontrados para los años 1994,1996 y 1997, pues estiman el efecto tóxico de los lixiviados de rellenos sanitarios mediante el uso de un test que contenían microorganismos, entre los que se encontraban las microalgas 48-51. Esto demuestra que los primeros usos de las microalgas se enfocaron en identidicar la toxicidad de los lixiviados, sin considerarlos un recurso aprovechable.
Después de ello no se realizaron más estudios sino hasta el año 2007 en donde se comparó la tolerancia de microalgas aisladas de lixiviados y de agua limpia, a diferentes concentraciones de lixiviado (10 %, 30 %, 50 %, 80 %, 100 %), demostrando que en concentraciones de hasta el 10 % hubo crecimiento de microalgas y reducción de nitrógeno amoniacal, ortofosfatos y DQO y para porcentajes superiores al 10% se presentó una inhibición en el crecimiento, atribuido al alto nivel de amoniaco 52, siendo éste, el primer estudio encontrado que relaciona las remociones de los contaminantes con el uso de microalgas en lixiviados, llegando a ser el segundo artículo más citado (118 citas) de la búsqueda solo después de dos artículos de revisión.
La Tabla 2 muestra los 8 autores más relevantes con base en el número de publicaciones y se reporta el número de citas. El análisis resalta que este top de autores se divide en 3 grupos, pues sus publicaciones son colaboraciones. Demostrando que a la fecha los estudios se limitan a unos grupos de investigación específicos y comprenden los años 2016 al 2023.
Tabla 2 Top de autores búsqueda SCOPUS
| Agrupación según colaboraciones | Top | Autor | h-índex | Documentos | Afiliación | # citas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Chang, H. | 18 | 7 | Chongqing University of Technology, China | 245 |
| 2 | Zhong, N. | 25 | 6 | 244 | ||
| 3 | Quan, X. | 22 | 3 | Universidad de Cádiz, España | 187 | |
| 2 | 4 | Touzet, N. | 18 | 3 | Atlantic Technological University, Killybegs, Ireland | 114 |
| 5 | Paskuliakova, A. | 6 | 3 | |||
| 6 | Tonry, S. | 5 | 3 | |||
| 3 | 7 | Cantero, D. | 32 | 3 | Universidad de Cádiz, España | 23 |
| 8 | Ramírez, M. | 21 | 3 |
Los estudios realizados por el equipo de Chang et al. 15,53-55 se enfocan en el uso de microalgas como tratamiento para los lixiviados, la recuperación de nutrientes como nitrógeno y fósforo, y la bioconversión de nutrientes en lípidos, biohidrógeno y ácidos grasos volátiles (AGV). Touzet et al. 56-58 abarcan solamente la fitorremediación del lixiviado sin realizar búsqueda de metabolitos. Finalmente, los estudios realizados por Centero y Ramírez 59-61 se relacionan a la implementación de microalgas aisladas de lixiviados de rellenos sanitarios, sin contemplar inicialmente el uso de los lixiviados como medio de cultivo, sin embargo, para su último estudio lo implementan en un sistema de producción de biogás.
La Figura 4 muestra las instituciones vinculadas a procesos de investigación con microalgas y lixiviados, siendo en total 144 instituciones participantes. En este contexto se puede evidenciar que la institución principal es la Chongqing University of Technology encabezando la lista con 7 publicaciones, lo que se relaciona directamente con los resultados obtenidos para autores, puesto que los principales contribuyentes están vinculados a esta institución. Esta misma relación la guardan la Universidad de Cádiz y la Atlantic Technological University, siendo las afiliaciones más relevantes.
En total hay 18 áreas de estudio que han contribuido en investigaciones relacionadas con el cultivo de microalgas en lixiviados, tal como lo muestra la Figura 5, de las cuales las principales son: ciencias ambientales con 58 publicaciones, ingeniería química con 20, energía con 20, ingeniería con 19 y ciencias agrícolas y biológicas con 15 publicaciones. El hecho de que el área de ciencias ambientales abarque un 32.2 %, demuestra el enfoque que se le ha dado en los últimos años, pues aunque es un campo relativamente nuevo, las principales investigaciones abarcan aspectos del mejoramiento de la calidad del medio ambiente al implementar procesos de fitorremediación de un residuo altamente complejo aunque se encuentre a escala laboratorio o piloto 25.
Las principales investigaciones en el área de ciencias ambientales abarcan directamente el uso de microalgas como herramienta para el tratamiento de lixiviados 62,63. Por otra parte, se muestra el uso de microalgas como una adición sostenible de aprovechamiento de lixiviados 13,64 orientada a la obtención de energía 65, fijación de carbono 66 y obtención de metabolitos 67,68. En otros aspectos se exponen diferentes artículos de revisión y capítulos de libros en donde se muestra su prospección como tratamiento de lixiviados 69 y fuente de materia prima para biocombustibles 70.
De igual manera la influencia de las contribuciones por países se presenta en la Tabla 3, en donde se detallan los 10 países con mayor producción bibliográfica, siendo china quien ocupa el primer lugar con 21 documentos. Así mismo se expone el número de artículos enfocados solamente a tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios con microalgas y el número de aquellos que buscan aprovechar los lixiviados para la generación de metabolitos, los demás documentos no contemplados hacen referencias a capítulos de libros, revisiones bibliográficas, procesos de aislamiento o análisis de toxicidad.
Tabla 3 Países con mayores contribuciones
| País | Documentos | # citas | Año de inicio | Artículos relacionados a tratamiento | Artículos relacionados a Aprovechamiento |
|---|---|---|---|---|---|
| China | 21 | 609 | 2007 | 9 | 10 |
| Malasia | 9 | 234 | 2012 | 7 | 0 |
| EE. UU | 8 | 260 | 2014 | 4 | 3 |
| Brasil | 7 | 61 | 2014 | 4 | 3 |
| Italia | 6 | 187 | 2015 | 2 | 1 |
| España | 5 | 40 | 2020 | 2 | 0 |
| Turquía | 5 | 102 | 2017 | 3 | 1 |
| España | 4 | 10 | 2020 | 1 | 0 |
| Colombia | 4 | 19 | 2016 | 0 | 1 |
| India | 4 | 129 | 2016 | 3 | 0 |
Los estudios reportados en China presentan una mayor tendencia a la investigación relacionada con procesos de aprovechamiento, por otra parte, EE.UU. y Brasil se relacionan directamente con el tratamiento de aguas residuales, sin embargo, alrededor de la mitad de los artículos reportan procesos de aprovechamiento de lixiviados en simultaneo con la remediación de los mismo, por otro lado, el panorama cambia para los demás países, pues su principal enfoque es el tratamiento 71.
Los estudios reportados en Colombia abarcan temas de aislamiento de microalgas para implementarlas en un modelo matemático de captura de CO259 y de identificación de especies en un sistema de biorremediación de lixiviados a escala piloto asociado al relleno sanitario Presidente ubicado en el Valle del Cauca 72,73, no obstante, el proceso de biorremediación no se describe y no está reportado en un artículo indexado a la búsqueda. Finalmente, el último estudio reportado en Colombia abarca la producción de biogás en un sistema mixto mediante el uso de microalgas y lixiviados como medio de cultivo 61. Lo cual demuestra que el enfoque de aprovechamiento para los lixiviados con microalgas aún es un tema en desarrollo, a pesar de la importancia que se le da a este aspecto en los cultivos de microalgas con aguas residuales en general.
Análisis bibliográfico para uso de microalgas en lixiviados de rellenos sanitarios
Con base en los análisis realizados anteriormente y con el fin de apreciar mejor la relación entre microalgas y lixiviados, en la Tabla 4 se describen algunos de los artículos más citados en los últimos 10 años, sin tener en cuenta aquellos relacionados con test de toxicidad o artículos de revisión.
Tabla 4 Artículos relevantes en el uso de microalgas en lixiviados de rellenos sanitarios
| Microalga -cianobacteria | Citas | Condiciones de cultivo | Remociones | Producto de valor agregado | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Consorcio de microalgas (Desmodesmus spp. Y Scenedesmus obliquus) y bacterias | 112 | Mezcla de agua residual y lixiviado. Dilución del 0, 7%, 10%, y 15% de lixiviado en AR | 82% de NH4 + y 43% ortofosfatos | 20% lípidos, 41% carbohidratos. | 13 |
| Chlorella pyrenoidosa y bacterias | 109 | Mezcla de agua residual doméstica enriquecida con Lixiviado al 0, 5% 10 %, 15% y 20% (ideal 10%) | 90% nitrógeno total | 24.1 mg L -1 d -1 de lípidos | 66 |
| Chlorella vulgaris | 94 | En fotobiorreactor de membrana | - | Recuperación del 50% de N y 70% de P. 10 mg L -1 d -1 de lípidos para biocombustibles | 15 |
| Chlorella vulgaris, Scenedesmus quadricauda, Euglena gracilis, Ankistrodesmus convolutus y Chlorococcum oviforme | 64 | Lixiviado pretratado diluido hasta 50% | 91% DQO, 99.9% nitrógeno amoniacal y 86% ortofosfatos | 74 | |
| Scenedesmus sp. y una cepa bacteriana de Paenibacillus sp. | 62 | Lixiviado al 20% | Reducción de compuestos orgánicos, citotoxicidad y genotoxicidad | 22 | |
| 2 cepas de Chlamydomonas sp y 2 cepas de, Scenedesmus sp | 56 | Lixiviado crudo, del proceso y tratado. Dilución al 10% en agua desionizada | 51.7 % nitrógeno amoniacal | 56 | |
| Chlorella vulgaris | 38 | Lixiviado pretratado bajo 3 procesos diferentes | NH4 + y P | 46 | |
| Scenedesmus obliquus | 37 | Técnica integrada de ozonización y biorremediación | 81.6% de N | 54 | |
| Cultivo mixto microalgas- bacterias | 26 | Lixiviado diluido entre el 5% y 20% | Máxima de 9.18 mg N L -1 d -1. | 75 |
De los diferentes resultados se aprecia la implementación de cultivos mixtos con bacterias, lo que se atribuye a la habilidad de las microalgas para la eliminación de nutrientes y metales pesados, proporcionando O2, que es utilizado por las bacterias para degradar compuestos orgánicos 22. Otro factor importante es la relación N:P, para garantizar la estabilidad del proceso, pues las grandes cantidades de NH4 + pueden inhibir el crecimiento 46 al igual que las concentraciones por encima de los 80 mg N-NH3 L -1 (75 y la limitación de fósforo 55. Esto se evidencia en la necesidad de realizar pretratamientos al lixiviado o diluciones con el fin de disminuir el efecto inhibidor, en donde diversos estudios demuestran que la concentración más apropiada de dilución para el uso de lixiviados se encuentra en el 10 % 65 siendo Chlorella sp. la cepa más tolerante comparada con Scenedesmus sp. 76. Para cianobacterias los estudios son más limitados, reportando su uso junto con otros filos como Proteobacteria, Bacteroidetes y Chlorophyta como cátodos para la producción de energía y eliminación de nutrientes 77, entre otros.
Lo anterior demuestra que el principal enfoque que se le ha dado en los últimos años a las microalgas y cianobacterias es el tratamiento de los lixiviados, pues los estudios en aprovechamiento aún son limitados a pesar de obtener resultados prometedores. Esto hace que esta área sea de gran interés para su exploración, con el fin de cambiar el concepto actual que se tiene de los lixiviados como un residuo sin valor y transformarlo en un residuo altamente aprovechable, así mismo, identificar y estudiar más las condiciones de cultivo para el mejoramiento de este proceso es aún más prometedor.
Lixiviados y microalgas en Colombia
En Colombia la información referente a los lixiviados de rellenos sanitarios es limitada y su enfoque es la problemática ambiental que causan en los diferentes rellenos sanitarios, por lo cual los procesos relacionados con ellos se orientan hacia el tratamiento con el fin de mitigar los impactos ambientales. Diversas empresas han generado estrategias para su tratamiento, entre las que se destacan tratamientos físicos, fisicoquímicos y algunos procesos biológicos con consorcios de microorganismos, siendo el sistema de osmosis inversa el más implementado (Tabla 5) 78.
Tabla 5 Tipos de tratamiento de lixiviados en Colombia
| Nombre del vertedero | Ubicación | Descripción/detalle |
|---|---|---|
| Parque Ambiental La Pradera | Municipio de Don Matías, a 57 kilómetros de Medellín | Sistema de tratamiento de lixiviados que posee tres etapas: |
| - Tratamiento físico | ||
| - Tratamiento fisicoquímico | ||
| - Biorreactores con membrana | ||
| - MBR. | ||
| Planta de lixiviados del Carrasco | Bucaramanga | Plantas de membrana de separación |
| - Sistema de ósmosis inversa con vibración mecánica | ||
| - Sistema de ósmosis inversa con espirales estáticos | ||
| Relleno Sanitario Nuevo Mondoñedo | Bojacá | Sistema biológico |
| - Sistema de tratamiento de ósmosis y nano filtración | ||
| Relleno Sanitario Colombo El Guabal, | Yotoco, Valle del Cauca | - Sistema de tratamiento de ósmosis inversa |
| Relleno Sanitario Regional presidente | Buga | - Sistema de tratamiento de ósmosis inversa con sistema de vibración (VSEP) |
| Relleno Sanitario de Navarro | Santiago de Cali | - Pretratamiento fisicoquímico |
| - Sistema de tratamiento de ósmosis inversa | ||
| Parque Tecnológico Ambiental Guayabal | Cúcuta | Sistema de tratamiento de ósmosis inversa |
Nota: Adaptado de García, 2019 78
Sin embargo, los métodos expuestos son costosos y algunas veces ineficaces, como los reportados por Canizales et al. 79 para el relleno Doña Juana (Bogotá) con su sistema de tratamiento con humedales y para el relleno sanitario de Navarro (Cali). Por esta razón, diversas instituciones han guiado sus investigaciones a procesos de mejora en los tratamientos de estos residuos con el fin de brindar alternativas más eficientes. En este contexto, se desarrolló una investigación utilizando un sistema combinado de electrodisolución de hierro, oxidación de hierro por H2O2 y floculación química para lixiviados provenientes del relleno sanitario “El Carrasco” (Bucaramanga), obteniendo remociones del 85 %, 96 % y 76 % para DQO, color y turbidez respectivamente 80. En Medellín se estudiaron diferentes procesos fisicoquímicos, siendo la oxidación de Fenton la más prometedora, con remoción de hasta un 95 % y 97 % para DQO y color respectivamente 79, así como se evaluó la viabilidad de biorremediación con bacterias 81. En Valle del Cauca se evaluó el efecto de acumulación de Cd (II), Hg (II), Cr (VI) y Pb (II) de plantas (Gynerium sagittatum, Colocasia esculenta y Heliconia psittacorum) en humedales artificiales para el tratamiento de lixiviados provenientes del Relleno Sanitario Regional presidente 82.
En Norte de Santander son limitados los estudios realizados; sin embargo, en el año 2020 se evaluó un acople de un proceso de fotocatálisis con TiO2 y un sistema biológico aeróbico de lodos activos, proporcionando remociones del 68 % y 76 % para DQO y carbono orgánico disuelto 83. Todo lo anterior demuestra que el aprovechamiento de este residuo para producción de metabolitos y el uso de microalgas como sistema principal no se han contemplado aún. A nivel bibliográfico no se reportan estudios indexados relacionados con la implementación de microalgas en cultivos de lixiviado para su aprovechamiento. Sin embargo, en línea con el estudio reportado en Norte de Santander, se está desarrollando por parte del Laboratorio INNOValgae perteneciente a la Universidad Francisco de Paula Santander, sede Cúcuta, un proyecto que busca evaluar el acople de un sistema de fotocatálisis con cultivos de microalgas con el fin de valorizar los lixiviados de relleno sanitario orientado a la producción de metabolitos como bioplásticos, biofertilizantes para cultivos no alimentarios y colorantes.
4. Conclusiones
Los primeros estudios reportados para el uso de microalgas en lixiviados se enfocan en la implementación de microalgas en ensayos para determinar el grado de toxicidad de los lixiviados de rellenos sanitarios. A partir del año 2007 arrojó resultados prometedores en el uso de cultivos de microalgas en lixiviados, aunque el número de investigaciones son limitadas comparadas con las encontradas para otro tipo de aguas residuales, abarcando el 1.76%.
Aún se encuentran limitaciones en los cultivos a causa de la alta toxicidad de los lixiviados, por lo que se sugiere el uso de un pretratamiento que ajuste las concentraciones de los compuestos. Los principales estudios han sugerido el uso de lixiviados al 10% como medio de cultivo eficiente para el crecimiento de microalgas, la remoción de nutrientes y la producción de algunos metabolitos. Los estudios de microalgas en lixiviados se han orientado a procesos de biorremediación, siendo reducidas las investigaciones que promuevan el aprovechamiento de los lixiviados. No obstante, el análisis realizó demostró la capacidad de las microalgas de metabolizar nutrientes presentes en los lixiviados y aunque el principal enfoque ha sido la obtención de lípidos para biocombustible, se aprecia el potencial de las microalgas y cianobacterias en la recuperación de compuestos y en la transformación a productos de interés comercial. Demostrando un campo de acción amplio por explorar y una integración de los lixiviados al ciclo productivo.
En Colombia no se reportan procesos de aprovechamiento para la transformación de lixiviados en metabolitos de interés, el único avance reportado en los estudios indexados se relaciona con la obtención de biogás. Finalmente se expone la posibilidad de incursionar en el área de aprovechamiento de lixiviados mediante proyectos en ejecución por parte de la Universidad Francisco de Paula Santander, lo que sería un proceso innovador para el país y permitiría la integración de estrategias sostenibles con énfasis al uso de recursos en diversas áreas de la industria.
