Re-uso de efluentes industriales pesqueros para riego: rol y potencial biotecnológico de las comunidades bacterianas oxidadoras de amoníaco

Abstract

En las últimas décadas el problema de la escasez de agua dulce se ha intensificado a nivel global, agravándose por el cambio climático y el aumento de la demanda de este recurso para actividades humanas. Ante este escenario, resulta indispensable avanzar en el desarrollo de estrategias de reúso de aguas residuales que sean seguras y sostenibles. El reúso de efluentes pesqueros tratados para riego en zonas áridas representa una alternativa interesante que, a pesar de su potencial, ha sido escasamente evaluado. El objetivo general de la presente Tesis fue aportar conocimientos relevantes en relación con el reúso de efluentes pesqueros para riego, a través de la profundización del conocimiento de sus características fisicoquímicas y de la diversidad, actividad y abundancia de las comunidades microbianas procariotas, y de los grupos de bacterias y arqueas oxidadoras de amoníaco (AOB y AOA) presentes en los efluentes y en suelos áridos irrigados con los mismos. En una primera etapa, se caracterizó fisicoquímica y microbiológicamente el efluente tratado proveniente de una planta de lodos activados de una empresa pesquera de la ciudad de Puerto Madryn, durante una temporada de procesamiento de langostino. Algunas propiedades del efluente indicaron una inadecuada eficiencia del tratamiento (altos valores de grasas y aceites, NH4+-N, olor, Demanda Química de Oxígeno y recuentos de bacterias coliformes fecales), pudiendo mejorarse mediante ajustes en el sistema de tratamiento empleado. Sin embargo, la persistente salinidad, inherente a los efluentes de la industria pesquera y aumentada aún más por el uso de agua subterránea salobre, representa un desafío para el reúso directo en riego. La Conductividad Eléctrica (CE) de los efluentes varió entre 12,9 ± 0,15 y 15,22 ± 0,12 mS/cm, que de acuerdo a las directrices de la provincia de Chubut implica un grado de restricción severo para su uso en riego (CE >3 mS/cm). La comunidad procariota del tanque de aireación de la planta de lodos activados estuvo dominada por filos típicos de aguas residuales, aunque su composición varió con la calidad del efluente. Aun cuando la concentración de NH4+-N de los efluentes fue elevada (> 70 mg/l), la abundancia de AOB y AOA fue baja y los escasos taxones detectados correspondieron a bacterias del género Nitrosomonas y arqueas no clasificadas de la familia Nitrososphaeraceae, que están entre los oxidadores de amoníaco que presentan mayor tolerancia a la alta salinidad en sistemas de tratamiento de aguas residuales. Posteriormente, se evaluó el impacto del vertido de efluentes sobre el suelo y la vegetación en un sitio natural del Monte Patagónico. Para ello, se compararon suelos expuestos al vuelco con suelos cercanos no afectados (utilizados como sitio control). El vertido de efluentes se asoció al incremento significativo de la humedad, CE, y concentraciones de C inorgánico y NH4+-N del suelo, como también de la cobertura vegetal principalmente de especies halófitas. Los cambios en la estructura de la comunidad procariota del suelo entre ambos sitios estuvieron significativamente relacionados con dichas variables. Además, el vertido de efluentes promovió la proliferación de filos copiótrofos como Firmicutes y Bacteroidetes, y redujo la abundancia de filos oligótrofos como Acidobacteria, Chloroflexi y Nitrospirae. El vertido de efluentes pesqueros también se asoció con una reducción en la diversidad de la comunidad procariota como de los grupos oxidadores de amoníaco, y una mayor variabilidad en la estructura de la comunidad de AOB y AOA, que reflejó la heterogeneidad observada a nivel de la comunidad procariota total y de las propiedades fisicoquímicas del suelo. Los efectos del riego con efluentes pesqueros se evaluaron en microcosmos con suelo y mantillo vegetal, bajo condiciones controladas, que fueron regados (16 semanas) con dos diluciones de efluente pesquero tratado, cuyas CE fueron 2,7 y 6 mS/cm. También se incluyó un tratamiento control regado con agua destilada. Los resultados mostraron que, a mayor concentración y CE del efluente, más intensos fueron los aumentos en la CE, Relación de Adsorción de Sodio (sodicidad), contenido de NH4+-N, actividad deshidrogenasa y tasa de nitrificación neta del suelo, junto con una disminución significativa en la diversidad procariota. El riego con efluentes nuevamente promovió la proliferación de filos copiótrofos como Proteobacteria y Bacteroidetes, y redujo la abundancia de grupos oligótrofos como Acidobacteria. En cuanto a los oxidadores de amoníaco, el riego con efluente de alta salinidad provocó un incremento de AOB, y de un OTU tolerante al estrés salino y a altas concentraciones de amonio relacionado con Nitrosospira briensis (AOB). También a partir de estos suelos, se logró cultivar un consorcio bacteriano con alta eficiencia de oxidación de amonio integrado por AOB del género Nitrosomonas y por otros microorganismos heterótrofos. En conjunto los resultados obtenidos en esta Tesis contribuyen con información clave para evaluar el reúso para riego de efluentes pesqueros en zonas áridas, y demuestran que, si bien este reúso puede inducir cambios importantes en las comunidades microbianas del suelo, también ofrece oportunidades para su aprovechamiento controlado, por ejemplo, en cultivos halófitos o sistemas hidropónicos. La comprensión del impacto ecológico y funcional del riego con efluentes resulta indispensable para diseñar prácticas sostenibles en regiones con recursos hídricos limitados.

Over the past decades, the global problem of freshwater scarcity has intensified—exacerbated by climate change and the growing demand for this resource in human activities. In this context, advancing the development of wastewater reuse strategies that are both safe and sustainable is indispensable. Reusing treated fishery effluents for irrigation in arid regions represents an interesting alternative which, despite its potential, remains scarcely evaluated. The objective of the present Thesis was to provide relevant knowledge regarding the irrigation reuse of fishery effluents, by deepening the understanding of their physicochemical properties and of the diversity, activity, and abundance of prokaryotic microbial communities—as well as of the ammonia‑oxidizing bacteria and archaea (AOB and AOA) groups—present in both the effluents and the arid soils irrigated with them. In an initial phase, the treated effluent from an activated‑sludge plant operated by a seafood processing company in Puerto Madryn was characterized both physicochemically and microbiologically during a shrimp‑processing season. Certain effluent properties indicated suboptimal treatment efficiency—high levels of fats and oils, NH₄⁺‑N, odor, chemical oxygen demand (COD), and fecal coliform counts—which could be ameliorated by tuning the treatment system. However, the persisting salinity—intrinsic to fishery effluents and further elevated by the use of brackish groundwater—poses a challenge for direct irrigation reuse. Electrical conductivity (EC) of the effluent ranged from 12.9 ± 0.15 to 15.22 ± 0.12 mS/cm, which, according to the Chubut provincial guidelines, implies a severe restriction for irrigation use (EC > 3 mS/cm). The prokaryotic community in the aeration tank of the activated‑sludge plant was dominated by wastewater‑typical phyla, though its composition varied with effluent quality. Even though NH₄⁺‑N concentrations were elevated (> 70 mg/L), AOB and AOA abundances were low; the few taxa detected belonged to the genus Nitrosomonas and to unclassified archaea of the family Nitrososphaeraceae—among the ammonia oxidizers most tolerant to high salinity in wastewater treatment systems. Subsequently, the impact of effluent discharge on soil and vegetation was evaluated at a natural site in the Patagonian Monte. Soils directly exposed to effluent discharge were compared with nearby unaffected soils (used as a control site). Effluent discharge was associated with significant increases in soil moisture, EC, inorganic carbon, and NH₄⁺‑N levels, as well as in plant cover—mainly by halophytic species. Changes in the soil’s prokaryotic community structure between the two sites were significantly associated with these soil variables. Effluent discharges also promoted proliferation of copiotrophic phyla such as Firmicutes and Bacteroidetes, while reducing oligotrophic phyla like Acidobacteria, Chloroflexi, and Nitrospirae. Fishery effluent discharge was linked to decreases in both overall prokaryotic diversity and the diversity of AOB and AOA groups, and to greater variability in AOB and AOA community structure—reflecting the heterogeneity observed in the total prokaryotic community and in soil physicochemical properties. The effects of irrigation with fishery effluents were tested in soil–litter microcosms under controlled conditions, which were irrigated over 16 weeks with two dilutions of treated fishery effluent (EC 2.7 and 6 mS/cm). A control treatment using distilled water was also included. Results showed that higher effluent concentration and EC led to stronger increases in soil EC, sodium adsorption ratio (sodicity), NH₄⁺‑N content, dehydrogenase activity, and net nitrification rate, while significantly decreasing prokaryotic diversity. Effluent irrigation again enhanced copiotrophic phyla (Proteobacteria and Bacteroidetes) and reduced oligotrophic groups (Acidobacteria). Regarding ammonia oxidizers, irrigation with high‑salinity effluent increased AOB and favored an OTU tolerant of saline stress and high ammonium levels, related to Nitrosospira briensis (AOB). In addition, a bacterial consortium with high ammonium oxidation efficiency was successfully isolated from these soils, comprising AOB of the genus Nitrosomonas along with other heterotrophic microorganisms. Taken together, the findings of this Thesis provide key insights for evaluating the reuse of fishery effluents for irrigation in arid regions. They demonstrate that, while such reuse may induce significant shifts in soil microbial communities, it also offers opportunities for controlled application—such as in halophyte cultivation or hydroponic systems. Understanding the ecological and functional impact of effluent irrigation is essential for designing sustainable practices in water‑limited regions.