Biodegradación anaeróbica del residuo de la producción de cebolla del valle bonaerense del río Colorado

Abstract

En el sur de la provincia de Buenos Aires se encuentra el Valle Bonaerense del Río Colorado (VBRC). Esta región es la principal productora de cebolla en el país. En el área se descartan anualmente entre 12.000 y 20.000 toneladas de cebollas por problemas de calidad y sanidad. Estos residuos suelen ser abandonados en el lugar de producción, trasladados a rellenos sanitarios o incorporados en terrenos cercanos a las plantas de empaque, convirtiéndose en una fuente de contaminación. La biometanización es la degradación anaeróbica de la materia orgánica a biogás (70 % metano y 30 % dióxido de carbono) por un consorcio de arqueas metanogénicas y bacterias facultativas y anaeróbicas que actúan en forma secuencial y sinérgica. La producción de biogás a partir del residuo de la producción de cebolla podría resolver el grave problema medioambiental que causa actualmente. Sin embargo, el residuo de cebolla no es un sustrato convencional para la biometanización, sumado a ello, este residuo presenta características que pueden influenciar negativamente su degradación anaeróbica. Una alteración de la interacción entre las comunidades procarióticas involucradas en la degradación anaeróbica tiene como resultado una producción de biogás reducida, pudiendo provocar la interrupción del proceso. Ante la falta de información específica, en esta Tesis se decidió abordar simultáneamente los estudios de la microbiota nativa y de la factibilidad de la biometanización del residuo. Se recolectaron muestras de residuo de cebolla de diferentes localidades y en distinto estado de degradación y se aislaron bacterias nativas. Se desarrolló un medio de cultivo, a partir de los nutrientes de la cebolla, con el que se caracterizaron los aislamientos. Las cepas con mejor performance en la degradación aeróbica de las hojas internas de la cebolla se identificaron filogenéticamente, destacándose Bacillus subtilis subsp. subtilis MB2-62 y Pseudomonas poae VE-74. Además se obtuvieron cultivos mixtos con actividad hidrolítica en anaerobiosis y se seleccionaron aquellos con alta capacidad de degradar la catáfila externa. Posteriormente, fueron aisladas e identificadas las bacterias integrantes de los cultivos degradadores. Todas las cepas pertenecieron al phylum Firmicutes, entre ellas, Desulfotomaculum guttoideum fue la especie más frecuente en la degradación anaeróbica de cebolla. Se realizaron distintos experimentos que permitieron determinar que las condiciones más adecuadas para optimizar la biodegradación anaeróbica del residuo de cebolla fueron incorporar urea e inocular con barros de anteriores digestiones. También se detectó que el residuo de cebolla contiene todos los grupos funcionales necesarios para la etapa hidrolítica-acetogénica de la biometanización. Sin embargo, para lograr la producción de metano, es necesario incorporar en el reactor otro sustrato que aporte arqueas metanogénicas. En conclusión, a partir de los estudios realizados en esta Tesis, fue posible determinar las condiciones para emplear el residuo de la producción de cebolla del VBRC como sustrato en la biometanización. Estas condiciones son incorporarlo en el biorreactor en partes iguales con barro activado a partir de estiércol vacuno en condiciones mesofílicas. En consecuencia, se logró establecer una alternativa de reutilización viable para estos residuos.

Colorado River Bonaerense Valley (VBRC) is located in south Buenos Aires province and is the major onion producing region of Argentina. The production of onion in this region generates annually 12,000 to 20,000 tons of discarded onion bulbs on account of their shape, size or sanitary conditions. Generally, this waste is thrown away in fields nearby packhouses, disposed in landfills or left in growing areas, turning into a contamination source. Biomethanation is the anaerobic degradation of organic matter to biogas (70 % methane and 30 % carbon dioxide) by a consortium of facultative anaerobic and strictly anaerobic bacteria and methanogenic archaea that work sequentially and synergistically. Biogas production from onion waste could be a valuable alternative in order to solve the environmental problem it causes today. However, onion waste is an unconventional substrate for biogas production. In addition, it has characteristics that may negatively influence the anaerobic degradation. If the interaction between the prokaryotic communities involved in the anaerobic degradation is disrupted, biogas production decreases and the digestion process could be interrupted. To our knowledge, there is no specific information available about de anaerobic digestion of this type of onion waste. As a consequence, this thesis addresses simultaneously studies about the native microbiota and the feasibility of onion waste to be used as a substrate for biomethanation. We isolated bacterial strains from onion waste in different degradation stages and from different localities. In order to characterize the isolates we developed a culture medium prepared with onion juice as the main source of nutrients. The most remarkable strains in the aerobic degradation of onion inner fleshy leaves were identified by 16S rRNA gene sequencing and Bacillus subtilis subsp. subtilis MB2-62 and Pseudomonas poae VE-74 were the most outstanding. In addition, mixed-cultures with anaerobic hydrolytic activity were also obtained from onion waste. We selected those with high efficiency to anaerobically degrade onion outer leaves. Then, we isolated and identified the members of each culture. All the strains belonged to phylum Firmicutes, among them, Desulfotomaculum guttoideum was frequently detected. Several experiments allowed us to determine the most appropriate conditions for onion waste anaerobic biodegradation, namely, addition of urea and inoculation with sludge from previous digestions. It was also detected that onion waste contains all the functional groups needed for the hydrolytic-acetogenic stage of biomethanation. However, in order to produce methane it is necessary to load other substrate in the reactor as source of methanogenic archaea. In conclusion, based on the studies performed in this thesis, it was possible to determine the conditions for using the onion waste of VBRC as substrate for biomethanation. These conditions are loading the reactor with the same ratio of onion waste and activated sludge from manure in mesophilic conditions. Consequently, a possible alternative for onion waste reutilization was established.