POR:

Lorena Gómez OrtizLaura Velásquez MiraJonathan Pulgarin LeónAlejandra Ospina GómezSebastián Cisneros Álvarez

Un reductor es una sustancia capaz de ceder electrones a otras que se reducen al aceptarlos, mientras que él sufre un proceso de oxidación.

Un oxidante es una sustancia capaz de aceptar los electrones de otras , sufriendo un proceso de reducción.

Una sustancia puede servir como donador o aceptor de electrones, esta tendencia es expresada como el potencial de reducción.

Semireacción E0, V

6CO2 + 24H+ + 24e- = C6H12O6 + 6H2O -0.43

2H+ + 2e- =H2 -0.41

CO2 + 6H+ + 6e- =CH3OH + H2O -0.38

NAD+ + 2H+ + 2e- = NADH + H+ -0.32

CO2(g) + 8H+ +8e- = CH4 (g) +2H2O -0.25

S (s) + 2H+ + 2e- = H2S (g) -0.24

NO3- + 10H+ + 8e- =NH4+ + 3H2O 0.36

NO3- + 2H+ + 2e- = NO2

- + H2O 0.42

2NO3- + 12H+ + 10e- = N2 + 6H2O 0.74

O2 (g) + 4H+ + 4e- = 2H2O 0.82

La suma de los procesos de oxidación y reducción, se conoce como reacción REDOX.

Los procesos de oxidación y reducción deben producirse en forma simultánea y no pueden funcionar de un modo independiente.

El potencial de reducción está relacionado directamente con la energía libre de Gibbs mediante la expresión:

Por lo tanto:

ΔG

ξ La reacción es:

- + Espontánea

+ - No Espontánea

0 0 En Equilibrio

Los microorganismos obtienen su energía de crecimiento y mantenimiento por medio de reacciones de oxidación-reducción.

Generalmente se considera al donante de electrones como el sustrato alimenticio de los organismos.

Establecimiento de la reacción de oxidación de la glucosa con nitrato.

La semireacción de oxidación de la glucosa escrita sobre la base de un equivalente de electrón es:

(1/24) C6H12O6 + (1/4) H2O → (1/4) CO2 + H+ + e-

(ξ0= 0.43 V)

La semireacción de reducción del nitrato, también escrita sobre la base de un equivalente de electrón es:

(1/5) NO3- + (6/5) H+ + e- → (1/10) N2 + (3/5) H2O

(ξ0= 0.74 V)

Semireacción E0, V

6CO2 + 24H+ + 24e- = C6H12O6 + 6H2O -0.43

2H+ + 2e- =H2 -0.41

CO2 + 6H+ + 6e- =CH3OH + H2O -0.38

NAD+ + 2H+ + 2e- = NADH + H+ -0.32

CO2(g) + 8H+ +8e- = CH4 (g) +2H2O -0.25

S (s) + 2H+ + 2e- = H2S (g) -0.24

NO3- + 10H+ + 8e- =NH4+ + 3H2O 0.36

NO3- + 2H+ + 2e- = NO2

- + H2O 0.42

2NO3- + 12H+ + 10e- = N2 + 6H2O 0.74

O2 (g) + 4H+ + 4e- = 2H2O 0.82

Sumando las semireacciones, se obtiene la reacción global equilibrada, en la que no hay presentes electrones libres.

La energía ganada a partir de una molécula de glucosa varía ampliamente en función del aceptor de electrones.

Energía Libre (kJ/mol glucosa)

Oxidación AerobiaC6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O

-2880

Desnitrificación5C6H12O6 + 24NO3

- + 24H+ → 30CO2 + 42H2O + 12N2

-2720

Reducción del Sulfato2C6H12O6 + 6SO4

2- + 9H+ → 12CO2 + 12H2O + 3H2S + 3HS-

-492

MetanogénesisC6H12O6 → 3CO2 + 3CH4

-428

Fermentación de EtanolC6H12O6 → 2CO2 + 2CH3CH2OH -244

Un agua residual industrial contiene 100 mM de Alanina. Si todo fuera transformado en energía durante la fermentación de metano a pH neutro:a)¿cuál sería la composición del gas producido?b)¿cuál sería la concentración de amonio y bicarbonato en la solución?

ΔG0 kJ/e- eq

Semireacción deReducción

(1/8) CO2 + H+ + e- → (1/8) CH4 + (1/4) H2O

23.53

Semireacción de Oxidación

(1/12) CH3CHNH2COOH + (5/12)H2O → (1/6)CO2 + (1/12)NH4

+ + (1/12)HCO3- +H+ + e- -31.37

Reacción(1/12) CH3CHNH2COOH + (1/6) H2O →

(1/8) CH4 + (1/24) CO2 + (1/12)NH4+ +

(1/12)HCO3-

-7.84

a) Según la reacción el gas producido contiene tanto Dióxido de Carbono como Metano , siendo la composición molar del Metano tres veces mayor que la del dióxido de carbono.

Es decir 75% CH4 y 25% CO2.

b) Puesto que la reacción establece que se producen 1/12 moles de NH4

+ y HCO3- por cada 1/12 moles de

Alanina empleada.

100 mM de Alanina producirán 100 mM de Nitrógeno Amónico y Bicarbonato.

Es decir 1400 mg de Nitrógeno Amónico/l y 5000 mg de Bicarbonato/l.

Donante de Electrones

Donante de Electrones

Células Activas

Bacterianas

Células Activas

Bacterianas

Productos Finales de Reacción

Productos Finales de Reacción

Residuo CelularResiduo Celular

fsº

feº

Producción de Energía

Síntesis Celular

En estos casos el rendimiento neto siempre es inferior al real, debido a que algunos de los electrones originalmente presentes en el sustrato tienen que ser consumidos para obtener energía o para mantenimiento.

Al considerar el rendimiento neto, la proporción de electrones utilizada para síntesis es fs en lugar de fs

º y la porción de generación de energía es fe en lugar de fe

º.

fsº + fe

º = 1

fs + fe = 1

R= feRe + fsRs

Re = Ra- Rd

Rs = Rc- Rd

R: Reacción Global de Crecimiento Biológico.Re: Reacción de Energía.Rs: Reacción de Síntesis.-Rd: Semireacción (Oxidación) del Donante.Ra: Semireacción (Reducción) del Aceptor.Rc: Semireacción de la Célula.

Ecuaciones de Síntesis de Células (Rc) Semireacción

Amonio como Fuente de Nitrógeno

(1/5)CO2 +(1/20)HCO3- + (1/20)NH4

+ + H+ + e- → (1/20)C5H7O2N + (9/20)H2O

Nitrato como Fuente de Nitrógeno

(1/28)NO3- + (5/28)CO2 + (29/28)H+ + e- →

(1/28)C5H7O2N + (11/28)H2O

Nitrito como Fuente de Nitrógeno

(5/26)CO2 + (1/26)NO2- + (27/26)H+ + e- →

(1/26)C5H7O2N + (10/26)H2O

Nitrógeno Elemental como fuente de Nitrógeno

(5/23)CO2 + (1/46)N2 + H+ + e- → (1/23)C5H7O2N + (8/23)H2O

El Amonio es la fuente de Nitrógeno preferida. Si no está disponible, los microorganismos pueden llegar a utilizar otras de las fuentes de nitrógeno relacionadas en la tabla.

Suponer que se dispone de benzoato como donante de electrones, de nitrato como aceptor de electrones y de amonio como fuente de nitrógeno. En base a rendimiento neto, el 40% de los equivalentes de electrón en el benzoato se utilizan para la síntesis, mientras que el 60% se emplea para obtener energía.

Desarrollando la Reacción de Energía:

Ra (1/5) NO3- + (6/5)H+ + e- → (1/10)N2 + (3/5)H2O

-Rd (1/30)C6H5COO - + (13/30)H2O → (1/5)CO2 + (1/30)HCO3

- + H+ + e-

Re (1/30)C6H5COO - + (1/5) NO3- + (1/5)H+ →

(1/5)CO2 + (1/10)N2 + (1/30)HCO3- + (1/6)H2O

Desarrollando la Reacción de Síntesis:

Rc (1/5)CO2 +(1/20)HCO3- + (1/20)NH4

+ + H+ + e- → (1/20)C5H7O2N + (9/20)H2O

-Rd (1/30)C6H5COO - + (13/30)H2O → (1/5)CO2 + (1/30)HCO3

- + H+ + e-

Rs (1/30)C6H5COO - + (1/20)NH4+ + (1/60)HCO3

- → (1/20)C5H7O2N + (1/60)H2O

Desarrollando la Reacción Global (previamente multiplicando Rs y Re por fs=0.40 y fe =0.60 respectivamente):

fe Re 0.02 C6H5COO - + 0.12 NO3- + 0.12 H+ →

0.12 CO2 + 0.06 N2 + 0.02 HCO3- + 0.1 H2O

fsRs 0.0133 C6H5COO - + 0.02 NH4+ + 0.0067 HCO3

- → 0.02 C5H7O2N + 0.0067 H2O

R 0.0333 C6H5COO - + 0.12 NO3- + 0.02 NH4

+ + 0.12 H+ →0.02 C5H7O2N + 0.06 N2 + 0.12 CO2 + 0.0133 HCO3

- + 0.0167 H2O

Establecer una ecuación global para crecimiento bacteriano como benzoato como donante de electrones, mientras que NO3- es el aceptor de electrones y la fuente de nitrógeno. Suponer fs= 0.4.

Desarrollando la Reacción de Energía:

Ra (1/5) NO3- + (6/5)H+ + e- → (1/10)N2 + (3/5)H2O

-Rd (1/30)C6H5COO - + (13/30)H2O → (1/5)CO2 + (1/30)HCO3

- + H+ + e-

Re (1/30)C6H5COO - + (1/5) NO3- + (1/5)H+ →

(1/5)CO2 + (1/10)N2 + (1/30)HCO3- + (1/6)H2O

Desarrollando la Reacción de Síntesis:

Rc (1/28)NO3- + (5/28)CO2 + (29/28)H+ + e- →

(1/28)C5H7O2N + (11/28)H2O

-Rd (1/30)C6H5COO - + (13/30)H2O → (1/5)CO2 + (1/30)HCO3

- + H+ + e-

Rs (1/28)NO3- + (1/30)C6H5COO - + (1/28)H+ + (17/420)H2O →

(1/28)C5H7O2N + (3/140)CO2 + (1/30)HCO3-

Desarrollando la Reacción Global (previamente multiplicando Rs y Re por fs= 0.4 y fe = 0.6 respectivamente):

fe Re 0.02 C6H5COO - + 0.12 NO3- + 0.12 H+ →

0.12 CO2 + 0.06 N2 + 0.02 HCO3- + 0.1 H2O

fsRs 0.014 NO3- + 0.013 C6H5COO - + 0.014 H+ + 0.016 H2O →

0.014 C5H7O2N + 0.009 CO2 + 0.013 HCO3-

R 0.033 C6H5COO - + 0.134 NO3- + 0.134 H+ →

0.014 C5H7O2N + 0.129 CO2 + 0.06 N2 + 0.033 HCO3- + 0.084

H2O

Comparar:

R (NH4

+)0.033 C6H5COO - + 0.12 NO3

- + 0.02 NH4+ + 0.12 H+ →

0.02C5H7O2N + 0.06N2 + 0.12CO2 + 0.0133HCO3- +

0.0167H2O

R (NO3

-)0.033 C6H5COO - + 0.134 NO3

- + 0.134 H+ → 0.014C5H7O2N + 0.129CO2 + 0.06 N2 + 0.033 HCO3

- + 0.084 H2O

R= feRe + fsRs

R= fe(Ra- Rd)+ fs(Rc- Rd)

fs + fe = 1 y Rd (fs + fe) = Rd

R= feRa+ fsRc - Rd

Basada en el análisis de su contenido en carbono orgánico, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, la fórmula empírica representativa C8H17O3N fue desarrollada para materia orgánica en un agua residual industrial y del mismo análisis se estableció que la concentración de materia orgánica era 23000 mg/l. Para un flujo de agua residual de 150 m3/d, se pide calcular la producción diaria de metano en m3 a 35ºC y 1 atm, y el porcentaje de metano en el gas producido si el residuo se tratase anaerobiamente por fermentación de metano. Supóngase que fs es 0.08, que el proceso tiene un rendimiento del 95% en eliminación de materia orgánica y que todos los gases formados evolucionan a fase gaseosa.

Primero hay que desarrollar la semireacción para el agua residual. Aplicando la siguiente ecuación y la formula empírica C8H17O3N se obtiene Rd:

En este caso:n =8a =17b = 3c = 1d = 4n +a – 2b - 3c = 40

Cantidad de materia orgánica eliminada por día = 0.95 (23 kg/m3) (150 m3/d)= 3277 kg/d.

feRa 0.115 CO2 + 0.92 H+ + 0.92 e- → 0.115 CH4 + 0.45 H2O

fsRc 0.016 CO2 + 0.04 NH4+ + 0.004 HCO3

- + 0.08 e- → 0.004 C5H7O2N + 0.036 H2O

-Rd 0.025 C8H17O3N + 0.35 H2O → 0.175 CO2 + 0.025 NH4

+ + 0.025 HCO3- + H+ + e-

R 0.025 C8H17O3N + 0.084 H2O → 0.004 C5H7O2N + 0.115CH4 + 0.044 CO2 + 0.021NH4

+ + 0.021HCO3

-

El peso molecular de C8H17O3N es 175 g/mol y el peso equivalente es (175 g/mol)(0.025 mol), o 4.375 g. La fermentación de metano de un equivalente de materia orgánica produce 0.115 moles de metano y 0.044 de dióxido de carbono.

Metabolismo y producción de EnergíaMetabolismo y producción de Energía

Las enzimas aceleran la reacción, pero no aumentan la energía liberada.

• El papel de las enzimas es disminuir la energía de activación de una reacción, son catalizadores biológicos.

Acetil Co-A

Enlaces de hidrógeno o disulfuro se rompen: altas temperaturas, desbalance en el pH, desechos tóxicos, agentes oxidantes, metales pesados.

• La energía de enlace de los átomos de hidrógeno oscilan entre 3 y 7 Kcal/mol siendo 5 Kcal/mol el valor común en sistemas biológicos.

Proceso mediante el cual la energía es repartida entre catabolismo y el anabolismo.

ATP + H2O ADP + H3PO4

ΔGO = -32 KJ/eq

COFACTORESMetal cofactor

Enzima o función

Co Transcarboxilasa, vitamina B12

Cu Citocromo, proteínas involucradas en la respiración, algunas dismutasas superóxido

Fe Catalasas, oxigenasas, citocromos, oxigenasas, nitrogenasas, perixidadasas

Mn Fotosíntesis oxigénica, algunas dismutasas peróxido

Mo Nitrato reductasa, formiato deshidrogenasas, oxotransferrasas, molibdeno, transferrasa

Ni Monóxido de carbono deshidrogenasa, coenzima F430 de metanógenos, ureasa

Se Algunas hidrogenasas, formiato deshidrogenasa

V Vanadio nitrogenasa, algunas peroxidasas

W Oxotransferrasas de hipertermófilos, algunas formiato deshidrogenasas

Zn RNA y DNA polimerasa, anhidrasa carbónica, alcohol deshidrogenasa

COENZIMAS

OTROS EJEMPLOS DE ENZIMAS

La comprensión de los principios fundamentales que rigen el crecimiento de los microorganismos es de gran importancia a la hora de controlar el medio ambiente en que se desarrolla el tratamiento biológico del agua residual.

Los organismos de mayor importancia en el tratamiento biológico son las bacterias.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

Las bacterias se pueden reproducir por fisión binaria, sexualmente o por gemación.

Generalmente es por fisión binaria:

Tiempo de generación

- Tiempo necesario para cada división.- Medida hipotética: las bacterias no se dividen infinitamente.

Crecimiento en términos de número de bacterias

Para un cultivo discontinuo: Se inocula un pequeño número de organismos en un volumen determinado de un medio de cultivo y se registra el número de organismos viables en función del tiempo. El modelo consta de las siguientes cuatro fases:

1. Fase de retardo: Después de la adición de un inoculo a un medio de cultivo, el tiempo necesario para que los organismos se aclimaten a las nuevas condiciones ambientales y comiencen a dividirse.

2. Fase de crecimiento exponencial: La célula se divide a una velocidad determinada por su tiempo de generación y su capacidad de procesar alimento.

3. Fase estacionaria: La población permanece constante, las posibles razones son:- Las células han agotado el substrato o los nutrientes necesarios para el crecimiento.- La generación de células nuevas se compensa con la muerte de células viejas.

4. Fase de muerte exponencial: La tasa de mortalidad de bacterias excede la de generación de células nuevas. Esta suele ser función de la población viable y de las características ambientales.

Crecimiento en términos de masa de bacterias

Se estudia la variación de la masa de microorganismos con el tiempo. Se pueden distinguir cuatro fases.

1. Fase de retardo: Fase de ambientación. Es más corta que la fase de retardo de acuerdo al número de bacterias La masa de bacterias aumenta antes que se dé la división celular.

2. Fase de crecimiento exponencial: Siempre existe un exceso de alimento alrededor del microorganismo. La tasa de metabolismo y crecimiento solo es función de la capacidad de los microorganismos de procesar el substrato.

3. Fase de crecimiento decreciente: La tasa de crecimiento disminuye por la limitada disponibilidad de alimento.

4. Fase endógena: Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición del mismo, ya que la concentración de alimento disponible se encuentra al mínimo. Se puede presentar lisis.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS MIXTOS

Los procesos de tratamiento biológico están compuestos por complejas poblaciones biológicas mezcladas e interrelacionadas.

Cada microorganismo tiene su curva de crecimiento que depende de: condiciones ambientales, disponibilidad de alimento y nutrientes, y del carácter aerobio o anaerobio del sistema.

Se debe pensar en un ECOSISTEMA o COMUNIDAD.

Su manejo permite controlar las características del medio ambiente necesario para el crecimiento celular.

Para que los organismos crezcan, se requiere que permanezcan un tiempo suficiente en el sistema para que se reproduzcan Tasa de crecimiento Velocidad a la que metabolizan.

CRECIMIENTO CELULAR

(1) rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/volumen unitario -1

μ = tasa de crecimiento específico, tiempo -1

X = concentración de microorganismos, masa/volumen unitario.

Esto es válido para sistemas de cultivo continuo o discontinuo.

(2) Para cultivos de alimentación discontinua.

Xrg

Xdt

dX

CRECIMIENTO CON LIMITACIÓN DE SUBSTRATO

Si en cultivos de alimentación discontinua se presentan cantidades limitadas de un substrato o nutrientes, este se agotará primero y se detendrá el crecimiento.

En un cultivo continuo, el anterior hecho tiene el efecto de limitar el crecimiento. (3) μm = máxima tasa de crecimiento específico, tiempo -1 S = concentración de substrato

limitante del crecimiento, masa/ unidad volumen.

Ks = constante de velocidad mitad, concentración de

sustrato a la mitad de la máx tasa de crecimiento, masa/volumen unitario.

SK

S

Sm

Si se sustituye en (1) el valor de la ecuación (3) se tiene:

(4)

Efectos de un nutriente limitante sobre la velocidad específica de crecimiento.

SK

XSr

S

mg

CRECIMIENTO CELULAR Y UTILIZACIÓN DEL SUBSTRATO

En los sistemas de cultivo de alimentación continua y discontinua, una parte del substrato se transforma en células nuevas, y otra parte se oxida y forma productos finales orgánicos e inorgánicos.

Se ha observado que la cantidad de células nuevas producidas es la misma para un substrato dado.

(5) Y = coeficiente de producción máx. medido durante cualquier periodo finito de la fase de crecimiento exponencial, definido como la relación entre la masa de células formadas y la masa substrato consumido, masa/masa.

rSu= tasa de utilización del substrato,

masa/volumen tiempo.

Sug Yrr

Según ensayos, la producción depende de:-El estado de oxidación de la fuente de carbono y de los nutrientes.- El grado de polimerización del substrato.- De las vías de metabolismo.- De la tasa de crecimiento.- Parámetros físicos del cultivo

Si se sustituye en (5) el valor rg de (4), se obtiene:

(6)

El término μm/Y se sustituye por el término k: tasa máxima de utilización del substrato por unidad de masa de microorganismos, así se tiene:

(7)

SKY

XSr

S

mSu

SK

kXSr

SSu

EFECTO DEL METABOLISMO ENDÓGENO

La distribución de edades de las células es tal que no todas las células en el sistema están en la fase de crecimiento exponencial.

Se presenta muerte y depredación dentro de los sistemas bacterianos utilizados en el tratamiento biológico del agua residual.

Todo lo anterior se engloba en la descomposición endógena rd.

(8) kd = coeficiente de descomposición endógena, tiempo -1

Xkr dd

Cuando (8) se combina con (4) y (5), se obtiene:

(9)

(10)

r’g: tasa neta de crecimiento bacteriano, masa/unidad de volumen.

(11) μ’= tasa neta de crecimiento específico, tiempo -1

XkYrr

XkSK

XSr

dSug

dS

mg

dS

m kSK

S

Los efectos de la respiración endógena sobre la producción neta de bacterias se tienen en cuenta al definir una producción observada de la siguiente manera:

(12)Su

gobs r

rY

EFECTO DE LA TEMPERATURA

Influye en las constantes de velocidad de las reacciones biológicas, actividades metabólicas, velocidad de transferencia de gases y sobre las características de sedimentación de sólidos biológicos.

Para la velocidad de reacción rT de un proceso biológico se tiene:

(13)

r20 = velocidad de reacción a T ˚C. Θ = coeficiente de actividad- temperatura. T = temperatura, en ˚C.

2020

TT rr

Coeficientes de temperatura-actividad para diversos procesos biológicos de tratamiento.

Valor de θ Proceso Intervalo Valor típico

Fangos activados 1,00-1,08 1,04

Lagunas aireadas 1,04-1,10 1,08

Filtros percoladores 1,02-1,08 1,035

OTRAS EXPRESIONES CINÉTICAS

Todas las ecuaciones desarrolladas para describir el crecimiento de los microorganismos y la eliminación de substrato son expresiones empíricas.

El factor fundamental en la aplicación de una expresión cinética es el análisis de un balance de masas.

No es recomendable generalizar expresiones específicas.

(14) (16)

(15) (17)

krSu

kSrSu

kXSrSu

0S

SkXrSu

Los microorganismos llevan a cabo reacciones redox para obtener energía para el crecimiento y mantenimiento celular.

La proporción de crecimiento que resulta de un equivalente del donante varía, ya que la cantidad de energía liberada por equivalente de electrón de un donante de electrones oxidado varía considerablemente de una reacción a otra.

El mantenimiento celular requiere energía para el movimiento y reparación de proteínas celulares que se destruyen debido al habitual reciclado de recursos, o por interacción con compuestos tóxicos.

Cuando las células crecen rápidamente en presencia de todos los factores requeridos en concentraciones no limitadas, las células intervienen la máxima energía en la síntesis. Cuando esto no pasa, la energía se utiliza en el mantenimiento celular.

(18)

El rendimiento neto llega a ser cero cuando la energía proveniente de la utilización del sustrato se iguala a m, energía de mantenimiento. Toda la energía liberada se utiliza para el mantenimiento celular.

(19)

dtdS

XbY

dtdS

dtdXY an //

/

mY

b

X

dtdSY

an

/,0

Cuando el sustrato y nutrientes están disponibles en cantidades ilimitadas, la relación de utilización del sustrato alcanzará un máximo.

Los equivalentes de electrón se relacionan fácilmente con medidas como la expresión de corriente de la potencia de un residuo en términos de OD (BOD, COD’, COD).

Un equivalente de oxígeno es 8 g de O2 , un equivalente de cualquier donante de electrones equivale a un OD de 8 g de O2 , así los números de equivalentes por litro pueden ser convertidos directamente en la concentración de OD para dicho producto.

CALCULO DE COD’

Un agua residual contiene 12.6 g/l de etanol. Calcular el e-eq/l y la COD’ (g/l) de dicha agua residual.

De la reacción O-5 de la Tabla 2.3 se deduce que hay 12 e-eq/mol de etanol.

1 mol de etanol pesa 46 g, el peso equivalente es 46/12, o 3.83 g/e-eq.

Así la concentración de etanol en el agua residual es 12.6/3.83 o 3.29 e-eq/l.

La COD’ se halla de la siguiente manera:

lgl

eqe

eqe

gOD/3.26

29.38

ENERGÍA LIBRE DE LA ENERGÍA DE REACCIÓN

Relación entre varios donantes y aceptores de electrones y la energía libre de reacción resultante.

Las correcciones por concentración son importantes cuando la concentración del donante o aceptor de electrones es muy baja, o cuando la magnitud de ΔG˚r para una reacción es del orden de -10kJ/e- eq o menor.

Se deben hacer correcciones sobre ΔG˚’ cuando el pH es significativamente diferente de 7, o en casos de que sean necesarias.

Para comprender el destino de los constituyentes de las aguas residuales crudas y tratadas una vez son liberados al ambiente es necesario involucrar aspectos como

Mecanismos de transformación y degradación que ocurren en la naturaleza

Persistencia a largo plazo de constituyente en el ambiente

Ciclos bioquímicos

Además de conocer el proceso, también es necesario conocer el tiempo necesario para que transcurra la transformación , y la velocidad de reacción en solución o a la cual el constituyente se transfiere a través de una superficie dada.

Es importante establecer la diferencia entre los coeficientes cinéticos con base en el volumen de la reacción (reacción uniforme en todo el volumen) y con base en el área de transferencia (transferencia de masa a través de una superficie dada)

Este es uno de los puntos críticos en el manejo a largo plazo de estos constituyentes presentes en las aguas residuales.

Se hace necesario emplear el concepto de tiempo de vida media para una reacción de primer orden para caracterizar y comparar la persistencia relativa de varios constituyentes en el ambiente.

Donde kT es el coeficiente cinético de una reacción de primer orden

Determinar el tiempo requerido para reducir a la mitad la concentración inicial de tolueno arrojado a una laguna poco profunda utilizada en el tratamiento de agua residual. El coeficiente cinético de remoción de primer orden para el tolueno es 0.0665/h

Empleando la ecuación de tiempo de vida media se tiene:

t1/2= 0.693/0.0665h = 10.4 h

Lo que quiere decir que para que la concentración de tolueno sea igual a la mitad del valor inicial se necesitan aproximadamente 10.4 h.

Los ciclos bioquímicos del carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre son fundamentales para mantener la vida sobre la tierra.

La comprensión de estos ciclos son de vital importancia para desarrollar procesos que empleen transformaciones similares controladas en el tratamiento de aguas residuales

El nitrógeno es un macronutriente que se encuentra tanto en las partes vivas como en las partes inorgánicas de nuestro planeta. El nitrógeno se mueve muy lentamente a través del ciclo

La mayor parte del nitrógeno de la tierra se encuentra en la atmósfera. Todas las plantas y los animales necesitan nitrógeno para hacer aminoácidos, proteínas y DNA, pero el nitrógeno en la atmósfera no está presente de forma que se pueda utilizar.

Consiste en la reducción del nitrógeno atmosférico a compuestos nitrogenados, es decir, en combinar el nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar principalmente amoniaco.

Ésta fijación se puede dar de tres formas:

Fijación abiótica

Fijación biológica de nitrógeno

N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

Fijación antropogénica: NOx, NHy y N orgánico.

Gracias a una fuente que proporciona energía el nitrato que está dentro de la célula de la planta, se reduce a amonio. Los compuestos nitrogenados de las plantas terrestres vuelven al suelo cuando mueren las plantas o los animales que las han consumido volviéndose a convertir en compuestos orgánicos.

Consistente en la degradación de las proteínas y ácidos nucleicos para producir amoniaco, se conoce también como amonificación

La transformación de N orgánico a las formas inorgánicas se lleva a cabo por acción de microorganismos que obtienen la energía necesaria a través de la oxidación de los compuestos orgánicos a CO2.

Es la oxidación biológica del amonio a nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como aceptor de electrones

La reacción final del proceso consecutivo es la siguiente

Con la nitrificación se alcanza el mayor nivel de oxidación del nitrógeno. El nitrato (NO3

-) obtenido de este modo cierra el ciclo principal, que es utilizado por las plantas.

Un efecto colateral negativo de la nitrificación es que los nitratos son tóxicos para los animales. En ciertas ocasiones, se han utilizado inhibidores de la nitrificación para reducir estos efectos en el suelo.

La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–),

presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular (N2). La realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtener energía.

El proceso es parte de un metabolismo degradativo llamada respiración anaerobia, en la que el nitrato toma el papel de oxidante (aceptor de electrones).

El proceso sigue los siguientes pasos: Nitrato → Nitrito → Óxido nítrico → Óxido nitroso → Nitrógeno molecular Expresado finalmente como reacción redox:

2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

La desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera. Sin él la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, habría terminado por provocar la eliminación del N2 atmosférico.

La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.

Término comúnmente usado para referirse a la pérdida de amoniaco gaseoso desde la superficie del suelo a la atmósfera. Esto ocurre porque el amonio (NH4

+) del suelo, en condiciones de pH alcalino, se transforma en amoniaco (NH3

+), que es un gas volátil.

1 = inmovilización; 2 = mineralización; 3 = absorción

El azufre es un nutriente secundario requerido por plantas y animales para realizar diversas funciones, es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos.

El ciclo del azufre comienza con el SO2 presente en la atmósfera dado por la combustión, la minería, la meteorización, el volcanismo, industria y la erosión, que pasa a ser SO4

2-.

El sulfato puede ser metabolizado por las plantas superiores y por microorganismos, en lo que se denomina reducción asimiladora de los sulfatos.

Además también está la reducción no asimiladora de sulfato que es el proceso de transformación de los iones sulfato a sulfuro de hidrogeno. Es un procesos anaerobio llamado Desulfovibrio

Las plantas superiores absorben sulfatos por las raíces, incorporándolos directamente en los compuestos orgánicos o manteniéndolo en forma libre como ión.

Los animales recibe el sulfato a través de la cadena alimenticia, continuando así con el ciclo generando sulfuro de hidrógeno.

Para las plantas y animales la producción del H2S está dada por la siguiente reacción que tiene un ∆G° de 21.28 kJ/e- equivalente.

El H2S formado puede ser oxidado por bacterias oxidadoras de sulfuro, catalizando su oxidación a azufre elemental, inorgánico, tanto en medios aerobios como anaerobios.

Por último, la oxidación de azufre elemental también puede ser realizada por bacterias del género Thiobacillus, originando iones sulfato e hidrógeno, cerrando así el ciclo.

La deficiencia de azufre se observa en suelos pobres en materia orgánica, suelos arenosos.

En el suelo puede traer una disminución de la fijación de nitrógeno atmosférico que realizan las bacterias.

En las plantas se ve afectado el desarrollo de éstas, causando trastornos fisiológicos.

Algunos síntomas de deficiencia de azufre en las planta se manifiesta en:

Crecimiento lento.

Debilidad estructural de la planta.

Desarrollo prematuro de las yemas laterales.

Formación de los frutos incompleta

El fósforo es un elemento esencial para la célula

Forma parte de •Los ácidos nucleídos como el ADN.

•Moléculas que almacenan energía química como el ATP.•Moléculas como los fosfolípidos que forman las membranas.•Sustancias Intermedias en la fotosíntesis y la respiración celular.

Única forma asimilable rápidamente es el ortofosfato

Dos grandes etapas.Conversión de Fosforo Orgánico a Inorgánico.Conversión de Fosforo Inorgánico a Fosforo Orgánico .

Conversión de formas insolubles a solubles. [Ca2(HPO4)2] principalmente ortofosfatos

Rocasfosfatadas

Erosión

Rocasfosfatadas

Fosfato minero

Fertilizantes confosfatos

Plantas

Fosfatos del suelo

Desechos animales ydescomposición

Fosfatos disueltos

Sedimentosmarinos

Algas

Animales

Excreción y descomposición

El Ciclo del Fósforo en ambientes terrestres y acuáticos: El reciclado de fósforo como fosfato es lento, pues no hay una forma biológicamente importante que sea gaseoso. El fosfato que llega a ser parte de los sedimentos marinos puede tomar millones de años para solidificarse en rocas. Por medio de la erosión en áreas montañosas está nuevamente disponible para los organismos vivos.L.G.H.M.

Es la sucesión de transformaciones que sufre el carbono a lo largo del tiempo.

Es un ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del clima de la Tierraregulación del clima de la Tierra, y en él se ven implicadas actividades básicas para el sostenimiento de la vida. El ciclo comprende dos ciclos que se suceden a distintas velocidades

Ciclo biológico: comprende los intercambios de carbono (CO2) entre los seres vivos y la atmósfera, es decir, la fotosíntesisfotosíntesis, proceso mediante el cual el carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido, estimándose que la renovación del carbono atmosférico se produce cada 20 años.

6CO2 + 6H2O (+ Energía lumínica) C6H12O6 + 6O2.

Ciclo biogeoquímico: regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera (océanos y suelo).

1.El CO2 atmosférico se disuelve con facilidad en agua, formando ácido carbónico que ataca los silicatos que constituyen las rocas, resultando iones bicarbonato.

2.Estos iones disueltos en agua alcanzan el mar, son asimilados por los animales para formar sus tejidos, y tras su muerte se depositan en los sedimentos.

3.El retorno a la atmósfera se produce en las erupciones volcánicas tras la fusión de las rocas que lo contienen.

Este último ciclo es de larga duración, al verse implicados los mecanismos geológicos.

4. Hay ocasiones en las que la materia orgánica queda sepultada sin contacto con el oxígeno que la descomponga, produciéndose así la fermentación que lo transforma en carbón, petróleo y gas natural.

1. El dióxido de carbono en la atmósfera es absorbido por las plantas y convertido en azúcar, por el proceso de fotosíntesis.

2. Los animales comen plantas y al descomponer los azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los océanos o el suelo.

3. Otros organismos descomponen las plantas muertas organismos descomponen las plantas muertas y las materias animales, devolviendo carbono al medio ambiente. El carbono también se intercambia entre los océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos sentidos en la interacción entre el aire y el agua.

Los ciclos pueden ser: Aerobios Anaerobios

CLASIFICACIÓN - FUENTES DE ENERGÍA

FOTÓTROFOSFOTÓTROFOS QUIMIÓTROFOSQUIMIÓTROFOS

QuimioorganotrofosQuimioorganotrofos

QuimiolitotrofosQuimiolitotrofos

OxigenadosAutótrofosOxigenadosAutótrofos

No oxigenadosHeterótrofos

No oxigenadosHeterótrofos

Fuentes de energía y carbono

FOTÓTROFOS

OXIGENADO NO OXIGENADO

QUIMIÓTROFOS

QUIMIOLITOTROFO QUIMIORGANOTROFO

Fuentes de energía y carbono

Conversión de CO2 a compuestos orgánicos que hacen parte de tejidos de plantas y microorganismos vivos.

Estabilización por medio de bacterias quimiorganotróficas.

Grado de oxidación.

DESCOMPOSICIÓN

CO2

Principales nutrientes inorgánicos necesarios para los microorganismos son:

N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na y Cl. Secundarios nutrientes inorgánicos.

Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V y W.