MICROBIOLOGIA_APLICADA

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ISPJAE 
 
CENTRO DE ESTUDIO DE INGENIERIA DE PROCESOS 
 
 
MAESTRIA INGENIERIA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MICROBIOLOGÍA APLICADA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dr. Carlos Menéndez Gutiérrez 
2000 
 
 
 
 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 1 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
El objetivo del tratamiento de las aguas residuales es eliminar los contaminantes presentes en las 
mismas. En muchos casos los principales contaminantes son compuestos orgánicos, solubles e 
insolubles, diversas formas de nitrógeno, fósforo y compuestos inertes. En la mayoría de las ocasiones, 
los compuestos orgánicos, ya sean solubles o no. al igual que los de nitrógeno, pueden ser eliminados 
mediante procesos biológicos. Así mismo parte del fósforo puede ser asimilado al incorporarlo a la 
masa celular producida, pero el porcentaje de eliminación es mucho menor al que se logra para el 
nitrógeno y los compuestos orgánicos. 
 
Para los profesionales que se dedican al saneamiento ambiental, la microbiología de los tratamientos no 
es un fin en si mismo, pero su conocimiento ayuda a una mejor comprensión de los diferentes procesos 
biológicos y contribuye a la realización de modificaciones y búsqueda de variantes que favorezcan una 
mejor eficiencia de las operaciones de depuración. 
 
Un diseño efectivo de un proceso biológico de tratamiento de aguas residuales, depende en cierta 
medida del conocimiento básico de: 
 • requisitos de nutrición de los microorganismos • factores ambientales que afectan el crecimiento • metabolismo de los microorganismos • relación entre crecimiento y utilización de sustrato 
 
2. METABOLISMO 
 
Los microorganismos requieren de una fuente de energía y carbono para la síntesis de nuevas células 
así como de nutrientes inorgánicos para sus diferentes funciones. 
El metabolismo es la combinación de un conjunto de transformaciones bioquímicas necesarias para la 
síntesis celular (anabolismo) y la producción de energía (catabolismo) que ocurren a través de procesos 
enzimáticos. La clasificación de los diferentes microorganismos puede hacerse a partir de la forma en 
que los mismos obtienen el carbono y la energía. O sea, por los procesos anabólicos y catabólicos 
utilizados por el organismo. 
 
Las diferentes reacciones a las que están sujetos los sustratos o sustancias que sirven de alimento a los 
microorganismos, pueden enmarcarse en dos grupos de procesos: 
1. catabolismo 
2. anabolismo 
 
Catabolismo 
Es un proceso de degradación enzimática. Las reacciones que ocurren son de oxidación, y por tanto es 
exotérmico. 
Durante el catabolismo se logra la liberación de la energía que se encuentra incorporada a la estructura 
compleja de las moléculas orgánicas. La energía liberada es tomada y almacenada en el interior de la 
célula por determinados compuestos, entre ellos, el adenosín trifosfato, conocido comúnmente como 
ATP. 
 
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Anabolismo 
El anabolismo es un proceso de síntesis que lleva implícito el aumento de la complejidad y tamaño de 
la célula. Es un proceso de reducción que consume energía. 
La energía requerida en esta fase es tomada del ATP formado en la etapa catabólica. De esta manera el 
ATP se convierte en ADP (adenosín difosfato). A su vez, el ADP puede entonces captar nuevamente 
energía transformándose en ATP, constituyendo así un determinado ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Por cada mol de ATP transformado en ADP se liberan 8,4 kcal, 
 
 
 ATP + H2O ADP + H3PO4 + 8,4 kcal 
 
 
 
3. REQUISITOS DE NUTRICIÓN 
 
Para los microorganismos, los nutrientes : • suministran el material necesario para la síntesis de los compuestos citoplasmáticos • son fuente de energía para el crecimiento de la célula y las reacciones de biosíntesis • sirven como aceptor de los electrones que se separan durante las reacciones vinculadas a la 
obtención de energía para el crecimiento. 
 
Una clasificación de los requisitos de nutrición de los microorganismos se puede hacer en función de 
los compuestos que pueden ser utilizados para suministro de energía, como aceptor de electrones y 
como fuente de carbono. Esta clasificación se muestra en la siguiente tabla. 
 
 
 
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Clasificación de los requisitos de nutrición. 
 
Función Fuente 
 
Suministro de energía 
Compuestos orgánicos 
Compuestos inorgánicos 
Luz solar 
 
 
Aceptor de electrones 
Oxígeno 
Compuestos orgánicos 
Oxígeno de compuestos inorgánicos 
 
 
Suministro de carbono 
CO2 
HCO3
-1 
Compuestos orgánicos 
 
De acuerdo con la tabla anterior, y considerando sus requisitos de nutrición, los microorganismos 
pueden ser divididos: 
 
a) En función de la forma química del carbono utilizado: 
 
autótrofos: Utilizan compuestos de un átomo de carbono como única fuente de este 
elemento, CO2 , HCO3
-1 , metano y formaldehído 
heterótrofos: Utilizan el carbono en su forma relativamente compleja de compuestos orgánicos 
reducidos. 
 
Los organismos autótrofos tienen un requerimiento adicional de energía para la síntesis al tener que 
reducir el dióxido de carbono a una forma orgánica del carbono. Esto da como resultado que los 
microorganismos autótrofos tienen menor velocidad de crecimiento que los heterótrofos. 
 
b) En función de la fuente de energía que emplean: 
 
fotótrofos: Utilizan la luz como fuente de energía. 
quimiotótrofos: Utilizan reacciones de redox para el suministro de energía. 
 
A su vez, según el tipo de compuesto oxidado, 
 
quimioorganótrofos: utilizan moléculas orgánicas complejas como dadores de electrones 
quimioautótrofos: utilizan moléculas inorgánicas reducidas, tales como el amoníaco, nitritos, sulfuros, 
tiosulfatos, hidrógeno molecular 
 
Los organismos quimioorganótrofos o quimioheterótrofos abundan en el tratamiento biológico de 
aguas residuales. Su demanda de carbono orgánico es el proceso predominante cuando la DBO 
carbonácea es removida del agua residual. Las bacterias fotótrofas probablemente sólo desempeñan un 
papel menos importante en la remoción de la DBO. 
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4. ENZIMAS MICROBIOLÓGICAS 
 
Las actividades de la célula dependen de la utilización que ésta haga de los nutrientes. Todas las 
reacciones que intervienen en la actividad celular están controladas por enzimas. Las enzimas son 
catalizadores de los procesos biológicos y actúan con un alto carácter selectivo. 
 
Las enzimas en general catalizan 3 tipos de reacciones: • hidrólisis • oxidación • síntesis 
 
Las enzimas hidrolíticas son extracelulares, y se utilizan para hidrolizar sustancias alimenticias 
insolubles, transformándolas en compuestos simples solubles capaces de atravesar la pared celular. 
 
Las enzimas de oxidación reducción están directamente relacionadas con la energía para el crecimiento 
y mantenimiento de las funciones de la célula. Son intracelulares. Estas reacciones de redox incluyen 
la adición o eliminación de oxígeno o hidrógeno. 
 
La mayoría de los microorganismos oxidan sus alimentos mediante la eliminación enzimática de 
hidrógeno de sus moléculas. Así, las enzimas denominadas dehidrogenasas separan el hidrógeno de la 
molécula que lo contiene, pasando de un sistema enzimático a otro, hasta que es utilizado para reducir 
al aceptor de hidrógeno final. El aceptor final de hidrógeno viene dado por la naturaleza aerobia o 
anaerobia del medio y por el carácter de los organismos que intervienen. Para los procesos aerobios, el 
aceptor final es el oxígeno. En condiciones anaerobias, compuestos oxidados son los que actúan como 
aceptores finales de hidrógeno, reduciéndose. Figura 1. 
 
 
 
 
Figura 1. Enzimas microbiológicas 
 
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Los procesos de oxidación y reducción son simultáneos. Durante la oxidación se libera energía y se 
consume durante la reducción. El resultado final, neto, es que la energía producidaes superior a la 
consumida, siendo el exceso utilizado por la célula. 
 
Las enzimas de síntesis, intracelulares, catalizan la síntesis de material celular para el mantenimiento 
de la célula y para la generación de otras nuevas. 
 
Las condiciones ambientales influyen significativamente en la actividad de las enzimas. Éstas son 
especialmente sensibles al pH, temperatura, y presencia de ciertos iones, tales como el fosfato, el calcio 
y el magnesio. 
 
 
5. REQUISITOS DE OXÍGENO 
 
La presencia o no de oxígeno molecular, permite clasificar los microorganismos en 3 categorías: 
 • aerobios • anaerobios • facultativos 
 
Los microorganismos aerobios utilizan el oxígeno molecular como último aceptor de electrones, 
mientras que los anaerobios utilizan otros compuestos diferentes al oxígeno para esa función. Los 
facultativos, aunque crecen a mayor velocidad en un medio aerobio, pueden utilizar también otros 
compuestos diferentes al oxígeno como aceptores de electrones. La Escherichia coli, un coliforme 
común, es una bacteria facultativa. 
 
El tipo de aceptor de electrones utilizado por los microorganismos indica el grado de desarrollo de la 
reacción resultante y la cantidad de energía que llega a estar disponible para el crecimiento y 
mantenimiento de la célula. Los microorganismos heterótrofos, aerobios y facultativos, generalmente 
oxidan completamente sus alimentos, no ocurriendo lo mismo en el caso de los anaerobios. En el 
siguiente ejemplo puede apreciarse la diferencia en la producción de energía según el metabolismo: 
 
 kcal689OH6CO6O6OHC 2226126 ++→+ 
 
 
 kcal31CO2OHC2OHC 2626126 ++→ 
 
En la primera reacción, la oxidación del compuesto es completa, y en consecuencia se libera la máxima 
cantidad de energía. Así mismo la oxidación completa puede ocurrir en los facultativos. 
 
En la segunda reacción, correspondiente a un proceso anaerobio, la oxidación de la glucosa es solo 
parcial y hay menos liberación de energía que en la primera. 
 
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Algunas bacterias aerobias autótrofas pueden también oxidar completamente los compuestos 
inorgánicos que utilizan como fuente de energía. 
 
kcal237HSO2O3OH2S2 2422 +→++ 
 
 
Sin embargo, las Nitrosomonas sólo oxidan parcialmente al amoníaco bajo condiciones aerobias. 
 
 
 kcal66,5OH2ONH2O3HN3 2223 ++→+ 
 
 
6. EFECTOS DEL pH 
 
Para la mayoría de los microorganismos y, consecuentemente, para los procesos biológicos de 
tratamiento de aguas residuales, el intervalo de pH para una operación adecuada, está comprendido 
entre 4,5 y 9,0. El valor óptimo de pH generalmente se encuentra en el intervalo de 6,5 - 7,5. 
 
Es conocido que mientras los hongos y algas asimilan mejor el pH ácido, las bacterias se desarrollan 
preferiblemente cuando el pH está por encima de 7,0. 
Normalmente el pH de trabajo de estos procesos biológicos está comprendido entre 6,5 y 7,5. No 
obstante, los procesos de aereación extendida trabajan bien aún a pH entre 9,0 y 10,5. 
 
 
 
7. MICROORGANISMOS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS 
 
Los organismos que comúnmente se encuentran en los sistemas de tratamiento biológicos de aguas 
residuales se clasifican en: • animales • plantas • protistas. 
 
Todos ellos a su vez se subdividen en otros. 
 
Los protistas son aquellos organismos que no pueden ser identificados ni como animales ni como 
plantas, y se clasifican en: 
 • eucariotas • procariotas. 
 
Los protistas eucariotas poseen núcleo en la célula, mientras que se denomina procariotas a aquellos 
que no lo poseen. 
 
A continuación se señalan los microorganismos más representativos de cada uno de estos grupos: 
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 • animales: rotíferos 
 crustáceos 
 • plantas: plantas de semilla 
 musgos 
 helechos 
 • protistas: eucariotas: algas 
 protozoos 
 hongos 
 
 procariotas: bacterias 
 algas verdiazules 
 
De los anteriores, los de mayor importancia en el tratamiento de aguas residuales son las bacterias, 
hongos, protozoos, algas y rotíferos. 
 
7.1 Bacterias 
 
Son protistas unicelulares. Su reproducción es por división binaria. Se presentan aisladas o formando 
colonias. 
 
Las bacterias constituyen el grupo de microorganismos más importante en el tratamiento de las aguas 
residuales. Entre sus características más significativas se destacan: 
 • Elevada relación superficie/volumen, consecuencia de lo cual aquellos procesos que tienen lugar a 
nivel superficial se ven incrementados. • Elevado metabolismo, ya que la captura de nutrientes es muy rápida. • Rápida utilización de nutrientes, dando lugar a una elevada velocidad de crecimiento y, por tanto, a 
una gran velocidad de multiplicación. • Su pequeño tamaño le confiere elevada movilidad y por tanto gran velocidad de propagación. 
 
Las bacterias presentan además otras características que las diferencian de los restantes 
microorganismos, tal como la facilidad de adaptación a nuevos ambientes debido a su versatilidad 
nutricional. 
 
Tamaño 
El tamaño de las bacterias es muy variable, encontrándose que oscila entre 1 y 10 μm de largo y de 0,2 
a 1 μm de ancho. Este tamaño puede variar dependiendo de las condiciones existentes para el 
crecimiento. 
 
Morfología 
La morfología de las bacterias puede diferenciarse en dos categorías: 
a) bacilar 
b) cocácea 
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En la morfología bacilar los ejes longitudinal y transversal de la célula son diferentes, dando origen a 
una morfología, como su nombre lo indica, alargada. 
Las células pueden aparecer rectas (bacilos), o curvadas. Dependiendo del número de vueltas de espira 
que presenten, los bacilos curvados se denominan vibrios (una vuelta de espira), y espirilos (si 
presentan más de una vuelta de espira). Si tienen más de una vuelta, pero éstas son irregulares, son 
denominados espiroquetas. Figura 2. 
Las bacterias con morfología cocácea, tienen sus ejes longitudinal y transversal similares. Por esta 
razón presentan aspecto esférico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Bacterias comunes 
 
Además de esta morfología general, las bacterias pueden presentarse aisladas o formando agrupaciones 
o colonias, que suelen recibir nombres específicos. Así, los bacilos que aparecen asociados en forma de 
cadenas se denominan estreptobacilos. Por su parte los cocos, que también forman agrupaciones se 
clasifican en estreptococos (formando cadenas), tetradas (agrupaciones regulares en un solo plano), 
sarcinas (en varios planos) y estafilococos (agrupaciones irregulares). 
 
Estructura. 
La estructura de la célula bacteriana es la típica de una célula procariota. Por esta razón el material 
genético se encuentra desnudo, apareciendo en el centro del citoplasma como una zona fibrilar. 
Cuando se analizan las invariantes de la estructura bacteriana, pueden encontrarse elementos que 
aparecen en todos los tipos de bacterias, elementos constantes, y otros elementos que solo aparecen en 
determinadas bacterias, elementos no constantes. 
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Los elementos constantes son estructuras vitales para la célula y prácticamente la definen. Su ausencia 
implica la pérdida de viabilidad de la bacteria. Los elementos no constantes son estructuras no vitales y 
su presencia constituye una ventaja adaptativa. 
 
Elementos constantes • Envoltura celular (pared celular y membrana citoplasmática) • Citoplasma • Ribosomas • Nucleoide 
 
La pared celular le confiere forma y rigidez a la célula, protegiéndola. Tiene una composición 
compleja, constituida por polisacáridos, liposacáridos, lípidos, proteínas y lipoproteínas, entre otros 
compuestos. Estos componentes se asocian entre si de diversas formas, dando lugar a dos tipos 
fundamentales de paredes. Esto se traduce en dos tipos de bacterias , las grampositivas y las 
gramnegativas, en dependencia de la forma en que respondan a la tinción de Gram. 
 
La membrana citoplasmáticabacteriana presenta una estructura típica de membrana y su composición 
está constituida por lípidos y proteínas. La membrana es un centro importante de actividad metabólica, 
ya que contiene proteínas enzimáticas que intervienen en procesos de obtención de energía y síntesis de 
diferentes componentes celulares. Contiene proteínas para el transporte de nutrientes al interior de la 
célula y desempeña un papel importante en la 
distribución del material genético durante la división celular. 
 
El citoplasma contiene gran cantidad de ribosomas, pero de menor tamaño del de los ribosomas 
eucariotas. 
 
El nucleoide consiste en una molécula del ácido desoxirribonucleico (DNA), de forma circular, no 
presenta membrana alguna que lo separe del citoplasma y constituye el material genético celular. 
 
 
Elementos no constantes 
Los elementos no constantes lo constituyen los flagelos, pelos, fimbrias, glucocálix, e inclusiones 
intracitoplasmáticas. 
 
Los flagelos son estructuras proteicas fibrilares fijos a nivel de la envoltura celular, que por rotación 
permiten la movilidad de las bacterias en medio fluído. 
 
Los pelos y las fimbrias son también estructuras fibrilares de naturaleza proteica, pero que no están 
implicados en el movimiento celular, sino en la unión a sustratos sólidos y la transmisión de señales 
entre las células (fimbrias) o en la transferencia de material genético (pelos). 
 
El glucocálix está constituido por material mucilaginoso de naturaleza polisacárida, que rodea a las 
células bacterianas. 
 
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Las inclusiones intracitoplásmicas son estructuras que aparecen en el citoplasma como materiales de 
reserva o como estructuras que confieren alguna ventaja selectiva a las bacterias que las poseen, como 
flotabilidad y orientación. 
 
 
7.1.1 Bacterias aerobias 
 
De acuerdo al requerimiento de oxígeno, las bacterias pueden ser aerobias o anaerobias. Las primeras 
prevalecen en los lodos activados en sus diferentes variantes, los filtros biológicos y los biodiscos, 
entre otros sistemas. 
 
El papel predominante de las bacterias frente a otros protistas en la degradación de la materia orgánica, 
está directamente relacionada con su pequeño tamaño, y su mayor relación superficie/volumen, lo que 
incrementa su capacidad para intercambio de nutrientes. 
 
Los lodos activados presentan una población menos diversa que la que ofrecen los filtros percoladores. 
El grupo fundamental está constituido por bacterias heterótrofas, estando presente las autótrofas 
fundamentalmente en sistemas de altas edades de lodo. 
 
Los flóculos característicos de los sistemas de lodo activado, están formados por conglomerados de 
bacterias rodeadas de un polímero que las mismas segregan, y que está constituido fundamentalmente 
por hidratos de carbono. 
 
Las condiciones hidráulicas del reactor, así como de operación y tipo de residual, determinará el tipo de 
microorganismo predominante. La concentración de oxígeno disuelto, el pH, y el contenido de 
nitrógeno y fósforo, también influyen. 
 
Las bacterias aerobias heterótrofas remueven una significativa cantidad de DBO carbonácea mediante 
la oxidación de la materia orgánica para satisfacer necesidades de carbono para el crecimiento. 
 
Las diferentes etapas asociadas al proceso de crecimiento pueden ilustrarse de manera resumida 
mediante las ecuaciones derivadas de un análisis elemental. 
 
Utilizando la molécula sencilla de glucosa en representación de compuestos más complejos que están 
presentes en la realidad, se tendrá: 
 
 
Síntesis de nuevas células 
 
 5 C6H12O6 + 6 NH4
+ 6 C5H7NO2 + 18 H2O + 6 H
+ ... 1 
 
respiración aerobia 
 
 C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ... 2 
 
El crecimiento neto puede representarse sumando las ecuaciones de síntesis y de respiración, 
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 C6H12O6 + NH4
+ + O2 C5H7NO2 + CO2 + 4 H2O + H
+ ... 3 
 
 
La ecuación que representa la muerte de los microorganismos se representa por: 
 
 C5H7NO2 + H
+ + 5 O2 5 CO2 + NH4
+ + 2 H2O ...4 
 
 
Mediante estas ecuaciones se demuestra la necesidad del carbono orgánico y el nitrógeno para la 
producción de proteína celular . Adicionalmente el fósforo, que constituye entre 2 - 3 % del peso seco 
de la célula, es utilizado para las transformaciones de energía en la célula. Cuando se incluye el 
fósforo, la fórmula empírica aproximada de la célula es C60H87O23N12P. 
 
 
7.1.2 Bacterias anaerobias 
 
Las bacterias anaerobias se caracterizan por no requerir oxígeno libre para su metabolismo. Pueden 
distinguirse dos grupos: las anaerobias estrictas y las facultativas. 
 
Las anaerobias estrictas no pueden desarrollarse en presencia de oxígeno mientras que las facultativas 
lo hacen en presencia o ausencia de oxígeno libre. 
 
Los procesos anaerobios también son capaces de remover DBO carbonácea a través del consumo de 
materia orgánica, pero solamente si el proceso fermentativo tiene lugar hasta su completamiento y no 
parcialmente. 
 
Considerando que en los procesos anaerobios no hay presencia ni producción de oxígeno, no habrá 
reducción de la DBO a menos que se produzca metano y sea desprendido como gas. 
 
Durante la anaerobiosis sólo un 5 % aproximadamente del carbono orgánico es utilizado en la síntesis 
de nuevas células. 
 
Los sistemas anaerobios utilizan los procesos de hidrólisis y fermentación para transformar los 
compuestos complejos en moléculas sencillas. Las moléculas complejas no pueden ser metabolizadas 
por las bacterias anaerobias, por tanto la primera etapa del proceso es la hidrólisis de tales moléculas, 
transformándolas en otras más sencillas. Posteriormente ocurre la acetogénesis y la formación de 
ácidos, otros compuestos de baja masa molecular, hidrógeno y CO2. 
 
La remoción de DQO es después facilitada por el desprendimiento del metano producido por los 
organismos metanogénicos que utilizan como sustrato los productos de la acetogénesis y de la 
formación de ácidos. 
 
Cada una de las tres fases de la degradación anaerobia (hidrólisis, formación de ácidos, formación de 
metano), se caracterizan por el tipo de bacterias presentes: 
 
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Bacterias hidrolíticas 
Bacterias formadoras de ácidos 
Bacterias formadoras de metano 
 
7.2 Hongos 
 
La denominación corresponde a un gran conjunto de géneros. Figura 3. 
Los hongos son microorganismos eucariotas heterótrofos, siendo la mayoría aerobios estrictos. Pueden 
crecer con poca humedad, toleran medios con baja concentración de oxígeno y pH y su demanda de 
nitrógeno es la mitad de la requerida por las bacterias. Al igual que éstas, los hongos pueden utilizar 
alimentos sólidos secretando enzimas hidrolíticas extracelulares. 
 
El régimen hidráulico del reactor, así como la naturaleza del residual, influyen de forma determinante 
en el predominio o no de estos organismos filamentosos, aunque están presentes en prácticamente 
todos los dispositivos de tratamiento de residuales de naturaleza aerobia. 
 
La presencia de hongos en el efluente de un tratamiento secundario es generalmente una de las 
principales causas del fenómeno conocido como abultamiento de los lodos, cuya manifestación externa 
es la mala sedimentabilidad de los flóculos biológicos. 
 
Los filamentos de los hongos pueden ser largos, con un diámetro de 3,0-8,0 μm de ancho una longitud 
de entre 300 y 1 000 μm, con septos claramente visibles al microscopio corriente. 
 
Muchas pueden ser las causas de la presencia de microorganismos filamentosos en las estaciones 
depuradoras de aguas residuales. Bajos valores de pH, baja concentración de oxígeno, residuales ricos 
en carbohidratos y bajas concentraciones de sustrato en los reactores, son factores que favorecen el 
crecimiento de organismos filamentosos sobre las bacterias formadorasde flóculos. 
 
 
 
 
Figura 3. Ejemplos de hongos 
 
 
 
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7.3 Protozoos 
 
La degradación de la materia orgánica en los procesos biológicos, independientemente de su naturaleza 
aerobia o anaerobia, se lleva a efecto por las bacterias, que a su vez sirven de alimento a otros 
organismos superiores, como los protozoos. 
 
Los protozoos son protistas móviles, y por lo general son heterótrofos aerobios, aunque en ocasiones se 
detectan algunos protozoos anaerobios en los tratamientos. Su reproducción es por fisión binaria. 
 
Estos organismos microscópicos tienen un sistema digestivo complejo y emplean la materia orgánica 
insoluble como fuente de carbono y energía. Los protozoos son un puente vital en la cadena trófica 
acuática, ya que se alimentan de bacterias y algas. 
 
La principal función de los protozoos es separar el exceso de bacterias no floculadas en las aguas 
residuales, propiciando entonces la obtención de un efluente clarificado. 
 
Algunos de los protozoos más comunes aparecen ilustrados en la figura 4. 
 
 
 
 
Figura 4. Algunos tipos de protozoos 
 
 
 
 
 
 
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Las especies que poseen cilios parecidos a pelos son prevalecientes en los sistemas de lodos activados. 
Los protozoos con cilios pueden categorizarse como móviles libres (free swimmimg), como el 
paramecium, y con tallos (stalked), como la vorticella. Los de movimientos libres se mueven muy 
rápidamente en el agua e ingieren su alimento a alta velocidad. Los protozoos con forma de tallo se 
fijan a partículas y emplean los cilios para impulsar su movimiento contráctil para alcanzar el alimento. 
Los protozoos se mueven mediante flagelos, la euglena entre ellos, y por motilidad de su protoplasma, 
como es el caso de las amebas. 
 
 7.4 Algas 
 
Las algas son microorganismos eucariotas, autótrofos y fotosintéticos. 
 
La presencia de estos microorganismos en las capas superioes de los filtros biológicos es normal, así 
como en las lagunas de oxidación que trabajan a niveles bajos de carga orgánica. 
 
 
El proceso de fotosíntesis que caracteriza a las algas, se ilustra por la ecuación : 
 
En presencia de luz solar, 
 
 
 CO2 + 2 H2O nueva célula + O2 + H2O 
 
 
En la oscuridad, 
 
 
 O2 + H2O + célula CO2 + 2 H2O 
 
 
El efecto neto del proceso anterior es la producción de una nueva vida, aumentando la concentración de 
algas. El oxígeno producido durante el período de incidencia de la radiación solar es una fuente 
importante de este elemento en el caso de las lagunas aerobias y facultativas. 
 
En el horario diurno la fuente de energía para la síntesis, es la solar. En ausencia prolongada de luz 
solar, como ocurre en horario nocturno, tiene lugar la reacción inversa a la de síntesis. El alga degrada 
el propio protoplasma como medio de obtención de energía. La velocidad de esta reacción endógena es 
significativamente menor que la de fotosíntesis. 
 
En la figura 5 pueden observarse diferentes tipos de algas características. 
 
 
 
 
 
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Figura 5. Algas 
 
 
 
7.5 Rotíferos 
 
Los rotíferos son animales aerobios, heterótrofos y multicelulares. 
 
Al igual que los protozoos, juegan un papel importante en las unidades de lodo activado, al favorecer la 
floculación y sedimentación de los lodos. Están presentes en menor concentración que los protozoos. 
 
Un rotífero típico, mostrado en la figura 6, usa los cilios que posee alrededor de su cabeza, para 
capturar el alimento, constituido por partículas sólidas. 
 
 
7.6 Crustáceos 
 
Son animales aerobios, heterótrofos y multicelulares. Su presencia indica un relativo alto nivel de 
depuración del agua residual. Figura 6. 
 
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Figura 6. Rotífero y crustáceos típicos 
 
 
8. CRECIMIENTO 
 
El crecimiento de los microorganismos sigue una tendencia definida que ha sido estudiada más 
extensamente relacionada con bacterias y protozoos, los que se multiplican por fisión binaria. La fisión 
binaria resulta en que cada célula se divide en dos nuevas de igual capacidad para la metabolización. 
A diferencia de los microbiólogos, que estudian el crecimiento microbiano basándose en la variación 
del número de organismos, los ingenieros ambientales lo hacen sobre la base del crecimiento de la 
biomasa. 
 
La curva de crecimiento basada en el crecimiento de la biomasa presenta, en lo fundamental, tres fases 
bien diferenciadas (Figura 7): • Crecimiento logarítmico • Decrecimiento • Respiración endógena 
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Figura 7. Curva de crecimiento de la biomasa 
 
 
 
 
Figura 8. Relación entre crecimiento y consumo de sustrato 
 
Fase logarítmica del crecimiento 
 
En esta fase siempre existe un exceso de sustrato alrededor de la biomasa, y la velocidad de 
crecimiento y consumo de sustrato está limitada solo por la habilidad de los microorganismos de 
asimilar este último. 
 
Al final de esta fase, los microorganismos se encuentran creciendo a su máxima velocidad y por tanto, 
la remoción de sustrato también se encuentra a su máxima velocidad. 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
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La fase logarítmica es un tema de interés, ya que se trata de aprovechar la máxima velocidad de 
consumo de materia orgánica. Sin embargo, la utilización de la fase logarítmica en el tratamiento de 
residuales no es aconsejable. A esa etapa de la curva de crecimiento le corresponde una elevada 
concentración de sustrato, tal como ya ha sido expuesto. Esto significa que no es posible producir un 
efluente estable cuando la biomasa se encuentra en la fase logarítmica de crecimiento. Figura 8. 
 
Fase decreciente del crecimiento 
 
La limitación del sustrato promueve que la velocidad de crecimiento disminuya durante esta fase. En la 
medida que disminuye la concentración de sustrato, disminuye la velocidad de crecimiento. Esta es una 
fase que usualmente se emplea en los sistemas convencionales de tratamiento. 
 
Fase de respiración endógena 
 
Cuando el crecimiento cesa, la concentración de sustrato se encuentra a su más baja concentración. 
 
9. DINÁMICA DE LA POBLACIÓN 
 
Anteriormente han sido descritas por separado algunas de las características más significativas de los 
grupos de microorganismos que prevalecen en los sistemas de tratamiento biológicos de aguas 
residuales. Sin embargo en la practica, estos organismos coexisten constituyendo un sistema de 
cultivo mixto. Se hace por tanto necesario dar al menos una visión preliminar de las relaciones de 
cooperación y competitividad que se presentan entre las variadas poblaciones que se presentan 
simultáneamente para lograr comprender mejor estos procesos de tratamiento. 
 
La disponibilidad de materia orgánica para su degradación, da origen a una especie de competencia 
entre la población mixta de microorganismos para su asimilación como fuente de alimentación. 
 
9.1 Lodo activado 
 
Los consumidores primarios que son más competitivos se constituyen en los organismos 
predominantes. Bajo condiciones normales de operación, las bacterias son generalmente los 
consumidores primarios dominantes en los sistemas de lodo activado. Los protozoos saprofíticos, que 
se alimentan de la materia orgánica (p.e. Euglena), no son competidores efectivos contra las bacterias. 
 
Las especies de bacterias prevalecientes tienen una alta dependencia de la naturaleza de los 
compuestos orgánicos a degradar y de las condiciones de operación en el reactor. Si prevalecen 
condiciones adversas, tales como bajo pH, baja concentración de oxígeno disueltoy poca disponibilidad 
de nutrientes, estarán las condiciones creadas para el predominio de hongos filamentosos, dando lugar 
al abultamiento de los lodos. 
 
En la figura 9 se presenta un esquema vinculado con la dinámica de la población en estos sistemas.C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 19 
 
 
 
Figura 9. Esquema de la dinámica de la población para lodos activados 
 
 
Una relativa elevada concentración de azúcares que caracteriza a algunos residuales industriales, puede 
ser causa de un elevado crecimiento del filamentoso Sphaerotilus natans. Esta situación rara vez se 
presenta en sistemas municipales que tratan agua constituida en lo fundamental por aguas residuales de 
origen doméstico. 
 
En los sistemas de lodo activado hay un grupo de bacterias, las primarias, que se mantienen en la fases 
de declinación o en la endógena del crecimiento. Bajo el predominio de estas condiciones, las bacterias 
primarias mueren y se produce la lisis celular, vertiendo el contenido celular a la solución. 
 
Los protozoos, que se alimentan de las bacterias, están presentes en estos sistemas. Ellos crecen 
asociados a las bacterias en una relación presa-depredador. Esto es, las bacterias consumen materia 
orgánica, sintetizan nueva materia orgánica, y los protozoos consumen la bacteria. 
 
Para un simple ciclo reproductivo, los protozoos consumen miles de bacterias, con efectos beneficiosos 
de la acción presa-depredador que se deriva. Entre estos efectos pueden citarse: • La reducción de las bacterias estimula el crecimiento ulterior de las mismas, dando como resultado 
la eliminación acelerada de la materia orgánica de la solución • Las características floculentas de los lodos producidos se mejoran en la medida que se reduce la 
presencia de grupos de bacterias libres 
 
La competencia por el sustrato también se presenta en el caso de los consumidores secundarios.En una 
suspención con alta población bacteriana, los protozoos móviles libres predominan, pero cuando 
escasea la alimentación , prevalecen los protozoos con tallos. Estos últimos no requieren tanta energía 
como los móviles, por tanto ellos compiten mejor en sistemas con baja concentración de bacterias. 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 20 
 
9.2 Filtros percoladores 
 
Los filtros biológicos, como ya fue señalado, presentan mayor diversidad de organismos que los lodos 
activados. La composición microbiana no es uniforme en toda la profundidad del filtro, lo que dificulta 
el estudio teórico de los rendimientos a obtener en estas unidades de tratamiento. 
Las bacterias nitrificantes están presentes en la zona inferior del filtro, y su presencia se manifiesta 
fundamentalmente en aquellos dispositivos que trabajan a baja carga. 
 
9.3 Digestión anaerobia 
 
Los procesos anaerobios son conducidos por una elevada variedad de bacterias que se categorizan en 
dos grandes grupos: las bacterias formadoras de ácido y las formadoras de metano. Los protozoos no 
funcionan en los digestores que operan bajo condiciones estrictamente anaerobias. 
 
Las bacterias formadoras de ácido son facultativas o anaerobias que matabolizan la materia orgánica 
formando ácidos volátiles como producto final. Las formadoras de metano usan los ácidos orgánicos 
volátiles como sustrato, dando lugar a la producción de dióxido de carbono y metano como productos 
finales. Estas bacterias, que son estrictamente anaerobias, se inctivan por la presencia de oxígeno libre 
e inhiben ante la presencia de compuestos oxidados. Las formadoras de metano son muy sensibles a los 
cambios de pH y otras condiciones ambientales. 
 
El diagrama simplificado de la figura 10 ilustra la relación entre estos dos grupos de bacterias durante 
la digestión anaerobia. Cuando llega a ocurrir un desbalance en la dinámica poblacional, se presentan 
problemas de operación en estos sistemas. Por ejemplo, si de manera brusca aumenta la concentración 
de los compuestos orgánicos que se alimentan al digestor, las bacterias formadoras de ácido procesan 
rápidamente este sustrato y desarrollan un exceso de ácidos volátiles. Las formadoras de metano, cuya 
población a estado limitada hasta ese momento por una más baja concentración de ácidos volátiles, son 
incapaces de metabolizar este nuevo sustrato con suficiente velocidad como para prevenir una caída en 
el pH. 
 
 
Figura 10. Diagrama de la dinámica de la población de la digestión anaerobia 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 21 
 
9.4 Lagunas 
 
Existe una relación interesante entre bacterias y algas en lagunas y cursos receptores. La bacteria 
metaboliza la materia orgánica, dando origen, entre los productos finales de esa función, a dióxido de 
carbono, nitrógeno y fósforo. Las algas usan estos compuestos, junto con la energía solar, para la 
síntesis de nuevas células, produciendo oxígeno como producto secundario. El oxígeno producido por 
las algas es asimilado por las bacterias, cerrando de esta manera una especie de ciclo que. Figura 11. 
 
 
 
 
 
Figura 11. Simbiosis alga-bacteria 
 
 
10. CRECIMIENTO DE LA BIOM ASA. ASPECTOS CINÉTICOS 
 
10.1 Descripción cuantitativa del crecimiento 
 
Cuando un número pequeño de células bacterianas se colocan en una solución líquida conteniendo un 
exceso de alimentos, en un medio ambiente adecuado, se dispone de condiciones en las cuales el 
crecimiento puede tener lugar. 
 
 El crecimiento de las células refleja el funcionamiento del sistema enzimático que conduce a la 
incorporación de productos macromoleculares al citoplasma. Sin embargo el aumento de la masa 
citoplasmática y crecimiento de un organismo no continua indefinidamente, y después de alcanzar un 
tamaño determinado, la célula se divide debido a limitaciones hereditarias e internas. Asociado con el 
crecimiento celular existen otros dos procesos: la utilización de los nutrientes y la formación de 
productos metabólicos finales. La velocidad de ambos procesos varía considerablemente durante el 
crecimiento. 
 
Muchas especies de bacterias presentan un modelo de crecimiento similar al ilustrado en la figura 7. 
Debe ser destacado que el ciclo de crecimiento no es una propiedad básica de la célula, sino el 
resultado de su interacción con el entorno en un ambiente cerrado. Es posible mantener las células en la 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 22 
 
fase exponencial de crecimiento durante largos períodos cuando se utiliza un sistema abierto tal como 
un flujo continuo. 
 
10.2 Modelos para describir el crecimiento 
 
Velocidad de crecimiento especifica de la biomasa 
 
Algunos de los requisitos más importantes para el crecimiento de la biomasa en un cultivo de bacterias 
son, tal como ya ha sido señalado anteriormente, disponer de: • fuente de energía • una fuente de carbón • aceptor externo de electrones • adecuadas condiciones físico-químicas ambientales. 
 
Se sabe que, cuando todos los requisitos de crecimiento están presentes, el incremento en la 
concentración de biomasa, ΔX en un cierto período Δt, es proporcional a la concentración de biomasa 
presente X, pudiéndose escribir: 
 
 
 Xμ
dt
dX = ... 5 
 
 
Es interesante discutir el significado de la constante μ. En primer lugar, para que la ecuación 1 tenga 
todo el sentido, debe ser dimensionalmente correcta. Al tener X dimensiones de (masa/volumen), μ la 
debe tener de(tiempo-1). Esta ecuación significa además que la velocidad de crecimiento relativa es 
constante para cualquier tiempo e igual a μ., 
 
 μ
dt
dX
X
1 = ... 6 
 
El parámetro μ representa por tanto la velocidad de crecimiento por unidad de biomasa y se designa 
como velocidad específica de crecimiento. 
 
Es bien conocido que el crecimiento Exponencial se mantiene mientras no se produzcan cambios en la 
composición de la biomasa y las condiciones ambientales permanezcan constantes. Un cambio en las 
condiciones ambientales es posiblemente la causa más común de desviación del crecimiento 
exponencial. Esto ocurrirá siempre en cierto momento del crecimiento cuando se emplea un sistema 
discontinuo. 
 
Monod amplió la descripción cuantitativa de la curva de crecimiento clásica mostrada, para incluir 
tanto laregión de crecimiento exponencial como la de declive. A partir de datos experimentales 
observó que la velocidad de crecimiento específica, es una función no sólo de la concentración de 
microorganismos sino además de la concentración de algunos nutrientes limitantes. La relación 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 23 
 
existente entre la concentración residual del nutriente limitante y la velocidad específica de crecimiento 
de la biomasa es descrita por medio de la ecuación 7, 
 
SK
Sμμ
s
m += ... 7 
 
donde μ - Velocidad específica de crecimiento μm - Máximo valor de μ 
S - Concentración residual del sustrato limitante 
Km - Constante de saturación (concentración de S para la cual mμμ 2
1= 
 
De la ecuación 7 se deduce que μ puede tener cualquier valor entre 0 y μm. Esto prueba que la 
concentración de sustrato puede ser mantenida constante a un valor dado. Cualquier 
sistema diseñado para el cultivo continuo de microorganismos reúne esta condición. El diseño de 
muchos procesos de tratamiento de aguas residuales se basa en esta característica. 
 
 
Coeficiente de rendimiento 
 
El coeficiente de rendimiento se define matemáticamente como : 
 
 
ΔS
ΔX
Y = ... 8 
 
siendo ΔX el crecimiento en biomasa que resulta de la utilización de una cantidad de sustrato ΔS. 
 
Tomando límites: 
 
Y
dt
dX = ... 9 
 
La cantidad de nutrientes requerida por un organismo viene dada por el coeficiente de crecimiento Y. 
 
 
10.2.1 Modelo cinético de Pirt 
 
Ya se ha visto que para los microorganismos heterótrofos, el sustrato es a la vez fuente de carbón y 
energía, siendo de interés distinguir que parte del sustrato se destina a funciones de sintesis y cual a 
funciones de energía. 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 24 
 
Si en un tiempo Δt se realiza un balance de sustrato: 
 
 sustrato sustrato sustrato 
 total = utilizado = utilizado 
 utilizado para síntesis para energía 
 
 
 ΔS = (ΔS)S + (ΔS)E ... 10 
 
Si ΔX representa el incremento de biomasa en el tiempo Δt, 
 ( ) ( )
X
S
X
S
X
S ES Δ
Δ+Δ
Δ=Δ
Δ
 ... 11 
 
 
Recordando que Y = ΔX / ΔS , entonces la ecuación 11 puede transformarse, 
 
 
eS YYY
111 += ... 12 
 
 
YE no tiene un significado real vinculado con el rendimiento, ya que no se produce biomasa a partir del 
sustrato que se dedica a la energía, sino que sólo indica la fracción de éste que es eliminado por unidad 
de biomasa producida que se deriva a energía. 
 
Por otro lado,Pirt (1975) propuso que los microorganismos utilizan la energía para crecimiento 
(síntesis) y para mantenimiento. Entonces el término (ΔS)E /ΔX puede expresarse de la forma 
siguiente: 
 
 ( ) ( ) ( )
E
MCE
YX
SS
X
S 1=Δ
Δ+Δ=Δ
Δ
 ... 13 
 
(ΔS)c parte del sustrato utilizado para energía de crecimiento. 
 
(ΔS)M parte del sustrato utilizado para energía de mantenimiento. 
 
Cuando los requisitos de energía de mantenimiento son cero (ΔS)M = 0 , la ecuación 13 se reduce a: 
 
 ( ) ( )
E
cE
YX
S
X
S 1=Δ
Δ=Δ
Δ
 ... 14 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 25 
 
 
 
Esto representa unas condiciones en crecimiento óptimas ya que una parte del sustrato que podía haber 
sido oxidado para suministrar energía de mantenimiento será ahora asimilada en nueva biomasa. 
 
En tales condiciones se habla de verdaderos valores de Y=YT 
 
 
 
EST YYY
111 += ... 15 
 
 
De acuerdo con las ecuaciones 10 y 13, 
 
 
ES dt
dS
dt
dS
dt
dS ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= 
 
 
MCE dt
dS
dt
dS
dt
dS ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
 
 
M
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
dt
dS
dt
dS
dt
dS
dt
dS
CS
 
 
 
MP dt
dS
dt
dS
dt
dS ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= ...16 
 
 
donde 
 
(dS/dt)P es la velocidad de utilización de sustrato en función del crecimiento, tanto la síntesis como la 
energía para la síntesis). 
 
Pirt (1975) demostró que (dS/dt)E = bX, es decir la velocidad de utilización del sustrato para 
mantenimiento es proporcional al número de microorganismos presentes. 
 
La constante de proporcionalidad b representa la cantidad de sustrato por unidad de masa utilizado 
para mantenimiento en la unidad de tiempo, o velocidad específica de consumo de sustrato para el 
mantenimiento: 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 26 
 
 
b
dt
dS
X
1
M
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
 
 
 
Por tanto, la ecuación 16 queda, 
 
 
 
 
bX
dt
dS
dt
dS
P
+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= ...17 
 
 
Recordando que: 
 
dt
dX
X
1μ = y además, 
 
 
dS
dX
Y = , 
 
sustituyendo en la ecuación 17, se tiene que 
 
bμ
Y
1
q
T
+= ...18 
 
 
 donde al considerar YT se está aceptando que el sustrato utilizado en función del crecimiento es igual 
al utilizado cuando no hay funciones de mantenimiento, y además, 
 
dt
dS
dX
1
q = 
 
De acuerdo con la ecuación 18, la velocidad específica de utilización del sustrato es igual a la 
velocidad específica de utilización del sustrato para crecimiernto (síntesis + energía) más la velocidad 
específica de utilización del sustrato para mantenimiento. 
 
 
La ecuación 18 es la expresión del modelo cinético de Pirt 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 27 
 
 
 
10.2.2 Modelo cinético de Herbert 
 
Para interpretar la disminución en producción de biomasa que se observa cuando la velocidad de 
crecimiento específica (μ) decrece, ha sido sugerido por Herbert (1958) que la “energía requerida para 
mantenimiento” se obtiene a través de metabolismo endógeno. Esto es, los compuestos celulares son 
oxidados para satisfacer la energía de mantenimiento, con preferencia a la utilización del sustrato. En 
tal situación el balance de biomasa puede escribirse: 
 
 crecimiento = crecimiento - pérdida de biomasa en 
 neto total respiración endógena 
 
 
e
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
dt
dX
dt
dX
dt
dX
Cneta
 ...19 
 
 
La velocidad a la que se pierde biomasa por respiración endógena es proporcional a la cantidad 
presente de la misma, 
 
 
Xk
dt
dX
d
e
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
 ...20 
 
kd representa la pérdida de biomasa por unidad de tiempo y biomasa y se denomina “Coeficiente de 
desaparición de los microorganismos” (t-1). 
 
Sustituyendo 20 en 19, 
 
Xk
dt
dX
dt
dX
d
Cneta
−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
 ...21 
 
 
11. NECESIDAD DE OXÍGENO 
 
Tal como se ha indicado el oxígeno es utilizado en el metabolismo energético de los microorganismos 
heterótrofos aerobios como aceptor final de electrones en las reacciones de oxidación del sustrato para 
obtener energía para la síntesis de material celular y para energía de mantenimiento. 
 
La existencia de un déficit en el suministro de oxígeno conlleva la inmediata pérdida de calidad del 
efluente y alteraciones en las características de la biomasa tales como incremento en su índice 
volumétrico de lodos (IVL). 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 28 
 
Es preciso, para la buena marcha del proceso, asegurar en el reactor el correcto suministro de oxígeno y 
garantizar así mismo un nivel de oxígeno disuelto igual o superior a 2 mg/l. 
 
Existen varios métodos para evaluar la demanda de oxígeno: 
 
- Metcalf and Eddy proponen uno a partir de la DBO última del efluente y la cantidad de biomasa 
efluente del sistema. El método se basa en las siguientes consideraciones: 
 
Si todo el sustrato eliminado por los microorganismos fuese totalmente oxidado, la demanda de 
oxígeno sería: 
 
O2 = Q[DBOu (in) - DBOn (out)] 
 
 Siendo 
 
O2 = requerimiento de oxígeno (kg.d
-1) 
 
Q = flujo de agua residual ( m3.d-1) 
 
 DBOu = Demanda Bioquímica de Oxígeno Última (kg. m
-3 ) 
 
Sin embargo, en la realidad no todo el sustrato es oxidado. Sólo una parte del sustrato eliminado se 
utiliza para energía. El resto es utilizado para síntesis de biomasa, y en consecuencia no requiereun 
consumo de oxígeno. 
 
En condiciones de régimen estacionario, la biomasa producida es igual a la biomasa efluente del 
sistema. 
 
Considerando que la biomasa puede describirse mediante la fórmula C5H7NO2 , la cantidad de oxígeno 
necesario para oxidarla puede calcularse: 
 
3222275 NHOH2CO5O5NOHC ++⎯→⎯+ 
 
resultando 1.42 kgO2 (kg biomasa)
-1, 
 
en consecuencia la cantidad de oxígeno necesario se obtendrá a partir de la expresión: 
 
Demanda de O2 = Q ΔDBOu - 1.42 ΔX 
 
Siendo ΔDBOu la variación de la Demanda Bioquímica final o última de Oxígeno y ΔX la producción 
de biomasa del sistema. 
 
El otro método para el cálculo del Oxígeno se basa en considerar que parte del oxígeno se utiliza para 
la obtención de energía para síntesis y parte para la obtención de energía para mantenimiento. 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 29 
 
Si se toma en consideración el modelo de Herbert, para el cual todo el sustrato es convertido en 
biomasa y una parte de esta es oxidada en la respiración endógena para suministrar la energía de 
mantenimiento, el cálculo de la demanda de oxígeno se realiza mediante la expresión: 
 
Xb
dt
dS
Y
dt
dO2 ′+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛′= ...22 
 
Y ' - coeficiente de utilización de oxígeno para síntesis 
 
b ' - coeficiente de utilización de oxígeno para mantenimiento 
 
En términos finitos: 
 
O2 = Y
 ' Q( So-Se ) + b
 ' XV ...23 
 
V = volumen del tanque o reactor bajo aereación. 
 
Si se considera el modelo de Pirt, para el cual una parte del sustrato es convertida en biomasa y otra 
parte es oxidada para obtención de energía de mantenimiento, el cálculo de la demanda de oxígeno se 
realizará mediante la expresión: 
 
 
Xb
dt
dS
Y
dt
dO
1
2 +′= ... 24 
 
 
Y ' - demanda de oxígeno para síntesis de biomasa 
b1 - demanda de oxígeno por unidad de biomasa para mantenimiento 
 en términos finitos 
 
O2 = Y
 1 ΔS + b1 XV ... 25 
 
 
12. NITRIFICACION 
 
Se denomina nitrificación al proceso biológico en dos etapas mediante el cual el nitrógeno amoniacal 
es convertido en nitrato. 
 
Existen dos grupos de bacterias responsables de este proceso: Nitrosomas y las Nitrobacter. Se trata de 
bacterias: autótrofas (utilizan carbón inorgánico para síntesis), aerobias (utilizan oxígeno molecular 
como aceptor final de electrones), quimiotótrofas (utilizan la energía obtenida en reacciones de 
oxidación). 
 
La reacciones de obtención de energía se presentan en forma simplificada: 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 30 
 
 
 +− +→+ H3NOO
2
1
NH 223 …26 
 
−− →+ 32212 NOONO ...27 
 
 
 
este proceso puede realizarse en reactores con biomasa en suspensión o biomasa fija, y en ambos casos 
en el mismo reactor en el que se realiza la degradación de la materia orgánica o en un reactor posterior 
utilizado exclusivamente para nitrificación. 
 
 
Cinética de la nitrificación 
 
Se ha demostrado que el crecimiento de las bacterias nitrificantes puede representarse por la cinética de 
Monod según la ecuación 7: 
 
SK
Sμμ
s
m += ...28 
 
 
siendo S la concentración de sustrato limitante, en este caso la fuente de energía. 
 
En régimen estacionario no se ha observado acumulación importante de nitritos, por lo que se 
considera que el paso limitante es la conversión del nitrógeno amoniacal a nitrito mediante las 
Nitrosomas. 
 
El proceso total de nitrificación puede ser descrito mediante la expresión: 
 
( ) ( ) [ ][ ]+++= 4SN 4NmN NHK NHμμ ... 29 
 
siendo: 
 
(μ)N - velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas 
 
(μm)N - máxima velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas 
 [NH4+ ]- concentración de nitrógeno amoniacal en el reactor 
 
KSN - constante de saturación 
 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 31 
 
En condiciones de régimen estacionario el inverso de la edad celular ( θX -1) es igual a la velocidad 
específica de crecimiento de la biomasa μ. Esto explica que cuando se desea establecer un proceso de 
nitrificación en un sistema de lodos activados, la edad celular deberá ser inferior al valor de la máxima 
velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas (μm)N. De otro modo se producirá un lavado de 
bacterias nitrificantes en el reactor. 
 
 
13. DENITRIFICACIÓN 
 
La denitrificación ocurre en un medio anóxico, en el que bacterias facultativas como la Achromobacter, 
Aerobacter, Bacillos, Flavobacterium, Pseudomonas y Spirillum obtienen el oxígeno para su 
respiración de la reducción del nitrato y el nitrito en ausencia de oxígeno molecular. 
 
La ecuación que representa el proceso es: 
 
6 NO3
- + 5 CH3OH 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH
- ..... 30 
 
esta ecuación puede representarse secuencialmente por: 
 
NO3
- NO2
- NO N2O N2 ..... 31 
 
Como los últimos 3 compuestos de esta secuencia son gases, escapan directamente a la atmósfera. 
 
La denitrificación está limitada significativamente por la disponibilidad de nitrato y cumple con el 
modelo cinético del tipo Monod. 
 
En caso de haber presencia de oxígeno molecular en el medio, el sistema enzimático de la 
denitrificación se verá inhibido. Sin embargo el hecho de detectarse oxígeno disuelto en el seno del 
líquido no da una medida representativa del oxígeno disuelto en el interior del flóculo del lodo. Pueden 
existir condiciones anaerobias en el interior del flóculo biológico aún en un sistema aerobio. 
 
La velocidad de denitrificación puede expresarse en función de la concentración de sustrato (s) y del 
oxígeno disuelto en la zona anóxica: 
 
 ( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+= DOK
K
SK
Sμμ
Do
Do
D
DmD .... 32 
 
 
donde: 
 μD = velocidad específica de denitrificación 
 
 (mg NO3 / mg ssv-d) 
 
(μm)D = velocidad específica máxima 
C. Menéndez. Microbiología Aplicada 
 32 
 
 
KD = constante de saturación mg L
-1 de DBO 
 
DO = concentración de oxígeno disuelto mg L-1 
 
Kdo = constante de saturación mg L
-1 de oxígeno disuelto. 
 
De la ecuación 32 queda claramente definido que la velocidad de denitrificación disminuye en la 
medida que lo hace la DBO disponible y el oxígeno aumenta. 
 
Las características de la fuente de carbono influye significativamente en la denitrificación. 
Generalmente se emplean en tal sentido compuestos fácilmente biodegradables como el metanol, el 
ácido acético y la glucosa.