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Latin american journal of aquatic research

versión On-line ISSN 0718-560X

Lat. Am. J. Aquat. Res. v.38 n.1 Valparaíso  2010

 

Lat. Am. J. Aquat. Res., 38(1): 129-142, 2010.

Research Article

 

Biorremediación de los efluentes de cultivo del camarón Litopenaeus vannamei (Boone, 1931) utilizando tapetes microbianos en un sistema de recirculación

Bioremediacion of effluents ones of the culture of Litopenaeus vannamei (Boone, 1931) using microbial mats in a recirculating system

 

Carlos Lezama-Cervantes1, 2, José de Jesús Paniagua-Michel1 & Jorge Zamora-Castro1

1Departamento de Biotecnología Marina, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Km 107 Carr., Tijuana-Ensenada, BC., México.
2Dirección actual: Facultad de Ciencias Marinas, Universidad de Colima, Km 20 Carr., Manzanillo-B Navidad, Colima, México.

Dirección para correspondencia


RESUMEN. Se desarrolló un sistema de recirculación (SR) integrando el cultivo del camarón con tapetes microbianos buscando mitigar los impactos ambientales de los subproductos del cultivo del camarón y avanzar hacia la biorremediación del agua de cultivo. Los consorcios microbianos obtenidos de ambientes naturales (TaM) estuvieron constituidos por bacterias (55,6%), cianófitas (18,4%), diatomeas (9%), nemátodos (5,6%) y clorófitas (1,4%), entre los grupos taxonómicos principales. La remoción de nutrientes y sólidos se evaluó en un SR (2 ciclos/hora) conteniendo (n = 3) 60 y 120 ind m-2 de Litopenaeus vannamei. Los resultados demostraron que los TaM redujeron los niveles de nitrógeno amoniacal por encima del 71% diariamente; la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) se redujo más de 68% y los sólidos suspendidos (SST) hasta en 62% al compararse con los sistemas control (p < 0,05). Los TaM secuestran la materia orgánica y mineral y ejercen un efecto clarificador en la columna de agua. La descomposición de la materia orgánica se debe al acoplamiento estrecho entre fotoautótrofos y nitrificantes contenidos en los TaM. Esta condición aumenta los niveles de nitrógeno inorgánico en la columna de agua y acelera la nitrificación por arriba de 10 mg N-NO3-L-1 (120 ind m-2), con lo cual se produce un aumento de hasta 750% más nitratos que los sistemas control. La remoción del fósforo no fue significativa (p > 0,05). El agua bio-remediada tiene un efecto positivo en el cultivo de Litopenaeus vannamei, y promueve el crecimiento y sobrevivencia en presencia de TaM en el SR.

Palabras clave: tapetes microbianos, efluentes de camarón, sistemas de recirculación, Litopenaeus vannamei, México.


ABSTRACT. We developed a recirculating system integrating shrimp culture with microbial mats aiming to mitigate the environmental impacts of by-products from shrimp culture and to advance toward the bioremediation of the shrimp culture water. The microbial consortia collected from natural environments (TaM) was constituted by bacteria (55.6%), Cyanophyte (18.4%), diatoms (9%), nematods (5.6%) and Chlorophyte algae (1.4%) among the major taxonomic groups. The removal of nutrients and solids by these mats was assessed in a recirculating system (2 cycles/hour) (n = 3) containing 60 and 120 ind m-2 of Litopenaeus vannamei. Results showed that the microbial mat reduces daily up to 71% of ammonia nitrogen, decreases around 68% of the biochemical oxygen demand (DBO5) and up to 62% of suspended solids (SST) when comparing to the control systems (p < 0.05). By trapping organic and mineral matter, microbial mats have a clarifying effect on the water column. The mats effectively traps particulate matter and break it down with great efficiency due to the tight coupling between autotrophs and nitrifyers in the mat. This feature increases inorganic nitrogen levels in water column and accelerates nitrification up to 10 mg N-NO3- L-1 (120 ind m-2) producing 750% more nitrates than the control systems. Nevertheless, phosphorus removal was not significant (p > 0.05). The Bioremediated culture water had a positive effect on the culture of Litopenaeus vannamei, and promotes higher survival and growth in presence of TaM in the recirculating shrimp culture system.

Keywords: microbial mats, shrimp effluents, recirculating system, Litopenaeus vannamei, México.


 

INTRODUCCIÓN

A pesar que la acuacultura es considerada como una actividad exitosa generadora de alimentos, el impacto de sus efluentes ricos en material disuelto y suspendido como nitrógeno, fósforo y carbono ha empezado a atraer la atención por el riesgo que tienen sobre la diversidad y el hábitat (Boyd & Gautier, 2000; Cohen et al., 2005). El volumen en aumento de sus efluentes exige la aplicación de mejores prácticas de manejo para detener la alteración del ambiente. De igual forma, dentro del mismo sistema de producción, el alimento no consumido y las heces deterioran la calidad del agua, lo que afecta el consumo alimentario, crecimiento, sobrevivencia y rendimiento, particularmente en sistemas con recambio de agua reducido (Thompson et al., 2002; Thakur & Lin, 2003; Cohen et al., 2005). De los residuos generados, los sólidos suspendidos finos (< 30 µm) y los disueltos representan el mayor desafío para el ambiente debido al escaso o nulo tratamiento que reciben, demandan oxígeno y eutrofican las aguas receptoras (Páez-Osuna, 1997; Losordo et al., 1998; Trott & Alongi, 2000). En México la camaronicultura ha crecido considerablemente, particularmente en la región noroeste, donde las epizootias en los sistemas de producción y el efecto de sus efluentes son conocidos (Agraz-Hernández et al., 1999).

Para tratar los efluentes del cultivo del camarón, Teichert-Codington et al. (1999) sugieren la sedimentación, Kinne et al. (2001) y Ramos et al. (2008) proponen la biofiltración mediante moluscos y Neori et al. (2000) sugieren humedales artificiales. Abeysinghe et al. (1996) y Tseng & Wu (1998) recomiendan el uso de reactores nitrificantes y clarificadores. Sin embargo, estas propuestas tienen como desventaja los costos de inversión y operación o la sensibilidad de los ambientes adyacentes.

Una alternativa ambientalmente compatible es la biorremediación, la cual utiliza microorganismos capaces de degradar y reducir xenobióticos. En este contexto, Granados-Machuca (1999) y Paniagua-Michel & García (2003) evaluaron a nivel ex situ la capacidad de tapetes microbianos para depurar el nivel de carga orgánica (DBO5) y de compuestos nitrogenados (N-NH4+, N-NO2- y N-NO3-) de un efluente de cultivo de camarón. Similarmente, Bender et al. (2004) encontraron evidencias de nitrificación con tapates microbianos en cultivo de Centropristis striata, además de niveles de oxigenación adecuados en el cultivo.

En el medio natural, los tapetes microbianos están constituidos por comunidades autotróficas y hetero-tróficas (Paerl, 2000; Bender et al., 2004) con una diversidad de diatomeas, cianobacterias, bacterias púrpuras, bacterias reductoras y no reductoras de sulfato, entre otros taxones y se distribuyen en todo el mundo, y son abundantes en costas de clima árido (D´Amelio et al., 1989; Ferris & Ward, 1997).

Considerando como base la magnitud de los efluentes del cultivo de camarón y su efecto en los ambientes costeros, se propone desarrollar una metodología de biorremediación basada en el empleo de tapetes microbianos para disminuir los niveles de nitrógeno, fósforo y la demanda bioquímica de oxígeno en un sistema de recirculación diseñado para el cultivo de Litopenaeus vannamei (Pérez-Farfante & Kinsley, 1997). Asimismo, se considera la aplicación potencial de esta biotecnología para maximizar la producción en un sistema de cultivo comercial de camarón.

MATERIALES Y MÉTODOS

Obtención de los consorcios microbianos

Entre mayo y octubre de 2003 se colectaron muestras de consorcios microbianos en los estanques de producción de camarón de la granja Vizsomar, ubicada en el km 170 de la carretera Ensenada-San Felipe, B.C., México (31°12´09,21"N, 114°53´ 47,07"W). Estas muestras fueron transportadas al laboratorio húmedo del Departamento de Biotecnología Marina del CICESE donde se procedió a su aclimatación y cultivo. A partir de estas muestras, se aplicó un proceso de resiembra y cultivo sobre poliéster de baja densidad (PBD) (1,1 m2 de tapete, TaM) (Paniagua-Michel & García, 2003; Zamora-Castro et al., 2008). Para la mezcla de las muestras, se determinó la cantidad de tapete como biomasa seca (Zhu & Lee, 1997; Kim et al., 1999) necesaria para remover 1,0 mg de N-NH4+ L-1 d-1, y a partir de esto las muestras se combinaron en partes equivalentes de la capacidad para remover el amonio.

Como medio de cultivo para el inóculo se utilizaron efluentes de cultivos intensivos de camarón (50-100 ind m-2, alimentados con nutrimento al 30-35% de proteínas y a una razón del 6% de la biomasa en dos raciones). Estos residuos líquidos fueron homogenizados con agitación por 20 min y dejados en reposo por 10 min para eliminar los sólidos particulados. Posteriormente, se decantó el sobrenadante y se filtró secuencialmente a 100, 35 y 10 µm a una presión de vacío < 25 mm Hg y finalmente se esterilizó a 121ºC por 25-45 min (según el volumen). Una vez frío, el medio fue adicionado con nitrógeno y fósforo inorgánico para obtener una concentración final de 5 mg N-NH4+L-1, 1 mg N-NO2 L-1 y 3 mg P-PO4-3 L-1. En este medio se colocó el PBD inoculado con la mezcla de microorganismos sobre un contenedor de plástico (40x60 cm) y se introdujo por 30 días dentro de un invernadero (6x14x3 m) con cubierta transparente y paredes con membrana de mosquitero, para mantener un ambiente controlado, regulado los factores físicos y químicos como la temperatura en 27 ± 2°C, salinidad de 35 ± 1,5 y humedad relativa superior al 60%.

Construcción y funcionamiento del sistema de recirculación

Posteriormente, para probar el efecto del TaM sobre la calidad de los efluentes de un cultivo intensivo de camarón, se coloco el TaM (200 y 400 cm2) al interior de un sistema de cultivo (sistema de recirculación, por triplicado; 3 n) construido ex profeso con un área de 0,5 m2 (0,1 m3) (Fig. 1a), dentro del cual se introdujeron 60 y 120 individuos m-2 (ind m-2) de camarón blanco (L. vannamei) con un peso de 1,0 ± 0,1 g y alimentados con dietas comerciales (Purina y Zeigler) con un contenido de proteínas entre 25 y 40%. El alimento se proporcionó a una tasa entre 4 y 6% en base a la biomasa, ofreciendo dos raciones iguales (09:00 y 18:00) de acuerdo a Velasco et al. (1999).


En el sistema de recirculación se generó el movimiento del agua a 2 ciclos/h, a través de elevadores de aire ("air lifts") inyectando en el interior de un tubo de PVC de 1" aire a un flujo de 3,6 Lpm, lo cual permitió crear en un contenedor lateral un hidrociclón (Fig. 1b), para separar del sistema los residuos mayores a 100 µm (Timmons et al., 2002). En el fondo del hidrociclón, se colocó una llave de PVC de ½" para drenar los sólidos dos veces al día (12:00 y 20:00 h), desalojando un máximo de 0,5 L d-1 (0,5% del total). Se programó que el desagüe y el agua añadida para recuperar la pérdida por evaporación, fuera como máximo el 1% del sistema. Posteriormente, el agua pasó a través del TaM (Fig. 1c) actuando específicamente con los sólidos suspendidos (SST) y disueltos del sistema, ricos en compuestos carbonosos (DBO5), fosfatados (P-PO4-3 y P orgánico) y nitrogenados; nitrógeno amoniacal total (NAT; N-NH4++ NH3), nitritos (N-NO2-) y nitratos (N-NO3-), además de N orgánico.

Registro de parámetros

Diariamente, durante 27 días se tomaron registros de temperatura con un termómetro (libre de mercurio EasyRead VWR) con una escala de -10 a 40°C en horario diurno y vespertino (08:00 y 17:00 h), el pH con un potenciómetro de mesa (400+ Orion), la salinidad con un refractómetro portátil (VistaVision VWR) con escala de 0 a 100 unidades prácticas de salinidad (UPS). Para la determinación de otras variables, se colectó agua en una botella de DBO de acuerdo a APHA (1995) y se llevó al laboratorio seco donde se determinó el oxígeno disuelto con un monitor digital (5300 YSI). También se determinó la concentración de nitrógeno amoniacal (NAT) mediante la técnica del fenato descrita por Parsons et al. (1984); la estimación de nitritos (N-NO2-) se basó en la formación de grupos azo (N=N) según describe Parsons et al. (1984), los nitratos (N-NO3-) previa reducción en una columna de cadmio activo (Parsons et al., 1984), se analizaron de forma similar a nitritos, la suma de estas especies nitrogenadas se reportó como nitrógeno inorgánico disuelto (NID). La determinación de fósforo reactivo (PO4-3) se efectuó por el método del molibdato-ascorbato (Parsons et al., 1984). Para la determinación analítica de estas especies químicas se utilizó un espectrofotómetro de arreglo de diodos (Hewlett Packard 8453). Finalmente, para estimar la demanda bioquímica de oxígeno a cinco días (DBO5) y la determinación de los sólidos suspendidos totales (SST), se aplicaron las relaciones descritas en APHA (1995).

Biometría y tratamiento estadístico

En los organismos se determinó semanalmente la tasa de crecimiento por la ecuación: TC = (w2-w1)/t, donde TC = tasa de crecimiento (g d-1); w2 y w1 = peso final e inicial respectivamente (g) y t = tiempo (días). La sobrevivencia calculada por S = (Σnf / Σni) 100, donde S = sobrevivencia (%), Σnf y Σni = es el número de organismos al final e inicio respectivamente, y el factor de conversión de alimento FCA = alimento proporcionado (g) / biomasa ganada (g) en un mismo periodo de tiempo.

A las variables de interés se les aplicó un escrutinio estadístico a partir del análisis de varianza de una y dos vías (Zar, 1984; Yamane, 1999), para datos uniformes y homoscedásticos o su valor transformado (Zar, 1984). Para el escrutinio a posteriori se utilizó la prueba de Student Newman-Keuls-SNK (Zar, 1984) con una confianza del 95% (α = 0,05). Estos ensayos fueron realizados con el software ProStat 3.01 (Poly Software International, Inc.) y Statistical 5.5 (StatSoft, Inc.).

RESULTADOS

Tapetes microbianos

El tapete microbiano formado alcanzó una biomasa seca de 492,8 ± 46 g m-2. La comunidad microbiana inserta al TaM estuvo dominada por cianobacterias (Phormidium sp., Oscillatoria sp., Lyngbya sp., Nostoc sp., Anabaena sp. y Chroococcus sp.), diatomeas como (Navicula sp., Amphora sp. y Pleurosygma sp.), bacterias y en menor porcentaje el nemátodo Plectus sp., clorófitas (Chloromonas sp.), ciliados como Euplote sp. y Balladyna sp., euglenoides (Phacus sp.) y una especie de rotífero (Fig. 2).


Parámetros físicos y químicos en el agua

Los parámetros ambientales registrados en el agua del sistema experimental se observan en la Tabla 1. La temperatura promedio determinada a las 12 h del día fue 29ºC ± 2, la salinidad presentó un valor promedio de 34,88 ± 0,48. Estos factores mostraron una variabilidad similar entre sistemas tratados con TaM y controles (p > 0,05). Los cultivos con mayor densidad larval presentaron los niveles promedio menores de oxígeno disuelto (OD) (Tabla 1), en relación inversa a los niveles de menor densidad larval, ambos casos (60 y 120 ind m-2) fueron superiores al compararse con las unidades de cultivo control. Las diferencias evaluadas representaron entre 29 y 36% (40-55 µM O2), más OD en los sistemas con TaM que los controles (Tabla 1) y correspondieron al registro matutino (08 h AM).


En relación al pH, se registró persistentemente una diferencia entre los sistemas experimentales con TaM y sus controles. En el agua de los tratamientos con TaM, el pH decreció con el tiempo en contraste a los controles en los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Tabla 1). Los valores promedio para los sistemas tratados con TaM variaron significativamente de los controles (p < 0,05).

El nivel de sólidos en las unidades experimentales se redujo drásticamente por efecto del hidrociclón (Fig. 1b), concentrando en él la mayor parte de sólidos (heces, alimento no consumido y ecdisis). El resto de los sólidos permaneció como suspendidos y/o disueltos. De estos sólidos suspendidos (SST), el agua de los sistemas con TaM registró los niveles más bajos, equivalentes a una tercera parte (< 37%) de SST con respecto a los controles, tanto con 60 como 120 ind m-2 (p < 0,05; Tabla 1). Esto ocurrió de manera simultánea al descenso en la DBO5 del agua en los tratamientos con TaM, en contraposición a los controles. En el agua de los sistemas con TaM se registro una DBO5 promedio de 1,36 y 1,97 mg O2 L-1, mientras que en los controles fue de 4,94 y 8,05 mg O2 L-1 para los tratamientos con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (p < 0,05; Tabla 1). Al final de la prueba (día 27), el agua del tratamiento control con 120 ind m-2 registró una DBO5 de 14,5 mg L-1 mayor que el obtenido en el sistema con TaM.

En relación al fósforo reactivo (P-PO4-3) se registró una tendencia al incremento conforme el cultivo envejece y a pesar que el agua de los sistemas con TaM presentó una concentración de fósforo ligeramente menor que los controles (Tabla 2), las diferencias encontradas no fueron significativas (p > 0,05).


La concentración del nitrógeno amoniacal (NAT) en los tratamientos con TaM registró valores de 0,84 y 1,09 mg N L-1 en los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Tabla 2), magnitud que difiere estadísticamente (p < 0,05) de sus respectivos controles (1,58 y 2,71 mg N L-1). Sin embargo, el agua perteneciente a los tratamientos con tapete microbiano presentó valores de NAT sensiblemente más altos que los controles durante el inicio de la prueba (días 4 al 7). Este aumento en el NAT se registró como un incremento de la fracción inorgánica de nitrógeno en el sistema con TaM, tanto en 60 como 120 ind m-2 (NID, Fig. 3), condición observada a lo largo del periodo experimental y que contrastó significativamente con los sistemas control.

La concentración promedio de nitritos registrada en el agua del sistema con TaM fue de 0,94 y 1,35 mg N L-1 significativamente mayor que los controles 0,21 y 0,29 mg N L-1, respectivamente para 60 y 120 ind m-2 (Tabla 1, p < 0,05). Similarmente, la concentración de nitratos en el agua de los sistemas con TaM fue de 2,73 y 3,87 mg N L-1, valores significativamente mayores a los controles de 0,32 y 0,45 mg N L-1, respectivamente para 60 y 120 ind m-2 ( p < 0,05). En el agua tratada con TaM se produjo 750% más de nitratos que en los controles (Tabla 2) y fue evidente la tendencia progresiva hacia la acumulación (Fig. 3). El nivel de nitratos en los tratamientos con TaM representó el 77,9 y 84,4% del NID, condición que difirió de los controles (17,5 y 12,5%) para los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Fig. 3), en estos últimos el NAT constituyó la especie nitrogenada dominante.


Análisis biométrico del camarón

Del rendimiento en el camarón cultivado, fue notorio que en presencia de TaM los organismos presentaron mejores índices que aquellos del sistema control (Tabla 3). La tasa de crecimiento resultó significativamente mayor (p < 0,05) en los sistemas tratados con TaM que los controles, registrando los primeros un aumento de 0,122 y 0,088 g d-1 y los controles 0,085 y 0,063 g d-1 para los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Tabla 3).


La sobrevivencia presentó diferencias estadísticas entre tratamientos (Tabla 3, p < 0,05), registrándose la mayor en los organismos pertenecientes a los sistemas tratados con TaM, con valores de 97,8 y 96,1%, mientras que en los controles fue de 81,1 y 70,6 para los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Tabla 3).

Respecto al factor de conversión de alimento, los resultados obtenidos en los organismos cultivados en presencia de TaM registraron índices de 1,42 y 1,61, que fueron significativamente menores (p < 0,05), que los controles de 1,75 y 2,14 para los sistemas con 60 y 120 ind m-2 respectivamente (Tabla 3).

DISCUSIÓN

Estructura del TaM

El TaM formado a partir de las muestras colectadas con el procedimiento descrito, permitió obtener una biomasa máxima en peso seco sensiblemente inferior a reportes de consorcios de organismos en medio natural (Urmeneta et al., 1998). La estructura del TaM tiene similitud a los reportes de Palmisano et al. (1989), López-Cortés et al. (2001), Buffan-Dubau et al. (2001) y Bachar et al. (2007), lo que permite suponer que las condiciones de cultivo del TaM fueron adecuadas para el desarrollo y madurez de los principales grupos taxonómicos insertos en el TaM, como ocurre en el medio natural.

Los organismos más abundantes insertos en el TaM (Fig. 2), corresponden a organismos cosmopolitas o comunes en la zona de colecta y de ambientes similares (Garate-Lizárraga et al., 1990; López-Cortés, 1998; Paerl, 2000; López-Cortés et al., 2001). Algunos géneros de estas microalgas se han utilizado biotecnológicamente en la remoción de derivados nitrogenados, fosfatados y carbonosos, como Phormi-dium bohneri (Dumas et al., 1998), diatomeas, cianobacterias y ciliados (Thompson et al., 2002), Nitzchia sp., Navicula sp., Phormidium sp. y clorófitas (Paniagua-Michel & García, 2003), Oscillatoria sp. (Bender et al., 2004) y consorcios de cianófitas (Terry, 2005). Los resultados de este trabajo prueban que las microalgas colectadas en el medio natural toleran el cultivo in vitro y mantienen la capacidad para mineralizar y/o remover compuestos nitrogenado generados por el cultivo del camarón. Mención aparte merece su potencial como alimento complementario para L. vannamei. La disposición de las especies en tapetes con estructura tridimensional, provee superficie y refugio adicional, lo cual contribuiría a eliminar el canibalismo, propio de L. vannamei.

Calidad física y química del agua

La temperatura y salinidad registrada en el agua de las unidades experimentales muestran una fluctuación tenue tanto en los sistemas con TaM como en los controles, con valores que oscilan dentro de niveles óptimos y/o recomendables para la producción del camarón (Whetstone et al., 2003).

Con relación al oxígeno disuelto en el agua (OD), la concentración en los tratamientos con TaM fue superior que en los controles (Tabla 1), y no se determinaron niveles críticos de OD (Stern, 1984; Whetstone et al., 2002). Los valores obtenidos en presencia de TaM durante el día comprueban la producción de oxígeno atribuida a la comunidad fotosintética en los consorcios (Bender et al., 2004), a diferencia de los sistemas control (sin TaM). Esta capacidad de oxigenación sugiere que hasta cierto nivel de cultivo, la comunidad fotoautótrofa inserta en los tapetes microbianos es capaz de producir el oxígeno necesario para sustentar la biomasa cultivada y el requerido durante la nitrificación (Komaros & Lyberatos, 1998; Bratvold & Browdy, 2001; Bender et al., 2004). Esto también representa una alternativa importante en la reducción del impacto ambiental de los efluentes de camarón en virtud que el TaM, además de oxigenar el agua residual, colabora en la reducción de la DBO5, variable que después de la cosecha alcanza niveles críticos (Costanzo et al., 2004; Handy et al., 2004).

Los niveles de SST y de DBO5 obtenidos en presencia de TaM son reportados como deseables (Whetstone et al., 2002) e inferiores al obtenido por Cohen et al. (2005). La reducción de los SST tiene una estrecha relación con la DBO, siendo los residuos particulados (SST) el mayor aporte para la DBO (Chen et al., 1991). La disminución de estas variables sugiere la presencia de micro-heterótrofos en el TaM (hasta 1,8 x106 cél cm-2) y organismos como Plectus sp. y Euplote sp. que degradan el material orgánico particulado (Liu & Han, 2004; Thompson et al., 2002). Esta condición incide en el contenido de nitrógeno y fósforo orgánico disuelto que finalmente es mineralizado por las comunidades de quimioau-tótrofos, principalmente bacterias nitrificantes (Kirch-man, 1990) hasta amonio, fosfatos y carbono, especies inorgánicas que llegan a ser consumidas por las microalgas libres o en bio-películas y consorcios microbianos (Thompson et al., 2002; Paniagua-Michel & García, 2003).

La ausencia de un proceso de remoción de sólidos disueltos y DBO5 en los sistemas control originó una demanda de oxígeno para oxidar el material orgánico (DBO5) en el agua de los tratamientos con 60 y 120 ind m-2 en este orden, lo que representó el 99,4 y 182,5% del oxígeno disponible respectivamente (Tabla 1), condición contrapuesta a los sistemas con TaM que requieren como DBO5 entre el 21 y 34% del OD. Al final del periodo experimental la demanda de oxigeno en los sistemas control fue igualmente crítica. De manera similar, los SST en los sistemas con TaM representan menos de una tercera parte de SST estimados en agua de los controles. La reducción de SST y DBO entre tratamientos fue notoria visual-mente, los controles presentaron espuma en alrededor del 45-70% de la superficie del agua todo el día, mientras que los tratamientos con TaM presentaban una espuma fugaz solo a la salida del elevador de agua ("air lift", Fig. 1b).

En el agua de los tratamientos con TaM, la demanda bioquímica de oxígeno junto con el nivel de sólidos suspendidos, representan las variables con diferencias más consistentes a lo largo de este experimento. Estas diferencias revelan el potencial del TaM para mejorar la calidad del agua de cultivo y de los efluentes, evitando así que las aguas receptoras y las del cultivo mismo, abatan su capacidad de carga y el deterioro ulterior del ecosistema (Páez-Osuna et al., 1997).

En relación al fósforo reactivo (PO4-3), el nivel registrado en el agua de los sistemas con TaM (a cualquier densidad) resultó menor que sus controles, sin embargo la diferencia no fue significativa (Tabla 2, p > 0,05). Además, es evidente una tendencia al incremento conforme el cultivo envejece, lo cual coincide con Thakur & Lin (2003). Asimismo, se aprecia una relación directa entre la biomasa cultivada y la concentración de fósforo (Tabla 2), esto sugiere que el incremento es originado por los aportes de fósforo en la dieta, producto de un balanceo inadecuado como lo reportan McIntosh et al. (2001). Adicionalmente a este hecho, Thakur & Lin (2003) reportan que menos del 20% del fósforo proporcionado en el alimento es incorporado al camarón, lo cual revela el riesgo potencial que pueden representar los efluentes del cultivo de esta crustáceo con niveles ricos en fósforo.

La concentración promedio del NAT en el agua de los tratamientos con TaM muestra valores reportados como seguros (Whetstone et al., 2002; Cheng et al., 2004) y significativamente menores a sus controles (p < 0,05; Tabla 2). A pesar de que durante el inicio de la prueba, el agua de los sistemas con TaM presenta una concentración de amonio mayor que los controles, lo que magnifica la fracción inorgánica de nitrógeno -NID, que permanece en aumento constante (Fig. 3). La progresión del NID pone de manifiesto la mineralización del material orgánico disuelto (MOD) que acontece en el agua de los sistemas con TaM, proceso común en aguas marinas eutróficas (Burford & Williams, 2001; Liu & Han, 2004). Esta condición, que contrasta con los sistemas control en este periodo y a largo de toda la fase experimental, sugiere que la mineralización del MOD transcurre de forma activa y permanente debido a la comunidad microbiana inserta en el TaM, que promueve la reducción de la DBO5 y los SST, y reduce la cantidad de espuma y aumenta la transparencia (Paniagua-Michel & García, 2003).

La concentración de nitrito y nitrato observada en el agua de los sistemas con TaM fue mayor a sus controles (p < 0,05; Tabla 2). Sin embargo, el nivel promedio de estos iones en el tratamiento con TaM fue similar a los reportes de Tseng et al. (1998) y Bratvold & Browdy (2001), pero inferior en ion nitrito a Cohen et al. (2005). La concentración de nitrato registra un aumento conforme el cultivo progresa y madura, se observa una clara sucesión entre NAT, nitrito y nitrato. Seguido del incremento constante del TAN (Fig. 3, como NID), alrededor del día 5 aparecen los nitritos, los cuales persisten hasta los días 20-21.

Paralelamente, entre los días 7 y 9, surge el ión nitrato cuya producción en el agua tiende a acumularse hasta el final de la fase experimental (Fig. 3). Esta sucesión entre especies del NID, prueba el proceso de nitrificación que oxida el nitrógeno amoniacal hasta la formación de ión nitrato pasando por nitrito (Hirayama, 1974; Hagopian & Riley, 1998). Esta etapa es atribuida exclusivamente a microorganismos autótro-fos, específicamente bacterias amonio oxidantes -BAO; tipo Nitrosomonas y bacterias nitrito oxidantes -BNO; tipo Nitrobacter (Hagopian & Riley, 1998; Timmons et al., 2002).

La nitrificación persistente en el sistema con TaM sugiere que la biomasa nitrificante estuvo activa desde el inicio y a lo largo del experimento (Fig. 3), en contraposición a los controles en los cuales este proceso acontece de forma retardada, como ocurre normalmente en los sistemas acuáticos nuevos, en los cuales el desarrollo de nitrificantes requiere entre 7 y 8 semanas (Hirayama, 1974; Mevel & Chamroux, 1981; Timmons et al., 2002; Cohen et al., 2005).

La nitrificación a pesar de ser proceso exergónico (Hagopian et al., 1998), tiene limitantes fisicoquímicas; cada gramo de NAT oxidado hasta nitrato demanda un gasto de 7,14 g de alcalinidad (como CaCO3, Timmons et al., 2002), esto explica el descenso de aproximadamente una unidad de pH en el agua de los sistemas con TaM con 60 y 120 ind m-2, proceso normal durante el progreso de la nitrificación (Ebeling et al., 2006; Van Rijn et al., 2006). Sin embargo, esta condición provocó que durante los días 17-19 la concentración de nitrito aumentara súbitamente a valores fuera de los límites seguros para el cultivo de camarón (Whestone et al., 2002), además de observar que la formación de nitrato no progresaba (Fig. 3). La solución para una crisis de esta índole en sistemas de producción de camarón habría sido la adición sistemática de alcalinidad (Hirayama, 1974; Loylesss & Malone, 1997). En este estudio con el fin de probar el TaM a su máxima capacidad, se optó por aumentar el recambio de agua en todos los sistemas (Mishra et al., 2008), del 1 al 2,5% por día para agregar alcalinidad al sistema, esto permitió relajar paulatinamente la acumulación de nitritos prosiguiendo la acumulación del nitrato hasta el final del periodo experimental (Fig. 3, días 23-27).

La elevada producción de nitrato sugiere que el proceso de remoción del TAN fue mayormente vía nitrificación en lugar de la asimilación/metabolismo. Esta actividad atribuida a la comunidad inserta en el TaM, fue capaz no solo de transformar todo el TAN producido metabólicamente por el organismo cultivado, sino también el procedente de la minera-lización del nitrógeno orgánico presente en el sistema (alimento no consumido y heces). En este trabajo no se evaluó la reducción desasimilatoria de nitrato en amonio (RDNA), de acuerdo a los resultados y a la condiciones de cultivo (temperatura, acumulación de nitrato y niveles de oxígeno disuelto), no favorecen la desnitrificacion por ninguna de las vías del RDNA la cual puede considerarse como inhibida.

Finalmente, la nitrificación en el interior del TaM no se vio afectada por la carga carbonosa (DBO5) como acontece en las películas microbianas (biofilm), en las cuales los heterótrofos dominan por inhibición competitiva sobre los nitrificantes (Cheng et al., 1995; Zhu & Chen, 2001). Esto refleja la complejidad estructural que logran los tapetes microbianos, viz, su capacidad metabólica para degradar compuestos orgánicos e inorgánicos por vías independientes (Phillips et al., 1994; Bender et al., 2004), de manera individual y/o simultáneamente.

Parámetros biométricos del camarón

La tasa de crecimiento mayor y sobrevivencia así como el factor de conversión menor de alimento fueron registrados en los tratamientos con tapetes microbianos (p < 0,05). La sobreviencia registrada en los sistemas con TaM (> 96,1%) es superior a la obtenida por Tseng et al. (1998), quienes reportan valores entre 75,9 y 60,3% para una densidad de cultivo de 80 y 160 ind m-2 respectivamente y de Thakur & Lin (2003) con 78% en cultivos de 50 ind m-2 y comparable con Otoshi et al. (2003).

Lo anterior indica que la presencia del TaM influye positivamente en el mejoramiento de la calidad del agua en beneficio del organismo cultivado (Neori et al., 2004), en particular de parámetros como SST, DBO5 y el NAT, que colaboran en la reducción del estrés físico y químico (Kir & Eroldogan, 2004; Cheng et al., 2004). El crecimiento y sobrevivencia registrados en los tratamientos con TaM (Tabla 3), permite considerar que los consorcios microbianos pueden mejorar los índices de rendimiento de L. vannamei aún en altas densidades, ya que incrementan la capacidad de carga del sistema (Mishra et al., 2008), condición que comúnmente limita estos índices cuando se cultiva en densidades altas (Davis & Arnold, 1998; Arnold et al., 2005).

Desde una perspectiva ambiental, los resultados obtenidos demuestran que los tapetes microbianos (TaM) disminuyen la carga amoniacal (71-80%) y carbonosa (68-79%), de efluentes provenientes de cultivos intensivos de camarón, con lo cual se reducen los posibles impactos en el ambiente una vez que los efluentes alcanzan su destino final. Además, su inclusión dentro del sistema de cultivo contribuye en el mejoramiento de la calidad del agua, manteniendo niveles aceptables de NAT, nitritos, DBO5 y SST con un reducido recambio de agua.

Se comprobó el potencial biotecnológico de los microorganismos colectados en el medio natural, la efectividad del TaM para remover xenobióticos se basó no solo en su estructura y función, sino también a su integración en el sistema de recirculación (SR) diseñado ex-profeso, que albergó el TaM sumergido dentro del contenedor (Fig. 1b) y posterior al hidrociclón, lo que permitió mantener la biomasa microbiana y microalgal activa en contacto con el agua, y que contribuyó a evitar que fuera contaminado por insectos o residuos propios del cultivo (Bender et al., 2004; Terry, 2005).

Esta biotecnología es innovadora, económica y ambientalmente compatible para reutilizar el agua de cultivo a la escala y en las condiciones experimentadas. Actualmente, no existen iniciativas que consideren la integración de tapetes microbianos como los desarrollados en este trabajo en el tratamiento de efluente y el co-cultivo de Litopenaeus vannamei en un sistema de recirculación.

En la aplicación de humedales para el tratamiento de efluentes, que dista mucho de nuestro desarrollo, su componente vascular incide preferencialmente en los nutrientes particulados de la columna de agua, y marginalmente en los disueltos y por lo general están orientados hacia condiciones extensivas de acuerdo a la biomasa que pueden sustentar e inciden preferen-cialmente en calidad del agua. Además, por su condición de sistema expuesto, por lo general, no considera la densidad de la biomasa de camarón, sino los tiempos de retención hidráulica. En el sistema de recirculación propuesto con tapetes microbianos, se expone durante 24 h una biomasa elevada de microorganismos bio-remediadores a los nutrientes disueltos (heces y alimento) y busca conciliar calidad del agua con capacidad de carga.

Un sistema que pudiera presentar cierta analogía con el propuesto, podría ser el de reactores nitrificantes, sin embargo estos reactores están limitados por la componente microalgal que colabora en la emisión de oxigeno fotosintético en los tapetes microbianos y colabora en el proceso aerobio de nitrificación de los tapetes e indirectamente son complemento alimentario y refugio para los camarones. Estas ventajas difícilmente pueden conciliarse y obtenerse en los reactores nitrificantes. El desarrollo de sistemas basados en tapetes microbianos es de baja energía, el soporte utilizado (polyester de baja densidad) es de fácil acceso en establecimientos comerciales y su costo público a nivel de menudeo es ca. US$ 5/m2.

El concepto desarrollado puede aplicarse a una escala superior de sistema de producción si se consideran aspectos como recambio de agua y densidad de postlarvas de acuerdo a la superficie de tapetes microbianos, aspectos importantes para una capacidad de carga adecuada del sistema a nivel de estanque o tanque de cultivo en condiciones intensivas o hiperintensivas.

AGRADECIMIENTOS

Carlos Lezama Cervantes fue becado por el programa de posgrado PROMEP de SEP-México y a través del proyecto CICESE-JPM, Bioprospección y bioacti-vidad de metabolitos y recursos marinos costeros. Expresamos nuestro agradecimiento a los Drs. Fernando Díaz y Manuel Acosta por permitir el uso de las instalaciones para el cultivo del camarón, así como al oceanólogo Enrique Félix y personal de la Granja Acuícola Vizomar.

Agradecemos la valiosa revisión y atinadas sugerencias de dos árbitros anónimos que contribuyeron a mejorar este artículo.

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Received: 19 March 2009; Accepted: 15 December 2009.

Corresponding author: José de Jesús Paniagua-Michel (jpaniagu@cicese.mx)