Interzoo 2016 – Grotech, la linea Reef e il video della nuova colla a polimeri
Nella lunga carrellata di aziende presenti ad Interzoo 2016 non poteva certo mancare Grotech, marchio tedesco di sicura qualità che da anni ormai vanta una linea di prodotti apprezzati dagli acquariofili di tutto il mondo. GroTech Aquarientechnik GmbH, giocava quasi in casa in questa fiera visto che la sua sede di Ahorn dista poco meno […]
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Los Biopellets son el mas reciente avance en control de nutrientes para acuarios marinos. Muchos acuaristas han apostado por ellos. Otros, sin embargo, no han tenido los mismos resultados positivos. ¿Qué es esta nueva tecnología y cómo puede ser perfeccionada?
Magnifico reef de Krzyztof Tryc. Los biopellets mantienen los nitratos a niveles indetectables, pero aun usa un removedor de fosfatos.
También conocidos como "bioplásticos", "polímeros sólidos", o "vodka sólido", estos pequeños trozos plasticos de color caramelo representan la tendencia más reciente en la dosificación de carbono organico para el control de nutrientes. La teoría esencial es que si agregamos carbono a nuestros acuarios, se promoverá el crecimiento de bacterias que prosperan alimentandose de nitratos y fosfatos. Todos los diferentes nombres comerciales se refieren a la misma cosa básica: cuentas o bolitas de un polímero biodegradable plástico sólido, utilizados en un reactor de flujo ascendente para el control de nutrientes. El objetivo principal de aplicar estos biopellets es la reducción de nitratos y fosfatos en el acuario marino. Como el uso de biopellets aún esta en su infancia, hay muchas preguntas a ser respondidas por la investigación y las pruebas de ensayo y error que realizan los aficionados a los acuarios. Sin embargo, la ciencia detrás de esta nueva tendencia tecnológica sirve a la vez como apoyo y es por demas interesante.
La metodología básica es que los biopellets, una fuente de carbono orgánico, se colocan en un reactor de lecho fluido que está conectado a un acuario. Las bacterias heterotróficas -bacterias que obtienen el carbono orgánico de compuestos orgánicos en lugar de asimilar el dioxido de carbono disuelto como lo hacen las bacterias autótrofas- viven y se "alimentan" en los polímeros granulados y en el proceso toman nutrientes disueltos como nitratos y fosfatos. El agua en movimiento a través del reactor de flujo ascendente mueve continuamente la masa de biopellets lo que causa que estas bacterias sean retiradas de las superficies de estos para su posterior exportación fuera del acuario. La mayoría de los aficionados creen que los espumadores de proteínas funcionan como el mecanismo principal para eliminar estas bacterias cargadas de nutrientes, pero el actual metabolismo de estos en formas inorgánicas como el gas nitrógeno también juega un papel vital en la reducción de nutrientes. Entonces, ¿cómo los biopellets cambian la base biológica en un acuario marino?
Las densidades de bacterias estan limitados en muchos sistemas marinos por el carbono (al menos en términos de los tipos de carbono organico que las bacterias heterotróficas son enzimáticamente capaces de utilizar), por lo que la adición de una fuente de carbono (en este caso, los biopellets) reduce esta limitación. Como estas bacterias viven, se reproducen y crecen por el consumo de la media, forman complejas comunidades microbianas llamadas biofilms. Las bacterias que viven dentro de estos biofilms asimilan los nutrientes disueltos, como el nitrato y el fosfato, y otros materiales, por lo tanto "encapsulan" estos nutrientes para su posterior exportación. Como en cualquier metodología de dosificación de carbono organico, la biomasa microbiana añadida biomasa también puede aumentar la tasa neta del metabolismo bacterial, mejorando la ultima mineralización de estos nutrientes a las formas menos problemáticas. Como resultado de la reciente inundacion de productos de medias de polímero sólido y susrespectivos reactores en el mercado, esta metodología comienza a obtener un uso más generalizado. En el último recuento, por lo menos 17 diferentes productos de biopellets fueron puestos a la venta en los Estados Unidos.
Variedades de polimeros solidos y reactores de flujo ascendente estan proliferando, con muchas opciones de tamaño y de configuracion.
Que son los biopellets.
Los biopellets que los aficionados encuentran generalmente en el mercado hoy dia se componen en general de uno de los dos polímeros orgánicos, los cuales son poliésteres. Esto suena siniestro al ser algo derivado del petróleo, pero no es el caso. El primero, el poli-3-hidroxibutirato (P3HB), fue desarrollado inicialmente como un plástico biodegradable para competir con el polipropileno en aplicaciones de consumo, como materiales para embalaje. Estos polímeros se producen por el metabolismo bacterial de un sustrato de azúcar o alcohol, y diferentes especies de bacterias se utilizan para la producción, aunque la Alcaligenes eutrophus es la más común. Los polímeros son sintetizados por estas bacterias, que son "persuadidas" para producirlos bajo condiciones limitadas de nutrientes para ser utilizados como una fuente potencial de alimento. En esencia, los biopellets son comida bacteriana, producida por bacterias. Estos biopolímeros se degradan completamente en dióxido de carbono y agua a través de la acción bacteriana. La amplia mayoría de los productos de biopellets que hay en el mercado parecen estar compuestos de P3HB. Al menos dos de estos productos se componen de P3HBV. La diferencia fundamental en la eficaz reducción de nutrientes, entre estos dos polímeros, si la hay, no está clara. Algunos aficionados han reportado una disminución un poco más estable en los niveles de fosfato con el uso de P3HBV, pero que siguen siendo observaciones anecdoticas en el mejor de los casos. Adicionalmente al polimero, algunos productos biopellet contienen otros materiales, en forma de rellenos, incluyendo un nucleante ceramico(polvo de cerámica mezclado con el polímero a traves del cual se pretende aumentar la porosidad de los biopellets).
Ventajas Promocionadas y Asumidas de los Biopellets
Uno suele suponer que una ventaja de usar biopellets en un reactor para el control de nutrientes (opuesto a añadir una fuente de carbon organico liquido, por ejemplo, con un suplemento comercial, glucosa, vinagre o vodka) es que le permite al aficionado tener más control sobre la adición de carbono orgánico en el agua de mar del sistema: él o ella no tienen que añadirlo para todo el sistema. Del mismo modo, el riesgo de sobredosis es supuestamente eliminado debido a que la fuente de carbono orgánico se encuentra aislado, en forma sólida, permitiendo que las poblaciones de bacterias existentes tengan acceso a la fuente de carbono que de otra forma estarian limitadas. Las comunidades de bacterias, pensando de manera lógica, solo aumentaran en la medida en que estas son sutentadas por el carbono orgánico disponible, y por lo tanto estaran auto-limitadas en ese sentido. Un supuesto beneficio adicional es que los polímeros producen bacterioplancton (similar a los sistemas basados en zeolita) por medio de las biopelículas que se rasgan (desplazadas por la fuerza del agua que se mueve a través del reactor), y por lo tanto causan la liberación de agregados bacterianos en el sistema donde alimentan a los corales, tales como algunos de las familias Acropora y Pociloporas. Más y más acuaristas están experimentando con estos biopellets y reactores, pero la eficacia de estos productos, en comparación con las metodologias de dosificación de carbono orgánico, siguen siendo una gran interrogante. A continuación veremos algunas limitaciones de este nuevo enfoque de control para el nitrato y fosfato, en un esfuerzo por fomentar futuras mejoras y refinamientos.
Arrecife Experimental mantenido por el autor en Dallas, Texas, con polímeros sólidos de los como fuente de carbono para apoyar el crecimiento y el metabolismo de bacterias que consumen nitratos y fosfatos.
Potenciales Desventajas de los Biopellets
Habiendo experimentado con al menos cinco diferentes marcas de biopellets en multiples sistemas, personalmente he encontrado que estos no siempre son tan buenos reduciendo nutrientes como otras metodologias de dosificación de carbono. Hay algunos sistemas donde son muy efectivos, pero esto parece ser dependiente de cada sistema. "Varias semanas despues de instalar el reactor de biopellets en mi nano de 29 galones", diria un acuarista avanzado, "mis niveles de nitratos y fosfatos han caido a niveles indetectables". Otro, sin embargo, dijo, "Yo no puedo ver ninguna diferencia real cuando he añadido un reactor de biopellets en mi sistema. " Una posible explicación para el éxito o el fracaso de los biopellets es que las bacterias heterótrofas genéticamente capaces de producir enzimas, las cuales permiten la eficiente utilización de un polímero dado, no están presentes en cada sistema. Un inoculante bacteriano creado específicamente para biopellets podría ser útil, pero aún no ha sido desarrollado mientras esto se escribe. He notado una reducción de fosfato ligeramente mejor con algunos productos que utilizan PHBV como fuente de polímero. En general, sin embargo, he tenido mejores resultados en mi propio sistema que utiliza otros métodos, incluidas fuentes de carbono comerciales y DIY, que utilizando biopellets solamente. También he tenido más éxito con la adición de una fuente de carbono líquido (en este caso una mezcla de etanol [vodka], ácido acético [vinagre], y ácido ascorbico[vitamina C]), en conjunción con biopellets frente a la utilización exclusiva de estos ultimos. Sin embargo, aun no observo el mismo nivel y estabilidad en la reducción de nutrientes como lo hice con otros metodos facilmente modificables (por su dosificacion). Hablando con acuaristas marinos he notado que esta experiencia con biopellets es muy variable y está muy extendida en la afición. Algunos los aman, otros no están seguros de quetan útiles sean, y algunos están dispuestos a intentar otra cosa. Hay otras posibles explicaciones para la diferencia en la eficacia reductora de nutrientes de los biopellets, cuando se compara con otros métodos de administrar carbono al acuario. En primer lugar, la metodología biopellet carece del mismo nivel de control de otros sistemas de dosificación de carbono orgánico, tal como las fuentes líquidas de CO, en que la que los únicos parámetros que el aficionado puede ajustar es la cantidad de media en el reactor y el caudal de agua de mar que pasa a través del reactor. Esta falta de control puede, sin embargo, ser mitigada en cierta medida por el hecho de que las comunidades de bacterias que viven y consumen el polímero estará limitada por otros factores, entre ellos la cantidad de otros nutrientes presentes(que no contienen carbono) y la depredación de otros microorganismos. Una segunda posibilidad, relacionada con la primera, es que tanto la efectividad en la reducción de nutrientes de los biopellets y el control que el aficionado tiene sobre el proceso se determinan en gran medida por la hidrodinámica (La dirección y magnitud del flujo de agua de mar en la cámara) junto a las biopelículas que se desarrollan en la media en el reactor. A menos que sea aumentando o disminuyendo el flujo o la cantidad de media, el aficionado no tiene una influencia efectiva sobre las condiciones hidrodinámicas en el reactor con el equipo actualmente disponible. El desprendimiento de la biopelícula afecta el crecimiento, actividad metabolica y estructura de lo que se desarrolla en la superficie de los pellets. El desprendimiento se produce cuando las fuerzas externas, tales como el corte, superan la capacidad de aderencia de la película biológica y estos procesos de separación incluyen la abrasión, erosión y desprendimiento. La abrasión es el desprendimiento continuo de pequeñas partículas de biopelicula que ocurre cuando las partículas en suspensión chocan con esta. La erosión es el desprendimiento continuo de pequeñas partículas de biofilm causada por el movimiento de fluidos adyacentes. El desprendimiento es la separación periódica de grandes trozos de biofilm. La comprensión de los distintos procesos y el aprendizaje necesario para su control será fundamental para el desarrollo de mejores reactores de carbon sólido y polímeros para aplicarse en acuarios marinos, y esta area esta madura para la experimentación. En tercer lugar, la exportación de las bacterias y agregados bacterianos que se desprenden de la media a través del espumador de proteínas, su consumo por otros organismos, o de lo contrario sigue siendo sólo una parte de la pelicula llamada reduccion de nutrientes. No hay duda de que los nutrientes que son aislados por las bacterias posteriormente son exportados a través del espumado hasta cierto punto. Una cantidad sustancial de la reducción de nutrientes que se produce con cualquier metodología de dosificación de carbono es debido al metabolismo y posterior mineralización de materia orgánica disuelta y particulada por las comunidades microbianas. Al exponer los BioPellets a un volumen limitado del sistema dentro de un reactor, las biopelículas que crecen en otras las áreas del sistema pueden estar sujetas a la limitación de carbono, misma que existía antes de que la metodología fuera empleada. Dicho de otra manera, utilizando BioPellets en un reactor puede impactar la eficacia de otras zonas en el sistema adecuadas para desarrollos robustos de biopelículas tales como la arena, la roca y los corales. En cuarto lugar, las biopelículas en las que el procesamiento de nutrientes significativo se produce, están óptimamente pobladas por muchas especies distintas de bacterias, además de otros microorganismos, cada uno de los cuales está genéticamente codificada para secretar enzimas diferentes que son utilizadas para la asimilación de nutrientes. Como resultado, estas especies de bacterias diferentes preferentemente utilizaran diferentes fuentes de carbono orgánico, y esto es el principio subyacente a la práctica de la dosificación de fuentes mixtas de carbono. El uso de una única fuente de carbono orgánico puede inhibir la diversidad de múltiples cepas bacterianas que habitan en estas biopelículas, al menos aquellas que se desarrollan en la media. El impacto de los aglutinantes y rellenos utilizados en el proceso de fabricación también requiere una mayor investigación. Por último, la eficacia de esta metodología como una estrategia de alimentación para ciertos corales no ha sido determinada. La cantidad y frecuencia de intercambio bacteriano a partir de la media de polímero al sistema es altamente dependiente de la intensidad de las fuerzas hidrodinamicas que intervienen.
Futuros avances en la metodología biopellet
Estas potenciales desventajas pueden ser compensadas por los avances en el diseño tanto de los polímeros como de los reactores en que se utilizan, y este tema se está estudiando. Por ejemplo, sabemos que la hidrodinámica influye en la formación de biopelículas, incluyendo su estructura, densidad y espesor, pero no sabemos el resultado exacto de los cambios de una característica hidrodinámica en particular. En consecuencia, más investigación y mejoras en la tecnología de estos reactores puede permitir al aficionado hacer valer un mayor control sobre estas fuerzas. Modificar los regímenes existentes de flujo pueden permitir mejorar la capacidad del procesamiento de nutrientes de las comunidades bacterianas que residen en las biopelículas. Es posible que mejoras como éstas serían relativamente sencillas. Tal vez podríamos utilizar una bomba con la variable de salida programada para que eleve la velocidad de flujo periódicamente para inducir fuerzas máximas de corte con el fin de desalojar algunas zonas existentes de biopelículas. Esto puede aumentar la cantidad desalojada de agregados bacterianos y exportado al tanque principal para propósitos de alimentación y fomentar un rápido crecimiento y diversidad dentro de la biopelícula en el largo plazo. Un flujo variable en el curso de un periodo de 24-48 horas podría también aumentar la actividad metabólica de los grupos bacterianos que están consumiendo los gránulos. Otra área potencial a desarrollar serían las modificaciones a la forma de la misma media para optimizar la interfaz fluido/biopelícula para la transferencia de nutrientes. La identificación de los parámetros óptimos para una determinada carga de nutrientes sería difícil, ya que una investigación definitiva que sugeriría una forma optima para una media determinada en un régimen de flujo definido todavía no se ha llevado a cabo. Algunos fabricantes están comercializando bolitas esféricas, en contraposición a los más comunes gránulos cilíndricos, pero no está claro si esto afecta positivamente el procesamiento de los nutrientes. Finalmente, mezclando diferentes polímeros u otras fuentes de carbono orgánico en la misma media pueden disminuir el efecto negativo de utilizar una sola fuente de carbono orgánico. Sin embargo, esta combinación de polímeros en un solo granulo representa un desafío debido a que los diferentes materiales tienen diferentes puntos de fusión, haciendo difícil combinar los polímeros antes de la extrusión. Otros polímeros además del P3HB y P3HBV, tales como el poli-4-hidroxibutirato (P4HB), polyhydroxyhexanoato (HPH), polyhydroxyoctanoato (OPS), y copolímeros de estos materiales pueden funcionar. Puede ser factible también integrar otra fuente adecuada de carbono orgánico, tal como un isómero de glucosa, en la media. Actualmente al menos un fabricante está investigando el desarrollo de una mezcla de polímeros de pellets para el mercado de los acuarios marinos. Queda por ver si la mezcla de polímeros sería capaz de sostener una biopelícula más diversa que los gránulos fabricados de un solo polímero. Si bien existen varios "detalles" con los polímeros granulados, su facilidad general de uso y las ventajas percibidas significan que este método de dosificación de carbono orgánico continuara ganando popularidad en la comunidad de acuaristas marinos. Con más investigación sobre la composición del producto y el impacto sobre el mismo de la hidrodinámica, estos polímeros pueden muy bien convertirse en una muy eficaz técnica para el control de nutrientes.
Murray W. Camp es un acuarista marino y autor con experiencia de más de 17 años de experiencia en mantenimiento de reefs. Da conferencias frecuentemente en eventos sobre acuarios marinos en todo el país.
Traducción: Jorge Reyes
Katalyst (Brightwell Aquatics)
BioMaxx Plus Biopellets (AquaMaxx)
NOPO Biopellets (Reef Dynamics)
Marine Bio Pearls (Bio Aquatek, Ltd)
Pro Bio Pellets (Vertex)
NP Biopellets (Reef Interests)
NPX Bioplastics (Two Little Fishies)
EcoBak (Warner Marine)
NpX BioBeads (Oceanic Corals)
ATB Biopellets (ATB)
Biospheres (Coralvue)
NP-Active Pearls (Dr. Tim’s Aquatics)
Bio-Stimulant Crush (Thrive)
NitrateMinus Pearls (Tetra)
Phosballs (SeaSlug)
Bio-Spheres (Reef Octopus)
NPBP (Aqua Vision Aquatics)
Al margen del artículo original pero relacionado y con información muy interesante:
El futuro de los plasticos biodegradables.
El poli-3-hidroxibutirato (PHB) es un poliéster termoplástico fabricado naturalmente por las bacterias Ralstonia eutropha y Bacillus megaterium. Aunque el PHB es biodegradable y no depende de combustibles fósiles, este bioplástico siempre ha sido demasiado caro como para reemplazar a los derivados del petróleo. Un nuevo trabajo, publicado en la revista de acceso libre Microbial Cell Factories, describe un método alternativo para producirlo en microalgas.
El PHB es sintetizado en las bacterias a partir del acetyl-CoA, y usando tres enzimas. Los genes de estas enzimas se introdujeron por ingeniería genética en una diatomea (Phaeodactylum tricornutum), resultando en la expresión de las enzimas correspondientes y de gránulos de PHB. Luego de sólo siete días, casi el 10% del peso seco de las diatomeas era PHB.
Según los investigadores alemanes Franziska Hempel, Uwe Maier y Alexander Steinbüchel, “la producción de plásticos por fermentación bacteriana es muy cara, y aunque se ha probado introducir los genes de interés en plantas, estas son de crecimiento más lento. En cambio la diatomea P. tricornutum necesita casi nada más que luz y agua y puede producir en semanas la cantidad de PHB que producen estas plantas en meses”.
