Evaluación de la actividad metanogénica específica de una comunidad microbiana bioaumentada para la producción de biogás

Abstract

The energetic valorization of organic waste through anaerobic digestion represents a sustainable alternative in response to increasing environmental pressure and global energy demand. In this study, the specific methanogenic activity (SMA) of a microbial consortium subjected to bioaugmentation was evaluated with the aim of enhancing operational stability and improving biogas production. A 3² full factorial design was used, considering three critical variables: chemical oxygen demand (COD), volatile suspended solids (VSS), and the bioaugmentation percentage. This approach enabled the analysis of both individual effects and interactions influencing SMA and methanogenic performance. The inoculum was obtained from sludge collected from a UASB reactor fed with water hyacinth (Eichhornia crassipes) and swine manure, resulting in a microbial community enriched in methanogenic archaea. Physicochemical characterization, complemented by morphological examination through scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), revealed compact structures with dense biofilms and the presence of mineral components serving as natural support. Statistical results showed that bioaugmentation and higher COD levels significantly increased SMA and methane production, whereas elevated VSS concentrations caused inhibitory effects associated with biomass overloading. These findings underscore the relevance of adjusting the balance between organic loading and active biomass to maintain process stability. Overall, this study demonstrates that bioaugmented inocula derived from organic waste constitute an effective and sustainable strategy to enhance methane generation and optimize the performance of anaerobic systems intended for the energetic valorization of waste.

La valorización energética de residuos orgánicos mediante digestión anaerobia representa una alternativa sostenible frente a la creciente presión ambiental y la demanda global de energía. En este estudio se evaluó la actividad metanogénica específica (AME) de un consorcio microbiano sometido a bioaumentación, con el objetivo de fortalecer la estabilidad operativa y mejorar la producción de biogás. Para ello, se empleó un diseño factorial completo 3², en el que se consideraron tres variables críticas: la demanda química de oxígeno (DQO), los sólidos suspendidos volátiles (SSV) y el porcentaje de bioaumentación. Este enfoque permitió analizar tanto los efectos individuales como las interacciones que influyen en la AME y el rendimiento metanogénico. El inóculo utilizado se obtuvo de lodos provenientes de un reactor UASB alimentado con lirio acuático (Eichhornia crassipes) y estiércol porcino, lo que generó una comunidad microbiana enriquecida en arqueas metanogénicas. La caracterización fisicoquímica, junto con el análisis morfológico mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía EDS, evidenció estructuras compactas con biopelículas densas y la presencia de minerales que actuaron como soporte natural. Los resultados estadísticos indicaron que la bioaumentación y una mayor DQO incrementaron significativamente la AME y la producción de metano, mientras que concentraciones elevadas de SSV generaron efectos inhibitorios asociados a una sobrecarga de biomasa. Estos hallazgos enfatizan la importancia de ajustar la relación entre carga orgánica y biomasa activa para mantener la estabilidad del proceso. En conjunto, el estudio demuestra que los inóculos bioaumentados derivados de residuos orgánicos constituyen una estrategia efectiva y sostenible para potenciar la generación de metano y optimizar el desempeño de sistemas anaerobios destinados a la valorización energética de desechos.