Desarrollan un sistema de desnitrificación con hidrógeno altamente eficiente y seguro para la acuicultura en recirculación

La acumulación de nitrato (NO₃⁻−N) en los sistemas de recirculación para la acuicultura (RAS) es un desafío constante que puede comprometer la salud de los peces y la eficiencia productiva. Aunque existen diversas tecnologías para abordar este problema, muchas presentan inconvenientes como el deterioro de la calidad del agua o la producción de subproductos tóxicos.

En este contexto, un equipo de científicos de la University of Yamanashi, de la Mahidol University y de la Ramkhamhaeng University ha desarrollado y evaluado un innovador sistema de desnitrificación hidrogenotrófica (HD), una tecnología que utiliza el gas hidrógeno (H₂) como un donante de electrones «limpio» para convertir el nitrato en gas nitrógeno (N₂) inofensivo. El estudio, realizado a escala de laboratorio en un RAS con trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), demuestra que este método no solo es altamente eficiente, sino también completamente seguro para los peces.

Conclusiones clave

• Se desarrolló un sistema de desnitrificación hidrogenotrófica (HD) de tipo filtro percolador, cerrado y no presurizado, para sistemas de recirculación en acuicultura (RAS).
• El sistema alcanzó una tasa máxima de eliminación de nitrógeno de 504.0 g N/m³/d, demostrando una alta eficiencia en la conversión de nitrato a gas nitrógeno.
• La aplicación del sistema HD en un tanque de cultivo con trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) durante 100 días no afectó negativamente el crecimiento de los peces y no se registró mortalidad.
• Las bacterias de los géneros Thauera y Dechloromonas fueron las comunidades dominantes en el biofiltro, siendo las principales responsables del proceso de desnitrificación.
• La tecnología utiliza gas hidrógeno (H₂) como donante de electrones, lo que minimiza la generación de lodos y la toxicidad en comparación con otros métodos de desnitrificación.

El desafío del nitrato en los RAS

En cualquier sistema de recirculación, los desechos de los peces y el alimento no consumido liberan amonio (NH₄⁺−N), que es transformado en nitrato (NO₃⁻−N) por las bacterias nitrificantes en los biofiltros. Si bien el nitrato es menos tóxico que el amonio o el nitrito, su acumulación progresiva puede causar problemas de salud en los peces, como la metahemoglobinemia, y reducir las tasas de supervivencia, afectando la rentabilidad del cultivo.

Los métodos tradicionales para eliminar el nitrato, como la desnitrificación heterótrofa, requieren la adición de una fuente de carbono orgánico (metanol, glucosa, etc.), lo que puede deteriorar la calidad del agua y aumentar la producción de lodos. La desnitrificación hidrogenotrófica surge como una alternativa prometedora, ya que al usar hidrógeno, un compuesto inocuo que se disipa naturalmente, se evitan estos inconvenientes.

Diseño y optimización de un sistema de desnitrificación hidrogenotrófica

Los investigadores diseñaron un reactor de tipo filtro percolador, no presurizado y cerrado, para maximizar el contacto entre el agua, las bacterias desnitrificantes y el gas hidrógeno.

Para optimizar el sistema, primero evaluaron tres tipos de portadores bacterianos (anillos de polipropileno, anillos de cerámica y esponjas de poliolefina), concluyendo que la esponja de poliolefina era la más eficaz para la inmovilización de los lodos bacterianos gracias a su gran área superficial. Posteriormente, compararon dos modos de operación: un sistema de lecho móvil y un sistema de filtro percolador. El filtro percolador mostró una mayor tasa de eliminación de nitrógeno, probablemente debido a una transferencia de masa más eficiente del hidrógeno al agua.

El sistema final, de 5.2 litros, fue llenado con las esponjas de poliolefina inoculadas con bacterias y se le suministró continuamente gas hidrógeno (H₂) y periódicamente dióxido de carbono (CO₂) para mantener un pH estable.

Alta eficiencia sin comprometer la salud de los peces

El sistema HD se integró en un RAS de 60 litros donde se cultivaron ejemplares adultos de trucha arcoíris durante aproximadamente 100 días. Los resultados fueron contundentes:

• Rendimiento superior en la eliminación de nitrógeno: El sistema alcanzó una tasa máxima de eliminación de nitrógeno (NRR) de 504.0 g N/m³/d con un tiempo de retención hidráulica (HRT) de solo 1 hora, logrando una eficiencia de remoción del 94.2%. Esta cifra es superior a la de otros sistemas HD reportados previamente para la acuicultura y comparable con reactores de alto rendimiento para el tratamiento de aguas subterráneas.
• Consumo eficiente de hidrógeno: En su punto de máxima eficiencia, el sistema requirió 5.5 litros de H₂ y 2.1 litros de CO₂ para eliminar un gramo de nitrógeno. Esto indica que aproximadamente el 87.3% del hidrógeno suministrado fue utilizado eficazmente en el proceso de desnitrificación.
• Crecimiento y bienestar de los peces: El hallazgo más importante para los productores es que el efluente del sistema HD, recirculado directamente al tanque de los peces, no tuvo ningún impacto negativo en su crecimiento. El peso total de los peces en el tanque experimental aumentó de forma similar al del tanque de control (que utilizaba recambios de agua), y no se observó ninguna mortalidad durante todo el experimento.

Las bacterias protagonistas del proceso

El análisis microbiano del lodo del reactor reveló que dos géneros de bacterias, Thauera y Dechloromonas, fueron los dominantes, representando conjuntamente más del 42% de la comunidad bacteriana al final del experimento. El aumento en la abundancia de estas bacterias, junto con el incremento de los genes funcionales relacionados con la desnitrificación (narG, nirk, nirS, nosZ), confirma su papel central en la eliminación de nitrato en el sistema.

Implicaciones y futuro de la desnitrificación hidrogenotrófica

Este estudio demuestra que la desnitrificación hidrogenotrófica es una tecnología viable y muy prometedora para la gestión del nitrógeno en los RAS de agua dulce. Sus principales ventajas son:

• Biocompatibilidad: No utiliza compuestos orgánicos que puedan afectar la calidad del agua ni produce subproductos tóxicos.
• Operación sencilla: Solo requiere un suministro controlado de H₂ y CO₂, gases que pueden generarse in situ, reduciendo la dependencia de insumos externos.
• Menor producción de lodos: Al basarse en el crecimiento de bacterias autótrofas, la generación de lodos es mínima en comparación con los sistemas heterótrofos.

Los autores señalan que, aunque no se observaron efectos adversos, el sistema incrementó la concentración de bacterias viables en el agua del tanque. Por ello, recomiendan que en una implementación a escala comercial, la unidad de desnitrificación se instale antes de la unidad de desinfección (ej. UV) para minimizar cualquier riesgo.

El éxito de esta tecnología abre la puerta a futuras optimizaciones para su aplicación a gran escala, ofreciendo a la industria acuícola una herramienta poderosa para mejorar la sostenibilidad y la eficiencia de los sistemas de cultivo en recirculación.

Contacto
Tatsuru Kamei
Interdisciplinary Centre for River Basin Environment, University of Yamanashi
4-4-37 Takeda, Kofu Yamanashi, 400-8510, Japan
Email: tkamei@yamanashi.ac.jp

Referencia (acceso abierto)
Kamei, T., Atsuta, H., Rujakom, S., & Eamrat, R. (2025). Development of a hydrogenotrophic denitrification system for recirculating aquaculture. Journal of Environmental Management, 394, 127285. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2025.127285

Milthon Lujan

Editor de la revista digital AquaHoy. Biólogo Acuicultor titulado por la Universidad Nacional del Santa (UNS) y Máster en Gestión de la Ciencia y la Innovación por la Universidad Politécnica de Valencia, con diplomados en Innovación Empresarial y Gestión de la Innovación. Posee amplia experiencia en el sector acuícola y pesquero, habiendo liderado la Unidad de Innovación en Pesca del Programa Nacional de Innovación en Pesca y Acuicultura (PNIPA). Ha sido consultor senior en vigilancia tecnológica, formulador y asesor de proyectos de innovación, y docente en la UNS. Es miembro del Colegio de Biólogos del Perú y ha sido reconocido por la World Aquaculture Society (WAS) en 2016 por su aporte a la acuicultura.