Diseño de un biorreactor que promueva el crecimiento de la flora y fauna predominante en los océanos de la zona sur de chile para evaluación de sistemas antifouling.

Abstract

El biofouling marino es la colonización de microorganismos (bacterias, arqueas, diatomeas y microalgas) y macroorganismos (algas, percebes, gusanos tunicados, etc.) sobre estructuras, formando una matriz polimérica compleja y que desencadena problemas de corrosión y mayor consumo de combustible en embarcaciones. Los recubrimientos antifouling (AF) son usados para evitar su crecimiento, no obstante, las pruebas "in situ" tienen limitaciones por factores climáticos y ambientales. Este estudio buscó diseñar un biorreactor de biofilm a escala laboratorio para probar cómo los recubrimientos AF afectan la formación de biofouling marino como alternativa a las pruebas “in situ”. El presente trabajo se realizó acorde a los objetivos: (i) Caracterización biológica de microorganismos y macroorganismos comunes presentes en a nivel nacional (Bio bío) e internacional; (ii) Identificación de las de los macronutrientes y parámetros fisicoquímicos de la zona sur de Chile; (iii) Planteamiento de dinámica de utilización de sustratos y cambio en la biomasa del biofilm median software AQUASIM; y (iv) Selección y diseño de un fotobiorreactor de biofilm que permita describir la dinámica del biofilm marino para la evaluación de recubrimientos AF. La caracterización biológica de los principales organismos en el biofouling marino a nivel global y nacional (Biobío) revela que en las etapas tempranas del biofilm predominan bacterias particularmente del filo Proteobacteria y Bacteroidetes, vinculadas a procesos corrosivos. También se destaca la presencia de las microalgas y diatomeas de los géneros como Navicula, Nitzschia, Pleurosigma y Cocconeis. Estas especies son cruciales en la formación de biofouling, ya que propician la maduración de macroorganismos como algas y percebes, dificultando su remoción. Las simulaciones indican que el comportamiento del biofilm puede ser eficientemente modelado mediante el programa AQUASIM. El biofilm creció de 20 μm a 160 μm, con predominio de organismos heterótrofos en la fase tardía debido a la influencia inhibitoria de la luz y nitrato. Además, se examinó la difusión de sustratos en el biofilm, destacando una mayor difusión de sustratos relacionados con el crecimiento fototrófico en comparación con el crecimiento heterótrofo. Finalmente se realizó una descripción cualitativa de los reactores preseleccionados y sus principales características. Se seleccionó el reactor de tipo flat plate horizontal debido a su versatilidad, facilidad de construcción, control preciso de parámetros, efectiva difusión de sustratos y metabolitos, y una amplia superficie de iluminación. Se identificaron los materiales y equipos requeridos para su construcción, y se realizó los planos y esquemas del reactor seleccionado.

Marine biofouling refers to the colonization of microorganisms (bacteria, archaea, diatoms, and microalgae) as well as macroorganisms (such as algae, barnacles, tunicate worms, etc.) on structures, forming a complex polymeric matrix that leads to corrosion issues and increased fuel consumption in vessels. Antifouling (AF) coatings are employed to prevent their growth; however, in-situ testing is constrained by climatic and environmental factors. This study aimed to design a laboratory-scale biofilm bioreactor to assess how AF coatings impact the formation of marine biofouling, offering an alternative to in-situ testing. This work was conducted in accordance with the following objectives: (i) Biological characterization of common microorganisms and macroorganisms found nationally (Bio Bío) and internationally; (ii) Identification of macronutrient compositions and physicochemical parameters of the southern zone of Chile; (iii) Formulation of substrate utilization dynamics and changes in biofilm biomass through AQUASIM software; and (iv) Selection and design of a biofilm photobioreactor to elucidate marine biofilm dynamics for AF coating assessment. The biological characterization of key organisms in global and national marine biofouling (Biobío) reveals that in the early stages of biofilm development, bacteria, particularly from the phyla Proteobacteria and Bacteroidetes, are predominant, often associated with corrosive processes. Noteworthy are the presence of microalgae and diatoms of genera such as Navicula, Nitzschia, Pleurosigma, and Cocconeis. These species play a pivotal role in biofouling formation, promoting the maturation of macroorganisms like algae and barnacles, impeding their removal. Simulations suggest that biofilm behavior can be effectively modeled using the AQUASIM program. The biofilm grew from 20 μm to 160 μm, with a prevalence of heterotrophic organisms in the later stages due to light and nitrate inhibitory effects. Additionally, substrate diffusion within the biofilm was examined, highlighting greater diffusion of substrates related to phototrophic growth compared to heterotrophic growth. Finally, a qualitative description of the preselected reactors and their key attributes was carried out. The horizontal flat plate reactor was chosen due to its versatility, ease of construction, precise parameter control, efficient substrate and metabolite diffusion, and extensive illumination surface. The necessary materials and equipment for its construction were identified, and blueprints and schematics of the selected reactor were developed.