La escasez de recursos naturales y el agotamiento de los combustibles fósiles han impulsado un creciente interés en el uso de microalgas, dado que han sido reconocidas como una de las alternativas más sostenibles para suplir la demanda energética global a largo plazo y detener los acusados problemas asociados al cambio climático. Actualmente, la combinación de un tratamiento anaerobio de agua residual y su post-tratamiento mediante un cultivo de microalgas supone una prometedora alternativa, pues permite la obtención simultánea de energía en forma de biogás y un recurso hídrico reutilizable, mientras que los nutrientes son empleados para la producción de una biomasa algal, susceptible de valorización energética mediante digestión anaerobia. El objetivo de esta tesis doctoral ha consistido en estudiar la degradación anaerobia de la biomasa algal, producida en el efluente de un tratamiento anaerobio de agua residual urbana, con el fin de maximizar su valorización energética en forma de biogás. Para ello, se llevaron a cabo dos estrategias basadas en incrementar la biodegradabilidad de las microalgas: (i) mediante un pretratamiento enzimático y (ii) potenciando la actividad hidrolítica de los microorganismos anaerobios. Los resultados obtenidos del pretratamiento enzimático de las microalgas revelaron que su biodegradabilidad anaerobia puede ser incrementada mediante la adecuada combinación de pH, temperatura y dosis de enzima, teniendo una elevada influencia la adaptación del inóculo y el tipo de microalgas que se pretende degradar. Así pues, mediante el pretratamiento enzimático se consiguió incrementar la biodegradabilidad de las microalgas Scenedesmus spp. del 36.7% al 65.7%. Alternativamente a los pretratamientos, la biodegradabilidad de las microalgas puede ser incrementada potenciando la actividad hidrolítica de la propia biomasa anaerobia de dos formas: operando un reactor mesófilo a elevados tiempos de retención celular (TRC) y llevando a cabo la degradación anaerobia de microalgas en condiciones termófilas (55ºC). La operación de un biorreactor anaerobio de membrana (AnMBR) a elevados TRC y bajo condiciones mesófilas (35ºC), favorece el desarrollo de microorganismos con baja tasa de crecimiento e involucrados en la degradación de los componentes que constituyen a las microalgas. De esta forma, se alcanzó una biodegradabilidad de las microalgas Scenedesmus spp. del 70.9%, con la operación del AnMBR a un TRC de 100 días, y una biodegradabilidad del 73.9% de las microalgas Chlorella spp. con un TRC de 140 días. A su vez, el uso de la tecnología de membranas permitió modificar simultáneamente el caudal de tratamiento y la concentración de microalgas en el influente, lo que reduce la concentración de posibles inhibidores así como los costes energéticos asociados al proceso de concentración de microalgas. Además, la elevada biodegradabilidad dio lugar a bajas producciones de fango, lo que reduce los costes de su tratamiento y disposición, y generó un efluente rico en nutrientes que puede ser reutilizado para el cultivo de nueva biomasa algal. Los microorganismos termófilos exhiben una alta actividad hidrolítica que permitió obtener un incremento de la biodegradabilidad de la biomasa algal del 20.4% respecto a su digestión anaerobia a 35ºC, bajo las mismas condiciones experimentales. Sin embargo, se observó que el CSTR termófilo (Continuous Stirred Tank Reactor) no puede trabajar con concentraciones de microalgas que alcancen un valor de DQO de 20000 mgO2·L-1, debido a la liberación de grandes cantidades de amonio al medio que provoca la inhibición del proceso biológico por amoniaco. Así pues, se determinó que la presencia de amoniaco en concentraciones cercanas a 70 mgN-NH3·L-1 provoca el inicio de la inhibición, alcanzando el 30% de inhibición cuando la concentración se incrementa hasta 82 mgN-NH3·L-1. El análisis genómico del AnMBR mesófilo confirmó que su operación a un elevado TRC (100 días) favoreció la biodiversidad microbiana y promovió el desarrollo de una biomasa anaerobia fuertemente hidrolítica, responsable de la elevada biodegradabilidad de las microalgas alcanzada (70.9%). Así mismo, el análisis microbiológico del CSTR termófilo reveló la presencia de microorganismos con una elevada capacidad proteolítica y celulolítica, así como la detección del phylum EM3. A pesar de que la función metabólica de EM3 en digestores anaerobios no está todavía definida, la elevada abundancia relativa de este phylum en el reactor (38.7%) indica que debe estar involucrado en la degradación anaerobia de los compuestos de la biomasa algal en condiciones termófilas. La presente tesis doctoral demuestra que la producción de biogás a partir de la digestión anaerobia de microalgas puede maximizarse sin la necesidad de aplicar costosos pretratamientos, dando lugar a una de las mayores biodegradabilidades de biomasa algal reportada hasta el momento.

Depletion of natural resources and fossil fuel reserves have triggered intense attention in the use of microalgae, which have been recognised as sustainable alternative for meeting the global energy demand in the long-term and to mitigate the effects of climate change. Nowadays, the combination of anaerobic wastewater treatment and its post-treatment through microalgae-based technologies can be considered an interesting approach for recovering energy from sewage and water resource. Likewise, mineral nutrients are used to produce microalgal biomass that can be energetically valorised through anaerobic digestion. The main objective of this thesis has been to study the anaerobic degradation of microalgae, which comes from the effluent of a wastewater anaerobic treatment, in order to maximize their energetic valorisation as biogas. For this purpose, two strategies were performed to increase microalgal biodegradability: (i) an enzymatic pretreatment of microalgal biomass and (ii) improving the hydrolytic activity of anaerobic microorganisms. Results retrieved from the enzymatic pretreatment revealed that microalgal biodegradation can be increased through an appropriate combination of pH, temperature and enzyme dose, wherein inoculum adaptation and the type of microalgae used as a substrate have a significant influence on the result. Concretely, enzymatic pretreatment increased Scenedesmus spp. microalgal biodegradability from 36.7 to 65.7%. Alternatively, microalgal biodegradability can be increased by improving the hydrolytic activity of anaerobic biomass in two ways: running the mesophilic anaerobic reactor at high solid retention times (SRT) and operating an anaerobic reactor at thermophilic conditions (55ºC). A mesophilic anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) operated at high SRT promote the retention of low growth rate microorganisms involved in microalgal degradation. At 100 days of SRT, Scenedesmus spp. microalgae achieved a biodegradability of 70.9% and at 140 days of SRT Chlorella spp. microalgae achieved a 73.9% of biodegradability. Likewise, the use of membrane technology allows to simultaneously increase the treatment flow rate and decrease microalgal concentration in the influent, which reduces the concentration of possible inhibitors and the energy costs associated with microalgal harvesting. Furthermore, high microalgal biodegradability resulted in low sludge productions, thereby leading to a cost reduction of treatment and disposal of sludge, and produced a nutrient-rich effluent that can be reused as a grown medium for new microalgae culture. Thermophilic microorganisms exhibit high hydrolytic activity that increases microalgal biodegradation in 20.4% in comparison with the mesophilic process under the same operational conditions. However, it has been observed that thermophilic CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) cannot be run with a microalgal COD concentration exceeding 20000 mgO2·L-1 due to a high amount of ammonium released, which causes the biological process inhibition by free ammonia. It was observed that process inhibition started at 70 mgN-NH3·L-1 and achieved a 30% of inhibition when free ammonia concentration increased up to 82 mgN-NH3·L-1. Genomic analyse of mesophilic AnMBR confirmed that high SRT (100 days) promoted high microbial biodiversity, enriched in an anaerobic microorganisms with high hydrolytic activity that are likely responsible for the noticeably microalgal biodegradation (70.9%). Likewise, microbial analyse of thermophilic CSTR revealed a microbial population with high cellulolytic and proteolytic capabilities as well as the detection of EM3 phylum. Although functional role of EM3 remains undefined in anaerobic digesters, the high relative abundance of this phylum (38.7%) indicates that is likely involved in microalgal anaerobic degradation under thermophilic conditions. This thesis has demonstrated that biogas production through anaerobic digestion of microalgal biomass can be maximized without applying costly pretreatments, thereby resulting in one of the highest biogas production currently reported from the anaerobic digestion of raw microalgae grown in wastewater.