As bactérias oxidantes de metano, devido à presença da enzima MMO, foram relatadas pela capacidade de degradar poluentes, tais como fármacos, aditivos químicos, pesticidas, dentre outros (BENNER et al., 2014).
As enzimas pMMO e sMMO encontradas em metanotróficas se diferem na afinidade e especificidade de substratos. A sMMO é considerada menos específica, ou seja, podendo oxidar tanto alcanos com até oito átomos de carbono, bem como compostos aromáticos (SEMRAU et al., 2010).
Em estudo realizado por BENNER et al. (2014), micro-organismos oxidantes de metano de cinco diferentes culturas, foram selecionados para serem utilizados para codegradação metabólica de micropoluentes. Em uma primeira triagem, 18 diferentes compostos foram testados quanto à degradação com o uso das culturas, bem como quatro linhagens puras de bactérias oxidantes de metano. Dentre os compostos testados no trabalho, estavam produtos farmacêuticos, aditivos químicos e pesticidas. Todas as culturas enriquecidas foram bem sucedidas na degradação de pelo menos quatro diferentes poluentes, mas os compostos mais frequentemente degradados foram sulfametoxazol (SMX) e benzotriazol (BTZ). As culturas
puras apresentaram menor potencial de degradação, mas três das quatro linhagens testadas, também foram capazes de degradar SMX e BTZ (BENNER et al., 2014).
Oxidação anaeróbia do metano dependente do nitrito
Nas últimas décadas, a utilização de fertilizantes na agricultura têm se intensificado aumentando a carga de nitrogênio que pode ser lançada em corpos d’água receptores. Sabe-se que o lançamento de efluentes contendo excesso de nutrientes é a principal causa da eutrofização artificial. Sendo assim, de forma a prevenir a poluição por nitrogênio, os efluentes necessitam ser tratados reduzindo a carga de nitrogênio antes de serem lançados nos corpos d’água evitando assim a deterioração dos mananciais (VON SPERLING, 2005; LUESKEN, 2011).
Convencionalmente, a remoção de cargas de nitrogênio em um sistema de tratamento de águas residuárias, faz-se através de dois processos: nitrificação bacteriana (processo aeróbio) que oxida a amônia (NH4+) em nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). Subsequentemente, no processo anaeróbio (ou anóxico), compostos orgânicos são necessários como suplemento para a redução de nitrato (NO3-) ou nitrito (NO2-) para gás nitrogênio (N2) por micro-organismos desnitrificantes.
A fim de suprir a necessidade de compostos orgânicos, doadores de elétrons como o metanol ou o ácido acético frequentemente têm sido utilizados. Entretanto, a introdução desses compostos resulta em aumento dos custos do tratamento. Devido a essa desvantagem, é de grande relevância científica a busca por doadores de elétrons alternativos ou sistemas inteiramente novos (LUESKEN, 2011).
Nesse sentido, a investigação de micro-organismos e o enriquecimento de culturas responsáveis pelo processo N-DAMO, em biomassa proveniente de sistemas de tratamento de esgotos, faz-se de suma relevância.
Em 2006, um consórcio de bactérias pertencente à divisão candidato NC10 e arquéias foi identificado em cultura enriquecida proveniente de sedimento de canal hidroviário Twentekannal, na Holanda (RAGHOEBARSING et al., 2006). HU et al. (2009) e ETTWIG
bactérias NC10 permaneceram. Sendo assim, o mecanismo N-DAMO era mediado por bactérias do filo NC10. A bactéria M. oxyfera está incluída nesse filo. As características desse micro-organismo fazem com que ele se torne uma espécie interessante para ser aplicada em processos de tratamento de águas residuárias. Se o metano puder ser usado para a desnitrificação em um processo N-DAMO, isso poderia contornar a necessidade de doadores de elétrons caros (como metanol) para remoção de nitrogênio. Um sistema dessa forma poderia oferecer grande número de vantagens comparado à remoção convencional de nitrogênio, incluindo baixos custos, baixa produção de biossólidos e baixo consumo de energia (HU et al., 2009; ETTWIG, 2010; LUESKEN et al., 2011a; LUESKEN et al., 2011b).
Em 2009, uma cultura selecionada de N-DAMO foi obtida a partir de sedimentos de drenos abertos de terras agrícolas na Holanda (ETTWIG, 2010). De forma similar, KAMPMAN et al. (2012), também enriqueceram em biorreatores bactérias pertencentes ao filo NC10. Em ambos os trabalhos, arquéias oxidadoras de metano não foram relatadas. Por outro lado, um estudo na Austrália realizado por HU et al. (2009) relatou a seleção de um consórcio microbiano contendo bactérias NC10 e arquéias metanotróficas a partir de inóculo misto proveniente de lodos ativados de um sistema de tratamento de efluentes municipais, sedimentos de água doce e lodo de digestores em um reator operado sob a forma de bateladas sequenciais (RBS). De acordo com STROUS et al. (1998), biorreatores operados sob a forma de bateladas sequenciais apresentam retenção de biomassa mais eficiente. A biomassa enriquecida poderia ser usada posteriormente para dar início à operação de reatores aplicados no pós-tratamento de efluentes anaeróbios.
De acordo com HU et al. (2009), é possível que arquéias metanotróficas possam ser capazes de reduzir o nitrato e/ou possuam maior afinidade ao nitrato do que ao nitrito. Dessa forma, pode ser que requeiram bactérias na cultura de forma a remover nitrito, o qual é um inibidor de vários tipos de micro-organismos.
Devido ao limitado número de trabalhos contendo cultivo de metanotróficas desnitrificantes (N-DAMO), os avanços nessa área ainda são lentos, sendo requeridos maiores estudos (RAGHOEBARSING et al., 2006; KAMPMAN et al., 2012). Além disso, o tempo de duplicação desses micro-organismos (de aproximadamente uma a duas semanas) também dificulta os estudos, pois, para cultivá-los, são necessários, em sua maioria, longos períodos de enriquecimento (ETTWIG et al., 2008). Entretanto, quando comparado aos processos
aeróbios de oxidação do metano, N-DAMO poderia oferecer uma série de vantagens, pois não há requerimento de oxigênio livre e, portanto, representaria economia, além do uso eficiente do metano de forma energética associada à remoção de nitrogênio em sistemas de tratamentos anaeróbios.
A tabela 4.7 apresenta um resumo dos principais trabalhos relacionados ao enriquecimento de micro-organismos metanotróficos, incluindo arquéias e metanotróficas desnitrificantes.
Tabela 4-7. Resumo dos principais trabalhos de seleção e cultivo de micro-organismos metanotróficos encontrados na literatura. (continua) Inóculo Reator e modo de operação Temperatura (oC) Formas de Nitrogênio Presença de arquéias metanotróficas Presença de bactérias filo NC10 Período mínimo de enriquecimento Referência
Sedimentos de um canal de água doce (Holanda)
Bateladas
sequenciais 25ºC Nitrito e Nitrato Sim: 10% Sim: 80% 16 meses
Ragoebarsing et al. (2006) Biomassa selecionada no
trabalho de Ragoebarsing et al. (2006) (Holanda)
Tanque de
agitação contínua 30ºC Nitrito e Nitrato Não Sim: 70% 22 meses Ettwig et al. (2008)
Sedimentos de drenagens agrícolas (Holanda)
Tanque de
agitação contínua 30ºC Nitrito e Nitrato Não Sim: 70% 5 meses
Ettwig et al. (2009) Mistura de: sedimento de lago de
água doce, lodo de digestor e lodo de retorno de sistema de lodos ativados (Austrália)
Bateladas Sequenciais
22ºC Nitrato Não Sim: 15% 9 meses Hu et al. (2009)
Mistura de: sedimento de lago de água doce, lodo de digestor e lodo de retorno de sistema de lodos ativados (Austrália)
Bateladas Sequenciais
35ºC Nitrato Sim: 40% Sim: 30% 8 meses Hu et al. (2009)
Sedimentos da baía Eckernförde
(Mar Báltico, Alemanha) e lodo anaeróbio granulado Biorreator anaeróbio de membrana submersa - fluxo contínuo
15 e 30ºC - Sim: ANME 2a Não 29 meses Meulepas et al.
Tabela 4-6. Resumo dos principais trabalhos de enriquecimento de micro-organismos metanotróficos encontrados na literatura. Inóculo Reator e modo de operação Temperatura (oC) Formas de Nitrogênio Presença de arquéias metanotróficas Presença de bactérias filo NC10 Período mínimo de enriquecimento Referência
Sedimentos da baía Eckernförde (Mar Báltico, Alemanha) Biorreator anaeróbio de membrana submersa - fluxo contínuo 15 ºC - Sim: ANME-2a;
90% das Archaea Não 28 meses
Jagersma et al. (2009)
Lodo proveniente de Estação de Tratamento de Efluentes Industriais (Lieshout, Holanda)
Bateladas
Sequenciais 20-23 ºC
Nitrito e
Nitrato Não Sim 11 meses
Luesken et al. (2011) Sedimentos de drenagens agrícolas (Holanda) Bateladas
sequenciais 30± 1 ºC Nitrito Não
Sim: 70-
80% 13 meses
Kampman et al. (2012)
4.5 POTENCIAL DE OXIDAÇÃO BIOLÓGICA DO METANO - ATIVIDADE