Apesar do extenso campo de pesquisa na área da engenharia para maximizar a remoção de nitrogênio nos WCVD e WCVD-FS, estudos envolvendo técnicas de biologia molecular capazes de descrever comportamentos da comunidade microbiana nitrificante e desnitrificante são relativamente novos, iniciados principalmente nos anos 2000.
A influência das concentrações de carbono orgânico disponível na nitrificação devido à competição por oxigênio entre bactérias autotróficas e heterotróficas foi abordada por muitos estudos (TRUU et al., 2005; PAREDES et al., 2007a; SAEED; SUN, 2012). Silyn-Roberts; Lewis (2001) mostraram em um biofilme de um WCVD, por meio da técnica de hibridização em florescência in situ (FISH) e por PCR que
AOB do gênero Nitrosomonas foi uma das colonizadoras iniciais da unidade. Entretanto, após o amadurecimento do biofilme, as bactérias heterotróficas passaram a ser dominantes.
Tietz et al. (2007b) avaliaram a comunidade AOB após 2,5 anos de operação de três unidades WCVD, cada qual com uma área superficial de 18 m², 0,50 m de profundidade, cargas médias aplicadas de 27 g DQO m-2 d-1 e areia como material filtrante. Apesar da
nitrificação ser estável, baixa abundância de AOB (Nitrosomonas
europaea, Nitrosococcus mobilis e Nitrosospira) foi identificada,
indicando a necessidade de estudos voltados para outros organismos nitrificantes.
Lana et al. (2013), através de metodologias convencionais como a quantificação do número mais provável (NMP), identificaram o número total de AOB, NOB e desnitrificantes em unidades de WCVD plantados, e não plantados. A abundância bacteriana dos três grupos foi mais elevada nos 10 primeiros centímetros do material filtrante, e na unidade plantada. Além disso, a abundância de NOB foi sempre superior que AOB.
Adrados et al. (2014), em dois WCVD (um com recirculação, com 90 m² de área superficial e 1 ano de operação, e o outro sem recirculação a 4 anos de operação com 15 m² de área superficial), identificaram remoções de NT de 84 e 21 % , respectivamente. Apesar da variação no desempenho de tratamento, demonstrou-se por meio da aplicação das técnicas de PCR, DGGE e sequenciamento do 16S rRNA que a estruturada da comunidade bacteriana desnitrificante presente no maciço filtrante foi similar para as duas unidades, sendo Flavobacterium e Thauera terpenica as principais bactérias associadas com a desnitrificação. Por outro lado, apesar da evidência do processo de nitrificação, não foram identificadas bactérias nitrificantes nessas unidades.
Sun et al. (2012), em seis colunas de areia simulando o perfil vertical de WCVD, alimentadas com esgoto sintético e com fonte adicional de carbono (glicose), identificaram a comunidade nitrificante e desnitrificante por meio da técnica FISH. Com o fornecimento de carbono adicional, a remoção do nitrogênio amoniacal ligeiramente diminuiu, por outro lado, a remoção do nitrogênio total aumentou. Bactérias desnitrificantes como Azoarcus e Thauera foram dominantes (58 % de todas as células) quando a fonte de carbono estava disponível, enquanto que, à medida que a fonte de carbono se esgotou, AOB e NOB passaram a ser dominantes.
Em colunas simulando o perfil vertical de WCVD, Fan et al. (2016) avaliaram e efeito da aeração intermitente na comunidade bacteriana nitrificante por meio da técnica de FISH. O WCVD operou com uma taxa de indução de ar de 1 L min-1 durante 4 horas. AOB e
NOB foram significativamente mais abundantes no WCVD que trabalhou com recirculação (45 e 35 % para AOB e NOB respectivamente). Em contrapartida no WCVD que trabalhou sem aeração, a abundância foi de apenas 6 e 7 % para AOB e NOB, respectivamente.
Estudos conduzidos em WCV integrados (WCVD com alimentação descendente seguido de um WCV com alimentação ascendente), por meio da técnica de Reação em Cadeia da Polimerase em Tempo Real (qPCR) utilizando primers para identificar genes expressos no processo de nitrificação, desnitrificação e Anammox, foi identificado nitrificação e desnitrificação simultâneas. O número de cópias de Anammox 16S rRNA foi de 107 copias g -1, enquanto amoA
de AOB e bactérias desnitrificantes foram relativamente menores (104 a
105 copias g-1, respectivamente). Com base na dinâmica bacteriana,
Anammox foi a principal via de remoção de nitrogênio nessas unidades de tratamento (HU et al,. 2016).
Em outro estudo também conduzido em WCV integrados, por meio da técnica de qPCR com genes expressos durante o processo de nitrificação e desnitrificação, foi identificado maior abundância do gene
nirS (gene expresso na redução de nitrito a oxido nítrico), variando de
107 a 108 copias g-1, e do gene amoA variando de 106 a 107 copias g-1,
enquanto que nxrA (gene expresso durante a oxidação de nitrito a nitrato) foi de apenas 103 a 104 copias g-1. Esses resultados mostraram
nitrificação parcial, seguida de desnitrificação.
Um dos primeiros estudos de microbiologia conduzidos em WCVD-FS, Dong; Sun (2007) em um WCVD-FS (modelo francês) com uma camada saturada de 0,55 m e 0,25 m insaturados, por meio da técnica FISH, mostraram distintas vias de transformação do nitrogênio. Na região aeróbia do filtro foram identificadas bactérias nitrificantes, enquanto que na região anóxica/anaeróbia, bactérias Anammox e desnitrificantes estavam presentes no meio.
Em um estudo recente conduzido em WCVD-FS (modelo francês) em escala real e piloto, Silveira (2015) mostrou maior abundância de bactérias nitrificantes (Nitrosonomas, Nitrosospira e
observada nos primeiros 0,30 m de profundidade das unidades de tratamento.
Um estudo realizado em microcosmos de areia simulando o perfil vertical de WCVD-FS, Santos et al. (2016) realizaram o sequenciamento do 16S rRNA em amostras coletadas na interface insaturada/saturada e no fundo do microcosmo (região saturada) e mostraram uma abundância relativa de 11,7 % de bactérias nitrificantes (na interface saturada/insaturada). Bactérias desnitrificantes foram identificadas a partir da interface saturada/insaturada, sendo os gêneros desnitrificantes
Rhodanobacter (28,4 %) e Denitratisoma (15,8 %) os mais abundantes.
Atualmente, vários estudos microbiológicos vêm sendo conduzido em sistemas tidal flow. Zhi; Ji (2014) em um tidal flow mostraram que a remoção de nitrogênio variou entre 50 e 82 %. Por meio da quantificação dos genes expressos no processo de nitrificação e desnitrificação, foi possível associar a remoção do nitrogênio com a nitrificação e desnitrificação clássica e o processo Anammox.
Em outro estudo, também conduzido em tidal flow (10 m², dividido em 6 células, vazão média de 1,5 a 2,3 m-3 d-1, com ciclos de
drenagem e enchimento variando entre 3 a 12 por dia), Autin et al. (2006) identificaram 95 % de nitrificação, seguido de uma remoção de 95 % de NT, sob uma relação C/N de 3. Durante o estudo foram realizados dois monitoramentos da microbiota presente no meio por meio da técnica FISH (uma com 9 meses, e outra com 30 meses de operação). Aos 9 meses de operação, 9 % da comunidade bacteriana era composta por Paracoccus denitrificans. Enquanto que, nos 30 meses de operação a colonização dessa bactéria aumentou para 15 %, indicando a existência de nitrificação heterotrófica nessa unidade de tratamento.
Em relação à dinâmica entre AOA e AOB, alguns comportamentos desses organismos nitrificantes foram mostrados em WC superficial e WC horizontal (WCH). Paranychianakis et al. (2016), em WCH (plantados e não plantados), mostraram que AOA contribuíram para a oxidação do nitrogênio amoniacal, porém, AOB foi mais abundante que AOA. Wang et al. (2011a) em WC superficial mostraram que AOA estava amplamente distribuída nos sedimentos e na água do WC. Nos WCVD e WCVD-FS, a diversidade e abundância de AOA, bem como, as inter-relações entre AOA e AOB não estão elucidadas atualmente na literatura.
A diversidade de micro-organismos envolvidos no ciclo do nitrogênio é muito maior do que se tem sido estudada em WC (TRUU et al., 2005). Em sistemas biológicos de tratamento de esgoto, uma ampla
diversidade de organismos associados com o nitrogênio já foi demonstrada, tais como, a existência de arqueas nitrificantes e desnitrificantes, fungos nitrificantes, bactérias desnitrificantes autotróficas, bactérias desnitrificantes aeróbias, bactérias nitrificantes heterotróficas, bactérias Anammox, além de organismos com comportamento mixótrofico.
Com base nos trabalhos realizados em WCVD e WCVD-FS nos últimos anos, percebe-se que a dinâmica da comunidade microbiana nitrificante e desnitrificante está relacionada com as estratégias operacionais, e com as particularidades de cada sistema. Esse comportamento permite inferir que parâmetros de dimensionamento de WCVD e WCVD-FS são fundamentais para obter um biofilme composto por populações de interesse.