CH4, CO2 , H2O HIDRÓLISE ACIDOGÊNESE ACETOGÊNESE METANOGÊNESE a a b c b1 b2 c1 c1
Tabela 4.3– Descrição das etapas metabólicas da degradação anaeróbia pelos respectivos grupos de microrganismos responsáveis pelo processo
Grupo de microrganismos
Descrição da etapa degradativa
Bactérias hidrolíticas
Para a assimilação do material particulado complexo faz-se necessário sua quebra (hidrólise) em material dissolvido mais simples que dessa forma pode atravessar a parede celular e ser biotransformado. Essas bactérias fermentativas são responsáveis pela liberação de exoenzimas capazes de degradar polímeros orgânicos complexos como a pectina, a hemicelulose e a celulose a açúcares, ácidos carboxílicos de cadeia longa e glicerol. É uma etapa lenta afetada por variáveis como a T, TDH, composição do substrato, pH, concentração de nitrogênio amoniacal e AGV.
Bactérias acidogênicas
Esse tipo de bactéria fermentativa metaboliza os produtos hidrolisados em outros ainda mais simples como ácidos carboxílicos de cadeia mais curta (valérico, butírico e propiônico), álcoois, ácido láctico, CO2, H2, NH3 e H2S em função das condições do meio.
São de natureza estritamente anaeróbia, entretanto cerca de 1% desses indivíduos são facultativos e dessa forma podem realizar respiração anóxica em presença de receptores de elétrons (NO3-, NO2-, SO42-) servindo também como uma barreira protetora (contra o O2)
para as anaeróbias estritas. O acetato é formado, mas em pequenas quantidades. Bactérias
acetogênicas
Dos intermediários produzidos pelas acidogênicas apenas o acetato e o H2 podem ser
diretamente metabolizados pelas archea bactérias. As bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio (redutoras de prótons) são as responsáveis pelo processo onde se produz o acetato, o H2 e o CO2 a partir de substratos como o butirato e o propionato. A gênese dos
ácidos acético, butírico e propiônico só é termodinamicamente favorável em baixas pressões parciais de H2 e por isso esse processo só é possível através de uma associação
sintrófica (denominada "transferência de hidrogênio entre espécies") das bactérias produtoras de prótons com consumidoras de prótons (hidrogenotróficas). Esses dois grupos trabalham em equilíbrio de forma que a produção e o consumo de hidrogênio livre fica controlada e assim o pH do sistema é menos afetado (efeito-tampão).
Metanogênicas Etapa final onde ocorre a formação do metano a partir da descarboxilação do acetato (metanogênese acetotrófica) e pela hidrogenação do CO2 (metanogênese
hidrogenotrófica). Essas bactérias utilizam um número reduzido de substratos simples como o acetato, o CO2, o H2, ácido fórmico, metanol, metilaminas e CO. A redução da
pressão parcial do hidrogênio no meio favorece a atuação das bactérias acidogênicas e acetogênicas e a manutenção do equilíbrio biótico.
Fonte: Adaptado de CHERNICHARO (1997) , BIDONE E POVINELLI (1999) e PINTO (2000).
As diversas etapas degradativas ocorrem paralelamente, de forma que é conseguido um balanço bioquímico entre as espécies produtoras de ácido e as produtoras de metano.
Uma atenção especial deve ser reservada ao grupo de organismos hidrolíticos, pois a degradação de compostos de cadeia mais alongada requer um maior tempo de reação devido aos arranjos geométricos e ao número de ligações a serem quebradas. Um desequilíbrio nesta fase inicial pode comprometer significativamente o processo.
Cálculos termodinâmicos indicam que cerca de 60 a 70% do metano é gerado a partir da descarboxilação do acetato (metanogênese acetoclástica) e 30%, pela hidrogenação do dióxido de carbono (metanogênese hidrogetrófica). (CHERNICHARO, 1997; BRUMMELER, 1993 apud PINTO, 2000). Dessa forma, a acetogênese possui um papel fundamental no processo, já que o acetato apresentado como o principal precursor do metano, é gerado fundamentalmente nesta fase (VAZOLLER, 1986 apud PINTO, 2000).
Os organismos metanogênicos possuem uma maior sensibilidade às condições ambientais em relação aos organismos hidrolíticos, acidogênicos e acetogênicos. Segundo FORESTI (1996), aceitam uma faixa estreita de pH que varia de 6,2 a 7,4 e temperaturas de 30 a 40 ºC (condição mesofílica), sendo muito mais sensíveis a compostos tóxicos como metais ou amônia. ZEHNDER et al. (1981) citados por PINTO (2000) indicam que este fato é explicado devido aos microrganismos metanogênicos pertencerem ao domínio
Arquea e não ao domínio Bactéria.
CHERNICHARO (1997) destaca os gêneros Methanosarcina e Methanosaeta como
os mais representativos para a metanogênese acetoclástica.
O gênero Methanosaeta possui mais afinidade ao acetato que o Methanosarcina
agregando-se em estruturas filamentosas que possuem importância crucial na formação dos grânulos de lodo. O gênero Methanosarcina agrupa-se em pacotes formados por uma
infinidade de cocos, destacando-se pela sua versatilidade na utilização de substratos
variados como o acetato, o hidrogênio, o monóxido de carbono, o metanol e metilaminas (SOUBES, 1994 apud CHERNICHARO, 1997; OREMLAND, 1988 apud PINTO, 2000).
A predominância do gênero Methanosarcina em relação ao Methanosaeta é favorecida a
altas concentrações de acetato, entretanto, sob baixa concentração de acetato o gênero predominante será a Methanosaeta.
São vários os tipos de microrganismos que participam no processo, e alguns exemplos são apresentados na Tabela 4.4 (ZEHNDER, 1988).
Tabela 4.4- Exemplos de espécies de microrganismos anaeróbios presentes nos tratamentos de rejeitos por biodigestão anaeróbia.
Etapas da
biodigestão anaeróbia
Espécies bacterianas
Hidrólise e acidogênese Clostridium sp., Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Eubacterium cellulosolvens, Bacillus sp., Selenomonas sp., Megasphaera sp., Lachnospira multiparus, Peptococcus anaerobicus, Bifidobacterium sp., Staphylococcus sp.
Acetogênese Syntrophomonas wolin, S. wolfei, Syntrophus buswell, Clostridium bryant, Acetobacterium wodd, várias espécies de bactérias redutoras do íon sulfato - Desulfovibrio sp., Desulfotomaculum sp.
Metanogênese acetoclástica Methanosarcina sp. e Metanosaeta sp.(Methanothrix sp.)
Metanogênese hidrogenotrófica Methanobacterium sp., Methanobrevibacter sp.,
Methanospirillum sp. Fonte: Adaptado de ZEHNDER (1988) e CHERNICHARO (1997).
Os organismos da biodigestão anaeróbia apresentam um elevado grau de especialização metabólica e a eficiência do processo global dependerá, portanto, das interações positivas e negativas entre as diversas espécies bacterianas, com diferentes capacidades degradativas. Os intermediários metabólicos de um grupo de bactérias podem servir como substrato necessário ao crescimento de outras espécies e este fato interferirá nos gêneros e espécies de organismos que competirão e permanecerão ativos no naquele ecossistema em particular.
A Tabela 4.5 (ZINDER apud GLAZER e NIKAIDO, 1995), apresenta a estequiometria de algumas reações da biodigestão anaeróbia, e as variações de energia livre destas reações, sob condições padrão de ocorrência e dentro dos biodigestores.
Tabela 4.5- Exemplos de reações que ocorrem nos biodigestores anaeróbios, e as energias livres destas reações sob condições padrão de ocorrência (G0) e nos biodigestores (G1).
REAÇÕES (G
0)
(kcal/reação)
(G1)
(kcal/reação) 1. Conversão da glicose em metano e dióxido de carbono
C6H12O6 + 3H2O 3CH4 + 3HCO3- + 3H+
-96,5 -95,3 2. Conversão da glicose em acetato e hidrogênio