Desnitrificação 13

O nitrato em condições anaeróbias é reduzido a nitrito, óxido nítrico, óxido nitroso e nitrogênio molecular em um processo denominado desnitrificação.

Existe uma diversidade de microrganismos responsáveis por este processo de desnitrificação, destacando-se bactérias, fungos e espécies de algas. Dentre os microrganismos que realizam a desnitrificação, destacam-se os gêneros Achromobacter,

Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus Proteus e Pseudomonas (Kim et al., 2005). Brock et al.,

(1997) descrevem que a conversão de nitrato segue duas rotas distintas, conforme apresentado na Figura 3.3. Uma primeira via metabólica, redução assimilativa de nitrato, na qual o nitrato é convertido a amônia, e posteriormente, esta é utilizada com fonte de nitrogênio para o crescimento celular. A outra via metabólica, redução dissimilativa de nitrato consiste na utilização do nitrato como aceptor final de elétrons, sendo convertido a nitrogênio gasoso.

Figura 3.3: Vias metabólicas de redução de nitrato (Brock et al., 1997)

R-NH2

NH3

NH2OH Atmosfera

óxido nítrico redutase

N₂ N₂O NO nitrato redutase NO₃- Rota dissimilativa Desnitrificação NO₂- Rota assimilativa nitrato redutase Atmosfera Atmosfera óxido nitroso redutase

nitrito redutase nitrito redutase NO₃- NO₂- R-NH2 NH3 NH2OH Atmosfera

óxido nítrico redutase

N₂ N₂O NO nitrato redutase NO₃- Rota dissimilativa Desnitrificação NO₂- Rota assimilativa nitrato redutase Atmosfera Atmosfera óxido nitroso redutase

nitrito redutase nitrito redutase

NO₃-

A etapa inicial consiste na conversão do nitrato em nitrito, através da atividade da enzima nitrato redutase, e posterior conversão a hidroxilamina (realizada pela enzima nitrito redutase assimilativa, processo este que é inibido pela amônia) ou a óxido nitrico (pela óxido nítrico redutase, etapa realizada em condições anóxicas, sendo inibida a produção da enzima na presença de oxigênio). Seguindo o metabolismo assimilativo, a hidroxilamina é convertida em amônia e assimilada durante o crescimento celular. Na via dissimilativa, ocorre a formação de gases intermediários até a formação de nitrogênio gasoso (Brock et al., 1997).

A formação de nitrogênio gasoso é possível a partir de dois processos distintos: desnitrificação heterotrófica e desnitrificação autotrófica.

A desnitrificação heterotrófica é realizada por distintos organismos, mas principalmente pelo gênero Pseudomonas, sendo estas bactérias heterótrofas facultativas. Assim, o nitrato é utilizado como aceptor de elétrons e a matéria orgânica é a doadora de elétrons (Schmidell & Reginatto, 2007). A estequiometria da desnitrificação heterotrófica com metanol via nitrato (Equação 3.13) e a estequiometria considerando a desnitrificação heterotrófica com crescimento celular via nitrato e via nitrito estão representados na Equação 3.14 e 3.15:

NO3- + 5/6 CH3OH → 5/6 CO2 + 1/2 N2 + 7/6 H2O + OH- _3.13 NO3- + 1,08CH3OH+0,24 H2CO3→ 0,056C5H7NO2 + 0,47 N2 + 1,68 H2O + HCO3- _3.14 NO2-+0,67CH3OH + 0,53 H2CO3 → 0,04C5H7NO2 + 0,48 N2 + 1,23 H2O + HCO3-

3.15

Analisando-se as Equações3.14 e 3.15, observa-se que, na desnitrificação via nitrato, ocorre a formação de 0,45 gSSV.(gNO3-₎-1 _{e 0,18 gSSV.(gCH3OH)}-1_{, sendo necessário 2,47} gCH3OH/gNO3-_{. Para a desnitrificação via nitrito, ocorre a formação de 0,32 gSSV.(gNO2}-₎-1 e 0,21 gSSV.(gCH3OH)-1, sendo necessário 1,53 gCH3OH.(gNO2-)-1 (Schmidell e Reginatto 2007). Estes valores evidenciam que, na desnitrificação via nitrato, é necessário um maior consumo de matéria orgânica (aproximadamente 1,6 vezes) quando comparado com a desnitrificação via nitrito. Dessa forma, em processo de tratamentos de efluentes têm-se promovido a nitrificação parcial, até nitrito, para posterior desnitrificação, reduzindo-se assim gastos energéticos (oxidação do amônio), e a quantidade de lodo gerado.

Entre os fatores intervenientes no processo de desnitrificação heterotrófica estão (Barnes & Bliss 1983; Schmidell & Reginatto 2007; Wrage et al., 2001; Iamamoto, 2006):

1) pH: a condição ideal é em valores elevados, próximos a 8, pois, em valores abaixo de 7, ocorre a produção mais acentuada de óxidos de nitrogênio altamente tóxicos aos microrganismos

2) Temperatura: a desnitrificação é realizada em uma faixa de temperatura variável sendo o ótimo em 35ºC

3) Concentração de oxigênio: a presença de oxigênio, nas concentrações de 0,3 a 1,5 mg.L-1, inibe a atividade da enzima óxido nitroso redutase; além de funcionar como aceptor de elétrons em substituição ao nitrato

4) Relação C/N: a relação C/N é distinta para cada tipo de fonte de carbono. Em baixas relações, ocorre acúmulo de nitrato, nitrito e óxidos de nitrogênio e, em altas relações o nitrito ou nitrato podem ser reduzidos até amônia, com baixa conversão a nitrogênio gasoso. Na Tabela 3.1, observa-se alguns exemplos de relação C/N obtidas experimentalmente

Tabela 3.1: Relação C/N para diferentes fontes de carbono e de nitrogênio Tipo de Reator Fonte de carbono Forma de nitrogênio

a ser desnitrificada Relação C/N

Batelada Acetato NO2- DQO/N= 2

Lodos Ativados Melado NOx DQO/N=5

SBR Acetato NO2- C/N=3

Batelada Efluente de

suinocultura NO3

- _C/N=4,16

SBR Metanol NO3- DQO/N=1,56

Fonte: Adaptado de Iamamoto, (2006)

A desnitrificação autotrófica é um processo de desnitrificação relativamente recente, e consiste na oxidação da amônia e redução do nitrito, processo este denominado ANAMMOX, Anaerobic Ammonium Oxidation (Gut, 2006; Schmidt et al., 2003; Feng et al., 2007). Acredita-se que as principais espécies responsáveis pela realização deste processo são

Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua brodae, Candidatus Scalindua wagneri, Candidatus Scalindua sorokinii e alguns

Ahn (2006) demonstra o metabolismo proposto para o processo de desnitrificação autotrófica, que consiste na oxidação da amônia e redução do nitrito tendo como intermediários a formação de hidrazina e hidroxilamina.

Strous et al. (1998) sugerem a estequiometria da desnitrificação autotrófica, que pode

ser visualizada na Equação 3.16.

NH4+ + 1,32NO2- + 0,066HCO3- + 0,13H+ → 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O 3.16

A estequiometria descrita na Equação 3.16 indica um crescimento autotrófico limitado, 0,11gSSV.(gN-NH4+)-1 que, quando comparado com a desnitrificação heterotrófica, Equações 3.14 e 3.15, é menor ainda, prevendo-se assim processos com “start-up” longos. Considera-se ainda a necessidade de 1,32 mols de nitrito para cada mol de amônio a ser oxidado, e a formação de nitrato.

Os principais fatores que afetam o processo ANAMMOX são pH (6,7-8,3), temperatura (20-43ºC), concentração de nitrito (inibição em concentrações de 20 mM de N- NO2-.L-1) , oxigênio (as bactérias responsáveis pelo processo mostraram-se estritamente anóxicas, identicando-se inibição mesmo em concentrações de 2 μMO2.L-1) (Strous et al., 1999).