Metabolismo de micro-organismos

Micro-organismos, como bactérias, fungos, algas e protozoários, necessitam da matéria orgânica e do oxigênio para a sobrevivência da espécie. A decomposição da matéria orgânica é fundamentalmente um processo de nutrição e respiração, ou seja, uma oxidação biológica. Poluentes presentes em efluentes são utilizados pelos micro-organismos como fonte de energia (doadores de elétrons) ou ainda como aceptores de elétrons, que os metabolizam, utilizando a energia liberada no processo para suas reações bioquímicas de manutenção e reprodução celular (VON SPERLING, 2002). Quando o composto receptor é o oxigênio molecular, a respiração é chamada aeróbia. Se o receptor for outro composto qualquer, como algumas formas de carbono (CO2) de enxofre (SO22-) e de nitrogênio (NO3), além do íon férrico e tetracloreto de carbono (CCl4), dentre outros, a respiração é denominada

anaeróbia. A Figura 2.3 ilustra o processo oxidativo microbiano. No caso da fermentação, não há um doador externo de elétrons (BENETTI e AQUINO, 2010; CAVALCANTI, 2012).

Figura 2.3 - Produção de energia e síntese celular no processo oxidativo microbiano (Rittmann e McCarty, 2001 apud Benetti e Aquino 2010).

As reações microbianas geralmente envolvem oxidação e redução de mais de uma espécie, nas quais os micro-organismos atuam, simultaneamente, como catalisadores e produtos das reações. Desse modo, as reações bioquímicas realizadas pelos micro-organismos visam à obtenção de energia, que será utilizada tanto para a síntese celular, quanto para a manutenção das células.

Os nutrientes utilizados no metabolismo microbiano podem ser classificados como macro nutriente, os quais incluem o C, O, H, N, P, S, K, MG, Na, Ca, Fe. Na; e micro nutrientes, ou os chamados elementos traços, como o Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn, muito deles necessários à atuação de diversas enzimas. Em alguns processos de tratamento pode ocorrer a necessidade de nutrientes importantes ao metabolismo bacteriano, como nitrogênio e fósforo, que deverão ser adicionados para auxiliar a degradação da matéria orgânica (SANT’ANNA Jr, 2010).

A Figura 2.4 ilustra o processo de degradação biológica de carboidratos, por exemplo, (VON SPERLING, 2002).

Em tratamento de efluentes, o oxigênio é introduzido no sistema de forma artificial. A transferência de oxigênio molecular para o meio líquido por meio de aeração constitui-se em um mecanismo de transferência de massa (movimento) entre a interface gás-líquido, por difusão e convecção.

Figura 2.4 – Diagrama simplificado da degradação biológica de carboidratos (Von Sperling, 2002).

Na ausência do oxigênio livre, ou presença em quantidade insuficiente, começam a predominar os micro-organismos anaeróbios facultativos, ou seja, aqueles que preferencialmente não usam oxigênio na decomposição da matéria orgânica. Alguns micro- organismos utilizam o oxigênio de outros receptores de elétrons, tais como nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-), para suprir suas necessidades energéticas. Organismos, que sobrevivem somente em meio desprovido de oxigênio e que geram energia através do processo de fermentação, são obrigatoriamente anaeróbios (CAVALCANTI, 2012).

Já digestão anaeróbia é composta por várias reações sequenciais, cada uma com sua população bacteriana específica, e pode ser dividida em quatro etapas, descritas na Figura 2.5. Inicialmente, as bactérias anaeróbias convertem o material orgânico particulado em compostos dissolvidos, num processo, denominado hidrólise ou liquefação (primeira fase). Os polímeros orgânicos formados, como glucídios, lipídeos e protídeos, são de tamanho consideravelmente grande para penetrarem no interior das células bacterianas, necessitando da ação de enzimas hidrolíticas que convertem esses compostos a oligômeros e monômeros, como glicose, aminoácidos e ácidos graxos, que são de tamanho suficientemente pequeno para penetrarem no interior das células, sendo em seguida metabolizados em ácidos orgânicos, cetonas, alcoóis, NH3, H2 e CO2, constituindo a segunda fase do processo, denominada fase de

acidificação. A passagem destes compostos pela membrana citoplasmática para o interior da célula pode se dar por duas vias: difusão passiva segundo o gradiente de concentração ou por transporte ativo das proteínas membranáceas.

A fase de acidificação se caracteriza por ser um processo bioquímico, pelo qual as bactérias obtêm energia pela transformação da matéria orgânica hidrolisada. Como a fase de hidrólise ocorre no exterior da célula, são, portanto, as mesmas bactérias que realizam as duas

primeiras fases do processo de digestão anaeróbia. Tais bactérias são anaeróbias restritas ou facultativas, porém na sua maioria são anaeróbias restritas. Os metabólitos finais das bactérias hidrolíticas acidogênicas são excretados das células e entram em solução no meio, passando, então, a serem substratos das bactérias acetogênicas, as quais produzem como metabólito obrigatório, o hidrogênio, compreendendo a terceira fase do processo, denominada acetogênese. As bactérias acetogênicas desempenham um importante papel entre a acidogênese e a etapa final, a metanogênese, pois são capazes de converter ácidos graxos, com mais de dois carbonos, a ácidos acéticos, CO2 e H2, que são os substratos para as bactérias metanogênicas. Na quarta e última fase, esses compostos são consumidos pelas bactérias metanogênicas, estritamente anaeróbias, dando origem aos produtos finais da degradação, que são o gás metano e o gás carbônico (FORESTI, 1999 apud PECORA, 2006).

Figura 2.5 – Etapas da digestão anaeróbia (Von Sperling, 2002).

No tratamento dos esgotos, micro-organismos aeróbios são encontrados nos processos de lodos ativados e filtros biológicos; e os anaeróbios predominam nos processos de digestão anaeróbia, como em reatores UASB e digestores de lodo. As facultativas, por sua vez, são ativas em ambos os processos.

De acordo com Grady (1985), o uso de cultura mista, em pesquisas, proporciona algumas vantagens em relação ao uso de cultura pura, devido a dois fatores. Um destes é a capacidade biodegradativa de uma comunidade, que é muito maior do que a de uma espécie isolada, tanto quantitativamente quanto qualitativamente. O outro fator está relacionado à

maior resistência da comunidade à substâncias tóxicas, devido a presença de uma variedade de micro-organismos. Dessa forma, conforme apontado por Kataoka (2001), em um meio contendo cultura mista, o produto metabólico de uma espécie pode ser degradado por outra, o que pode levar a uma completa degradação do produto, mesmo que dentro da comunidade não exista um micro-organismo em especial que seja capaz de degradar totalmente o composto de interesse.