Toxicidade ao Processo de Biodegradação dos RSU

De acordo com McCarty (1964), existem muitos materiais, orgânicos e inorgânicos, que podem ser tóxicos ou inibidores do processo de biodegradação anaeróbia dos RSU. No entanto, o termo tóxico é relativo, sendo que a concentração em que o material se torna tóxico ou inibidor pode variar de mg/L a várias centenas de mg/L (MCCARTY, 1964). Na Figura 3-8 é apresentado o gráfico de McCarty (1964) sobre o efeito dos sais e de outras substâncias nas reações biológicas que explica claramente o comportamento da toxicidade. ‘

Figura 3-8 – Efeito dos sais e de outras substâncias nas reações biológicas

Fonte: Adaptado de McCarty (1964).

Observa-se no gráfico apresentado que em baixas concentrações o sal estimula a atividade biológica até atingir a concentração ótima ou o pico de estímulo. Essas concentrações são desejáveis e permitirão a máxima eficiência da reação. A partir desse ponto, o aumento da concentração de sal passa a reduzir a estimulação da reação biológica. Com o aumento da concentração de sal atinge-se a concentração de mudança, na qual o sal passe a ser tóxico a atividade biológica, retardando o processo de biodegradação de tal forma que a eficiência será muito baixa (MCCARTY, 1964).

Desta forma, um fator a ser destacado no comportamento dos micro-organismos é a sua versatilidade de aclimatação ou adaptação. Segundo McCarty (1964), os micro- organismos usualmente têm a habilidade de se adaptar, em certa medida, às concentrações inibidoras de muitos materiais. O grau de adaptação é relativo, e em alguns casos, a atividade após a aclimatação pode aproximar-se daquela obtida na ausência do material inibidor, e em outros casos, a aclimatação pode ser inferior a esta (MCCARTY, 1964).

Conforme sumarizado por Chen, Cheng e Creamer (2008), a aclimatação de metanogênicas em altas concentrações de sódio e em períodos prolongados de tempo poderia aumentar a tolerância e reduzir a fase lag, antes do início da produção de metano. Ainda de acordo com os autores, a tolerância está relacionada com a concentração de sódio (Na+) e o tempo de exposição.

De Baere et al. (1984) não observaram efeitos significativos na adição de solução de cloreto de sódio de até 65 g/L em seus reatores, quando estas adições foram realizadas com concentrações crescentes ao longo do tempo. Essa concentração máxima corresponde a 24 g/L de sódio, que é 3 vezes superior aos 8 g/L proposto por McCarty (1964) como sendo fortemente inibidora (DE BAERE et al., 1984), o que comprova o efeito da adaptação dos micro-organismos ao longo do tempo.

Toxicidade de Sais

Segundo Warith e Sharma (1998), além dos efeitos inibidores relacionados ao oxigênio, hidrogênio e sulfato, suspeita-se que a presença de concentrações de dióxido de carbono, sais, sulfetos, metais e outros compostos específicos são potenciais inibidores da produção de metano.

A toxicidade relacionada aos sais foi amplamente estudada por diversos autores (HOLM e SHERMAN, 1921; SHERMAN, HOLM e ALBUS, 1922; SHERMAN e HOLM, 1922; WINSLOW e FALK, 1923a; WINSLOW e FALK, 1923b) no final da década de 20 e início da década de 30. Na década de 60, Kugelman e McCarty (1965) estudaram os efeitos inibidores do sódio no tratamento anaeróbio de resíduos sólidos.

Essa toxicidade relacionada aos sais é causada pelo aumento da pressão osmótica do meio (KHOURY et al., 2000; ALKAABI, GEEL e WARITH, 2009), e consequentemente, desidratação das células bacterianas (DE BAERE, et al. 1984; YERKES,

aumento da fase lag3 da produção de metano (ALKAABI, GEEL e WARITH, 2009). De uma maneira geral, esses aspectos afetam adversamente os micro-organismos em nível celular e retardam ou inibem o processo de biodegradação (KHOURY et al., 2000). No entanto, de acordo com De Baere et al. (1984), alguns micro-organismos são mais susceptíveis à pressão osmótica que outros.

Segundo McCarty e McKinney (1961b), embora o cátion dos sais esteja sempre associado ao ânion, a ação de toxicidade é predominantemente determinada pelo cátion, sendo que o papel do ânion é reativamente menor e associado seus efeitos sobre o pH do meio.

O efeito dos cátions, porém, varia amplamente de organismo para organismo, sendo que certas espécies são capazes de tolerar maiores concentrações do que outras (MCCARTY e MCKINNEY, 1961b).

McCarty e McKinney (1961b) estudaram o efeito de vários sais sobre o mecanismo de utilização do acetato pelas arquéias metanogênicas em reatores anaeróbios, a partir da adição de sais de cloreto de cálcio, magnésio, sódio, potássio e amônia numa concentração de 8.300 mg/L. Os resultados demonstraram que os sais de sódio e potássio produziram efeitos similares e foram mais tóxicos que os sais de cálcio e magnésio, no entanto o cloreto de amônia foi o sal que apresentou a maior toxicidade. O estudo comprovou que todos os sais utilizados retardaram ou inibiram a utilização de acetato pelas arquéias metanogênicas. A ordem de toxicidade dos cátions, do menos para o mais tóxico, foi a seguinte: cálcio, magnésio, sódio, potássio e amônia (MCCARTY e MCKINNEY, 1961b).

De acordo com McCarty (1964), as concentrações de sódio são estimuladoras da atividade biológica anaeróbia na faixa de 100 a 200 mg/L. No entanto, na faixa entre 3.500 e 5.500 mg/L as concentrações de sódio são moderadamente inibidoras e na concentração de 8.000 mg/L são fortemente inibidoras (MCCARTY, 1964).

Os estudos conduzidos por Kugelman e Chin (1971) encontraram que a concentração ótima para as arquéias metanogênicas acetoclásticas mesofílicas em processos de tratamento de resíduos foi de 230 mg Na+/L, enquanto que Patel e Roth, (1977) reportaram a concentração de 350 mg Na+/L como condição ótima para crescimento das metanogênicas acetoclásticas mesofílicas.

3

A fase lag é compreendida como um período inicial de adaptação microbiana ao ambiente imposto, na qual os micro-organismos se adaptam enzimaticamente ao meio, sem que haja um crescimento aparente (MONTEIRO, 2003).

De acordo com estudos de Rinzema, Lier e Lettinga (1988), as concentrações de Na+ de 5, 10 e 14 g causaram 10, 50 e 100%, respectivamente, de inibição da atividade metanogênica em reatores do tipo UASB.

Liu e Boone (1991) identificaram que a concentração de NaCl de até 0,25 molar teve efeito limitado sobre o crescimento dos micro-organismos utilizadores de propionato, de acetato, de H2-CO2. A taxa de crescimento dos micro-organismos degradadores de

lignocelulose foi 50% inibida com a concentração de 0,25 molar de NaCl (LIU e BOONE, 1991).

Em suas pesquisas Feijoo et al. (1995) identificaram que concentrações de sódio entre 3 e 16 g/L causaram inibição de 50%.

Khoury et al. (2000) avaliaram o efeito da intrusão de água salina (água do mar) no processo de biodegradação de RSU, e obtiveram como resultado que a água salina (23 g/L de cloretos) pode retardar o processo de biodegradação do RSU.

Chen, Cheng e Creamer (2008) em sua revisão sobre inibição do processo de digestão anaeróbia resumiram que o IC 50 (concentração tóxica que causa 50% de redução na produção de metano) para inibição com sódio variou de 5,6 a 53 g/L nos estudos avaliados, dependendo do período de adaptação, dos efeitos de antagonismos/sinergismo, do substrato e da configuração do reator.

Alkaabi, Geel e Warith (2009) avaliaram o efeito da salinidade na biodegradação do RSU em biorreatores. Os resultados demonstraram que a água salina com concentração de 3% de sal impactou a cinética de biodegradação do RSU, reduzindo em 33% o volume de metano produzido (ALKAABI, GEEL e WARITH, 2009).

Ainda de acordo com Alkaabi, Geel e Warith (2009), o aumento da concentração de sal causa redução na produção total e diária de metano, aumento na fase lag, no tempo para alcançar o pico diário de produção de metano e no tempo de estabilização.

Hossain et al. (2014) também estudaram o efeito da salinidade na biodegradação do RSU, e concluíram que a adição de água salina na operação de biorreatores retarda a geração de metano. No entanto, os autores mencionam que a taxa e volume de geração de metano são similares quando se utiliza água fresca para recirculação após o período inicial (fase lag), e concluíram que a água salina pode ser utilizada em biorreatores de RSU (HOSSAIN et al., 2014).

Apesar dos efeitos tóxicos citados, é importante destacar que, em baixas concentrações, o sódio é essencial para as arquéias metanogênicas, provavelmente por causa do seu papel no mecanismo de acoplamento quimiosmótico (quimiosmose), ou seja, na oxidação da coenzima NADH e na formação da trifosfato de adenosina (ATP) (PERSKI, SCHÖNHEIT e THAUE, 1982; BLAUT, MÜLLER e GOTTSCHALK, 1986; DIMROTH e THOMER, 1989).