A utilização de microrganismos nos processos de tratamento de águas residuária é realizada há mais de um século. Esta área vem se desenvolvendo de forma exponencial à medida que a microbiologia vem desvendando os mistérios do comportamento dos microrganismos na natureza. A biotecnologia aplicada ao tratamento de efluentes vem sendo utilizada principalmente para remoção da matéria orgânica, no entanto, outros poluentes também podem ser removidos pela ação direta ou indireta dos microrganismos. Incluem-se entre os processos mais conhecidos a remoção de nitrogênio, fósforo, sulfato, além da remoção de metais pesados pelos processos de biolixiviação e biosorção. Contaminantes orgânicos tóxicos, antes considerados recalcitrantes ou até mesmo não biodegradáveis, vem mostrando-se passíveis de serem transformados biologicamente, principalmente devido à evolução e otimização dos processos de tratamento. Esta capacidade dos microrganismos em metabolizar diferentes compostos vem no sentido de extrair dos mesmos fontes nutricionais e energéticas necessárias para o crescimento e funções metabólicas dos mesmos.
O tratamento biológico de resíduos emprega a ação conjunta de espécies diferentes de microrganismos, em biorreatores, que operados sob determinadas condições resulta na estabilização dos mesmos. Em geral, os diferentes tipos microbianos nos processos biológicos de tratamento atuam conjuntamente, formando uma verdadeira cadeia alimentar com interações nutricionais facultativas e obrigatórias.
6.1- Microbiologia e Bioquímica
A grande maioria dos processos biológicos de tratamento estão associados ao crescimento dos microrganismos envolvidos. Ou seja, a medida que o substrato (matéria orgânica e nutrientes) vai sendo consumido (degradado), os microrganismos crescem proporcionalmente em massa.
degradação do substrato = crescimento microbiano proporcional
No entanto, a biotransformação de alguns compostos não tem sido associada a nenhum benefício para a célula, seja nutricional ou energético. Estas transformações ao acaso vem sendo chamadas de “fortuitas”. Estes são casos muito particulares, os quais não serão objeto deste curso.
NUTRIÇÃO E NUTRIENTES
A composição química do meio é de importância fundamental nestes processos biológicos, sendo um fator determinante da predominância das populações de microrganismos que irão participar do mesmo.
• Compostos doadores de elétrons (ou de hidrogênio): são compostos passíveis de oxidação, perdendo elétrons em reações REDOX. Ex. matéria orgânica.
• Compostos receptores de elétrons (ou de hidrogênio): são compostos passíveis de redução, recebendo os elétrons dos doadores, em reações REDOX. Ex. matéria orgânica, O2, CO2, SO42- e NO3-.
• Fontes de energia: compostos que ao serem metabolizados geram energia. Ex. compostos orgânicos, compostos inorgânicos e luz.
• Fontes de carbono: compostos que ao serem metabolizados são transformados em material celular. Ex. compostos orgânicos e CO2.
• Fontes de nitrogênio: NH3, NO3 e NO2
• Nutrientes minerais: compostos essenciais para o crescimento. Macronutrientes (P, S, Na, K, Fe, Mg e Ca) e micronutrientes (Ni, Co, Zn, Bo, Mo, Se, etc).
• Fatores de crescimento: compostos essenciais para o crescimento que alguns microrganismos não sintetizam. Ex. vitaminas, aminoácidos, etc.
A grande maioria das águas residuárias possui, além do seu conteúdo orgânico, uma composição bastante diversificada, contendo a maioria dos compostos necessários para o crescimento dos microrganismos em geral. No entanto, aqueles nutrientes que são necessários em maiores quantidades deve-se estar atento para verificar se os mesmos estão em
quantidades suficientes. O nitrogênio e o fósforo são os de maior interesse. Portanto, é necessário que se verifique as concentrações proporcionais destes nutrientes em função da quantidade de matéria orgânica que deseja-se degradar.
Considerando que as moléculas de carbono devem combinar-se com as de nutrientes para gerar as moléculas da composição celular, um bom ponto de partida para avaliar as necessidades nutricionais é a análise elementar da composição celular.
• Fórmula química média de microrganismos Bactéria aeróbia: C5H7O2N
Anaeróbia: C5H9O3N
Leveduras: C7H12O3N
Por tanto, é de se imaginar que uma relação C:N de 5:1, no caso de bactérias seria o ideal para atender estas necessidades. No entanto, deve-se considerar alguns fatos nesta análise: nem todo o carbono será utilizado para a composição celular, ficando uma parte do mesmo sob a forma de subprodutos; nem todo o nitrogênio está sob a forma disponível para os microrganismos; nem toda a matéria orgânica é biodegradável. Por isso, uma série de relações C:N podem ser encontradas na literatura, indicando como sendo a ideal para
sustentar o crescimento dos microrganismos sem limitações nutricionais. Na realidade, estas relações são obtidas na prática, referindo-se para aqueles casos em particular. Deve-se ter cuidado na extrapolação destas quando estuda-se um caso específico.
• Relação carbono:nitrogênio (C:N) – 2:1 – 30:1 • Relação DQO:N:P:S – 500:7:1:1 - 1200:7:1:1
Outra questão muito importante é com relação do que venha a ser considerado uma substância tóxica. Na realidade, qualquer substância pode ser tóxica ou nutritiva para um microrganismo, dependendo da sua concentração no meio. Normalmente, considera-se tóxica aquela substância que em baixas concentrações provoca um efeito inibitório ao microrganismos, e contrariamente, uma substância nutritiva aquela que é necessária em altas concentrações para promover um franco desenvolvimento do mesmo. Além disso, quando duas ou mais substâncias estão em solução, elas podem ter um efeito sinérgico ou antagônico com relação à toxicidade. As Figuras abaixo demonstram estes efeitos.
CINÉTICA DO CRESCIMENTO CELULAR
Quando na presença de um substrato o microrganismo apresenta um crescimento populacional que pode ser dividido em 6 fases distintas, em função da disponibilidade do mesmo. A Figura abaixo apresenta as curvas características do cultivo de células em batelada.
Fase lag: ajuste dos microrganismos ao meio (sistema enzimático);
I. Fase de aceleração: início da multiplicação e do aumento de células; II. Fase exponencial (ou log): todas as células se dividem;
III. Fase de retardo: substrato começa a ficar escasso e nem todas as células se dividem; IV. Fase estacionária: algumas células começam a morrer. A taxa de morte e crescimento
se igualam;
V. Fase de declínio: substrato está praticamente ausente. A taxa de morte se torna muito superior à de crescimento;
Curvas características do crescimento de um microrganismos em processo de batelada Traçando-se as tangentes aos pontos destas curvas obtemos:
• Velocidade de produção de células:
• Velocidade de consumo de substrtato:
• Velocidade de formação de produtos:
P X S Conc. Tempo Tempo Log Conc. X I II III IV V VI P: produto X: células S: substrato dt dX VX = dt dS VS =− dt dP VP =
Dividindo-se pelo número de células e medindo-se esta velocidade no ponto de inflexão da curva, teremos:
• Velocidade específica máxima de produção de células:
• Velocidade específica máxima de consumo de substrtato:
• Velocidade específica máxima de formação de produtos:
Sendo as curvas de consumo de substrato e de formação de células, bem como a de formação de produtos, proporcionais, é conveniente definir este coeficiente de proporcionalidade como:
Fator de conversão de substrato em células
Pode-se também definir a grandeza YP/S=∆P/∆S, como sendo o fator de conversão de
substrato para produto.
Portanto, ∆X = - YX/S* ∆S
Para avaliar o comportamento cinético característico para cada microrganismo, MONOD desenvolveu o seguinte modelo:
Com isto ele pode escrever Onde: µmax= valor máximo de µ
Ks=cte. de saturação= valor de S para µ=µmax/2
dt dX X * 1 = µ − = dt dS X S * 1 µ dt dP X P * 1 =
µ
(
S)
X Y S X −∆ ∆ = 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 1 2 3 4 5 6 S (g/L) (h -1 ) Ks=0,1g/L Ks=0,3g/L Ks=1,0g/L Ks=2,0g/L Equação de Monod µ=µmax*S/(Ks+S) com µmax=0,5 h-1 S Ks S + =µmax* µASPECTOS BIOQUÍMICOS DO METABOLISMO
Metabolismo são reações químicas que ocorrem na célula para produzir energia e para síntese de compostos necessários à vida e ao crescimento. Estas reações são de oxi-redução produtoras e consumidoras de energia, onde as substâncias doadoras de elétrons vão sendo oxidadas e as receptoras reduzidas. A energia liberada em uma determinada reação é armazenada na forma de ligações químicas, onde as mais importantes são as ligações fosfato com a adenosina
AMP + P + energia ↔ ADP ADP + P + energia ↔ ATP
Quando necessário, o microrganismos utiliza a energia armazenada na forma de ATP para realizar reações que necessitam de energia, como as reações de síntese celular e para outras funções primárias da célula, como transporte de íons para dentro e fora da célula e mobilidade.
O metabolismo pode ser dividido basicamente em catabolismo e anabolismo:
Catabolismo são as reações metabólicas que ao final de uma seqüência irão gerar energia para as várias funções dos microrganismos. Geralmente estas reações estão associadas à degradação dos compostos orgânicos.
Anabolismo são as reações metabólicas que ao final de uma seqüência irão gerar um produto para as várias funções dos microrganismos. Geralmente estas reações estão associadas à síntese dos compostos orgânicos necessários ao crescimento. Nas reações de síntese energia é requerida. As reações anabólicas só poderão ocorrer se energia suficiente foi gerada nas reações catabólicas.
A Figura abaixo apresenta um fluxograma esquemático da energia gerada e utilizada pelos microrganismos.
Esquematização da troca de energia entre reações catabólicas e anabólicas
Como exemplo re reações catabólicas apresenta-se na figura abaixo a seqüência de reações realizadas no processo de transformação da glicose em um intermediário muito importante para reações anabólicas posteriores. A este processo específico dá-se o nome de glicólise.
Glicólise
Observa-se que nesta transformação, 1 mol de glicose gera 2 moles de piruvato, com a produção de moles de ATP e mais 2 moles de NADH2. As moléculas de NADH2 não provê
energia química diretamente para o anabolismo. Apenas o ATP pode fazê-lo. Portanto, há uma transformação da energia contida no NADH2 para o ADP, transformando-os em ATP,
que é denominada de cadeia transportadora de elétrons, conforme a esquematização apresentada abaixo.
Observa-se que cada mol de NADH2 produz 3 moles de ATP. Portanto, a glicólise
produz uma energia total equivalente a 8 ATPs.
Conforme mencionado anteriormente, a composição química do meio é um fator determinante na seleção da predominância das populações envolvidas nos processos de tratamento dos resíduos. Também visto anteriormente, os microrganismos são classificados segundo as formas de obtenção de matéria (carbono) e de energia. Devido ao grande número de compostos passíveis de serem metabolizado pelos microrganismos e devido às suas especificidades, normalmente, classifica-se os microrganismos em função do composto que é capaz de metabolizar ou dos produtos metabólicos gerados. Uma das grandes divisões de classes de microrganismos dá-se em função do tipo de aceptor final de elétrons utilizado pelo mesmo nas reações de obtenção de energia, que por sua vez, denomina os processos de tratamento.
• Processos aeróbios (respiração aeróbia): são aqueles que utilizam o oxigênio como aceptor final de eletrons;
• Processos anaeróbios:
- Porcessos fermentativos: são aqueles que utilizam compostos orgânicos que participam do processo, como aceptores finais de elétrons (aceptores internos). - Processos anóxicos (respiração anaeróbia): são aqueles que utilizam outros
compostos, orgânicos ou inorgânicos, como aceptores finais de elétrons, que não o oxigênio ou nenhum composto orgânico que participam do processo (aceptores externos: CO32-, NO3-, Fe3+, SO42-).
Como pode ser observado, nos processos aeróbios são gerados 38 ATPs por cada mol de glicose degradado, enquanto que no anaeróbios esta geração de energia é muito inferior,
Glicose Piruvato Produtos de fermentação
(lactato, álcoois, ácidos, etc.) Hidrólise 8 ATPs 6 ATPs Ciclo de Crebes O2 CO2 30 ATPs CO32-, NO3- Fe3+, SO 42- CH4 N2 Fe2+ S2- Aceptores finais externos de elétrons
Aceptores finais internos de elétrons
PROCESSOS