Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
NOELY BOCHI SILVA
AVALIAÇÃO DO USO DE DIFERENTES AGENTES
DESINFETANTES EM ESGOTO SANITÁRIO
TRATADO
CAMPINAS 2018
AVALIAÇÃO DO USO DE DIFERENTES AGENTES
DESINFETANTES EM ESGOTO SANITÁRIO
TRATADO
Tese de doutorado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Doutora em Engenharia Civil, na área de Saneamento e Ambiente.
Orientador: Prof. Dr. Adriano Luiz Tonetti Co-orientadora: Profª. Drª. Jerusa Schneider
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA NOELY BOCHI SILVA E ORIENTADA PELO PROF. DR. ADRIANO LUIZ TONETTI.
ASSINATURA DO ORIENTADOR
______________________________________
CAMPINAS 2018
AVALIAÇÃO DO USO DE DIFERENTES AGENTES
DESINFETANTES EM ESGOTO SANITÁRIO TRATADO
Noely Bochi Silva
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Adriano Luiz Tonetti
Presidente e Orientador / Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - UNICAMP
Prof. Dr. José Roberto Guimarães
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - UNICAMP
Prof. Dra. Maria Ines Zanoli Sato
Companhia Ambiental do Estado de São Paulo Prof. Dr. Edson Eiji Matsura
Faculdade de Engenharia Agrícola - UNICAMP
Prof. Dr. Eduardo Lucas Subtil Universidade Federal do ABC
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedico esse trabalho aos meus pais: Jose Vicente e Angela e ao meu marido Wellington, que sempre estão ao meu lado, me incentivando para que meus sonhos sejam realizados.
À Deus, fonte de luz e inspiração.
À UNICAMP, minha segunda casa há 12 anos, a qual me proporcionou crescimento profissional e pessoal.
Aos meus pais: Angela e Jose Vicente meu espelho de dignidade, força, amor e respeito, sempre me apoiando e me incentivando a seguir nos estudos. Minhas conquistas são suas também!
Ao meu marido Wellington por participar da pesquisa, no desenvolvendo da câmara de pós-tratamento por UV-LED, além do seu companheirismo e incentivo nos desafios da minha vida.
Ao meu orientador Prof. Dr. Adriano Luiz Tonetti, pela oportunidade e por acreditar em minha capacidade profissional.
À minha co-orientadora Jerusa Schneider, pela parceria, desenvolvimento dos ensaios de reúso com efluente e orientação no desenvolvimento da pesquisa.
Ao Prof. Dr. Domingos Leite e equipe, pelos esclarecimentos nas questões microbiológicas sempre que precisei.
Ao Prof. Dr. José Roberto Guimarães pelos questionamentos e sugestões na qualificação.
Aos técnicos de laboratório Daniel e Thiago por me ensinarem, tirarem dúvidas e incentivo na realização dos ensaios. Em especial, ao Fernando pelo apoio, orientação metodológica e amizade.
Aos bolsistas: Carlos, Patrícia, Lucas e Bárbara pelo auxílio e amizade que conquistamos durante a realização dos ensaios.
Aos amigos de pós-graduação: Isabel, Francisco, Renata, Taís, Amanda, Cláudia, Danilo, Mylena, Oder, Wilson, Marlon, Ariane, Evelin, Luana, Flávia, Murilo, pelas conversas e incentivo à pesquisa.
Aos queridos amigos: Gabriela, Taína, Raul e Daniel pelos valiosos conselhos profissional e pessoal.
À SANASA, pela permissão das coletas de amostras de efluente.
A Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, pela disponibilização de recursos como os laboratórios para o desenvolvimento da pesquisa; em especial ao pessoal da secretaria, pelo suporte sempre que solicitado.
"O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001."
O lançamento de efluentes domésticos “in natura”, ou tratados inadequadamente é uma das principais fontes pontuais de contaminação em ambientes aquáticos e propagação de doenças de veiculação hídrica. Atualmente, tratamentos convencionais e alternativos vêm sendo analisados quanto ao seu potencial de inativação de microrganismos, como também, aos efeitos adversos que podem acarretar ao ambiente. Nesta pesquisa foram avaliados os pós-tratamentos com agentes desinfetantes: hipoclorito de cálcio, ácido peracético e UV-LED utilizados para a inibição de microrganismos patogênicos presentes em efluentes sanitários e os possíveis impactos toxicológicos a organismos-teste. Foram realizados ensaios em diversas concentrações e tempos de exposição com o efluente originário da Estação de Tratamento de Efluentes do distrito de Barão Geraldo, Campinas (SP), ensaios de toxicidade com Aliivibrio fischeri e Impatiens balsamina L. e, posteriormente, a avaliação da alteração da comunidade microbiológica pelo uso do efluente tratamento no solo. Os resultados obtidos indicam que todos os pós-tratamentos foram eficientes na inibição dos microrganismos E. coli e S. aureus presentes no efluente, porém, o ácido peracético causou alta toxicidade aos organismos-teste, seguido do hipoclorito de cálcio. A radiação proveniente de UV-LED além de não ter ocasionado efeitos toxicológicos, não alterou os atributos microbiológicos e químicos do solo na variabilidade dos grupos funcionais de microrganismos, sendo, a indicada como forma de pós-tratamento para este efluente, sob essas condições analisadas.
The release of "in natura" or inadequately treated domestic sewage is one of the main point sources of contamination in aquatic environments and the propagation of waterborne diseases. Currently, conventional and alternative treatments have been analyzed for their potential inactivation of microorganisms, as well as the adverse effects that can lead to the environment. In this research the post-treatments with calcium hypochlorite, peracetic acid and UV-LED were used to inhibit pathogenic microorganisms present in sanitary sewage and the possible toxicological impacts to test organisms. Several experiments were carried out at various concentrations and exposure times with the sewage from the Effluent Treatment Station of the district of Barão Geraldo, Campinas (SP), toxicity tests with Aliivibrio fischeri and Impatiens balsamina L., and the evaluation of the microbiological community by the use of post-treatment sewage in the soil. The results indicated that all post-treatments were efficient in inhibiting the E. coli and S. aureus microorganisms present in the sewage; however, peracetic acid caused high toxicity to the test organisms, followed by calcium hypochlorite. The radiation from UV-LED, besides not causing toxicological effects, did not alter the microbiological and chemical attributes of the soil in the variability of the functional groups of microorganisms, being, indicated as a form of post-treatment for this sewage under these analyzed conditions.
Figura 2 - Curva de cloro residual em águas com presença de amônia ... 52
Figura 3- Espectro eletromagnético na região de ultravioleta ... 69
Figura 4 - Custos em residências Figura 5 – Custo na indústria ... 74
Figura 6: Fluxograma metodológico para o desenvolvimento da pesquisa ... 103
Figura 7: Diagrama dos ensaios com hipoclorito de cálcio em água peptonada ... 108
Figura 8: Diagrama dos ensaios com ácido peracético em água peptonada ... 109
Figura 9: Diagrama dos ensaios com UV-LED em água peptonada ... 110
Figura 10 - Espectro de emissão de cada UV LED de 255 nm ... 112
Figura 11 - Espectro de emissão de cada UV LED de 280 nm ... 112
Figura 12 - Espectro de emissão de cada UV LED de 365 nm ... 113
Figura 13 - Espectro de emissão de cada UV LED de 405 nm ... 113
Figura 14-Câmara de radiação, vista externa ... 115
Figura 15 - Câmara de radiação, vista interna ... 115
Figura 16–Posicionamento dos UV-LED Figura 17-Vista interna do posicionamento ... 115
Figura 18 – Posicionamento dos UV-LED em relação à placa de Petri ... 116
Figura 19 – Diagrama sobre a funcionalidade do dispositivo ... 117
Figura 20 – Incidência de radiação UV sobre a placa de Petri ... 117
Figura 21 - ETE Barão Geraldo (SANASA)-Campinas (SP) ... 120
Figura 22 - Fluxograma de processo da ETE Barão Geraldo-Campinas (SP) ... 121
Figuras 23 – Coleta do efluente após o tratamento secundário da ETE- Barão Geraldo ... 122
Figura 24: Diagrama dos ensaios com hipoclorito de cálcio e ácido peracético em efluente ... 125
Figura 25: Diagrama dos ensaios com UV-LED em efluente ... 125
Figura 26 – Fluxograma dos resultados obtidos na pesquisa ... 137
Figura 27 - Inibição da bactéria E. coli após a exposição de 20 minutos em várias concentrações de hipoclorito de cálcio ... 138
Figura 28 - Inibição de E. coli por tempo de exposição ao hipoclorito de cálcio ... 139
Figura 29 - Inibição da Amostra X após a exposição de 20 minutos em várias concentrações de hipoclorito de cálcio ... 141
Figura 30 - Inibição da Amostra X por tempo de exposição ao hipoclorito de cálcio ... 142
Figura 31- Inibição da E. coli após a exposição de 20 minutos em várias concentrações de ácido peracético ... 142
Figura 32 - Inibição de E. coli pelo tempo de exposição ao ácido peracético ... 143
Figura 33 - Inibição da Amostra X após a exposição de 20 minutos em várias concentrações de ácido peracético. ... 144
Figura 34 - Inibição da Amostra X pelo tempo de exposição ao ácido peracético .. 145
Figura 35 – Desempenho de cada programa de UV-LED em inibir E. coli ... 148
Figura 36 – Desempenho do P5 - E. coli Figura 37 - Desempenho do P12- E. coli ... 151
Figura 38 - Desempenho do P14 – E. coli Figura 39 - Desempenho do P15 – E. coli ... 152
Figura 43-Desempenho P12, Amostra X ... 157 Figura44 – Desempenho P15, Amostra X ... 157 Figura 45 - Inibição de E. coli no efluente pós-tratamento com hipoclorito de cálcio ... 165 Figura 46 - Inibição de S. aureus no efluente pós-tratamento com hipoclorito de cálcio ... 167 Figura 47 - Concentrações de cloro residual após 4 mg.L-1 de hipoclorito no efluente x tempos de contato ... 172 Figura 48 - Concentrações de cloro residual após 8 mg L-1 de hipoclorito no efluente x tempos de contato ... 173 Figura 49 - Concentrações de cloro residual após 128 mg L-1 de hipoclorito no efluente x tempos de contato ... 173 Figura 50 - Concentrações de cloro residual após 256 mg L-1 de hipoclorito no efluente x tempos de contato ... 173 Figura 51- Inibição de E. coli no efluente pós-tratamento com ácido peracético ... 176 Figura 52 - Inibição de S. aureus no efluente pós-tratamento com ácido peracético ... 178 Figura 53 – Residual de APA após os tratamentos com 4 mg L-1
e 8 mg L-1 x tempo de contato... 182 Figura 54 - Residual de APA após os tratamentos com 254 mg L-1 e 384 mg L-1 x tempo de contato ... 182 Figura 55 - Inibição de E. coli no efluente pós-tratamento com radiação UV-LED .. 188 Figura 56 - Inibição de S. aureus no efluente pós-tratamento com radiação UV-LED ... 191 Figura 57 – Valores de UT obtidos com Aliivibrio fischeri em efluente da estação de Barão Geraldo e em pós-tratamentos com diferentes agentes desinfetantes ... 207 Figura 58 – Efeito do efluente e pós-tratamento com agentes desinfetantes em Impatiens balsamina L. ... 212 Figura 59 - Teste de sensibilidade da bactéria Aliivibrio fischeri ao Sulfato de Zinco ... 218 Figura 60 - Teste de sensibilidade da semente Impatiens balsamina L. ao Sulfato de Zinco ... 219 Figura 61- Liberação de CO2 do solo em função do tempo e das doses dos
diferentes efluentes pós-tratamentos ... 225 Figura 62 - Biomassa microbiana em função do tempo e das doses dos diferentes efluentes pós-tratamentos ... 227 Figura 63 - Variação do coeficiente metabólico durante 270 dias após aplicação dos diferentes efluentes pós-tratamentos ... 228 Figura 64 - Análise de redundância da densidade de grupos funcionais de microrganismos ligados ao ciclo do nitrogênio ... 235 Figura 65 - Metabolismo heterotrófico médio (média do desenvolvimento de cor – AWCD) em amostras de solo submetidos a diferentes agentes desinfetantes ... 238
Tabela 4 – Pesquisas de desinfecção em água utilizando radiação por UV com LED
... 78
Tabela 5- Relaciona os resultados obtidos em diversas pesquisas com a inativação de microrganismos diferentes, o comprimento de onda e os tempos de exposição . 83 Tabela 6-Parâmetros da água de cultivo com E. coli ... 106
Tabela 7- Parâmetros da água de cultivo com Amostra X ... 111
Tabela 8 - Propriedades ópticas e físicas dos UV-LED usados durante experimentos de inativação ... 111
Tabela 9 – Análises das amostras de efluente antes e pós-tratamento com agentes desinfetantes ... 123
Tabela 10- Características químicas e físicas do solo utilizado na condução do experimento. Média de 20 amostras. ... 132
Tabela 11 – Eficiência dos tratamentos com hipoclorito e ácido peracético para inibir E. coli ... 146
Tabela 12 - Eficiência dos tratamentos com hipoclorito e ácido para inibir as bactérias presentes na Amostra X ... 147
Tabela 13 – Eficiência do Programa 5 em inibir E. coli ... 149
Tabela 14 - Eficiência do Programa 12 em inibir E. coli ... 150
Tabela 15 - Eficiência do Programa 14 em inibir E. coli ... 150
Tabela 16 – Eficiência do Programa 15 em inibir E. coli ... 151
Tabela 17 – Eficiência do Programa 5 em inibir as bactérias da Amostra X ... 154
Tabela 18 - Eficiência do Programa 11 em inibir as bactérias da Amostra X ... 155
Tabela 19 - Eficiência do Programa 12 em inibir as bactérias da Amostra X ... 155
Tabela 20 - Eficiência do P15 em inibir as bactérias da Amostra X ... 156
Tabela 21 – Comparação entre os desempenhos dos programas P5, P12 e P15 na inibição de E. coli e Amostra X ... 158
Tabela 22 – Dosagem aplicada no tempo máximo de exposição ... 159
Tabela 23 – Resultados das análises físicas, químicas e microbiológicas do efluente da ETE- Barão Geraldo ... 162
Tabela 24 - Eficiência do hipoclorito de cálcio em inibir colônias típicas de E. coli . 166 Tabela 25 - Eficiência do hipoclorito de cálcio em inibir colônias típicas de S. aureus ... 168
Tabela 26 – Resultados do efluente após tratamento com hipoclorito de cálcio ... 169
Tabela 27 - Eficiência do ácido peracético em inibir colônias típicas de E. coli ... 177
Tabela 28 - Eficiência do ácido peracético em inibir colônias típicas de S. aureus . 178 Tabela 29- Resultados do efluente após tratamento com ácido peracético ... 180
Tabela 30 - Resultados do efluente após tratamento com UV-LED ... 184
Tabela 31- Testes de Dunn* e Tukey** em pares dos programas de UV-LED ... 185
Tabela 32 - Testes de Dunn* e Tukey** em pares dos programas de UV-LED (continuação) ... 185
Tabela 33 - Teste de ranks de Mann-Whitney* e T-Student** para a eficiência do Programa 5 em 5 e 60 minutos ... 186
Tabela 34 - Eficiência do UV-LED em inibir colônias típicas de E. coli ... 188
Tabela 35 - Eficiência do UV-LED em inibir colônias típicas de S. aureus ... 191
Tabela 39- Relaciona os resultados de inativação de microrganismos presentes na
água peptonada e no efluente, frente aos agentes desinfetantes ... 195
Tabela 40- Comparação da eficiência dos tratamentos com hipoclorito de cálcio e APA ... 200
Tabela 41 - Eficiência do hipoclorito de cálcio para inibir E. coli após 24 h ... 202
Tabela 42 - Eficiência do APA para inibir E. coli após 24 h ... 202
Tabela 43 - Eficiência da radiação UV-LED para inibir E. coli após 24 h ... 203
Tabela 44 - Eficiência do hipoclorito de cálcio para inibir S. aureus após 24 h ... 205
Tabela 45 - Eficiência do APA para inibir S. aureus após 24 h ... 205
Tabela 46 - Eficiência da radiação UV-LED para inibir S. aureus após 24 h ... 206
Tabela 47 – Avaliação da toxicidade aguda dos efluentes tratados expressa por UT utilizando Aliivibrio fischeri... 211
Tabela 48 – Índice de germinação de Impatiens balsamina L... 215
Tabela 49 - Características da água e efluente tratado utilizado no ensaio e valores orientadores para irrigação agrícola de acordo com a FAO (1994), WHO (2006) e USEPA (2012) ... 221
Tabela 50 - Densidade de grupos funcionais de microrganismos, atributos microbiológicos e químicos do solo com 9 meses de aplicação de diferentes efluentes tratados da ETE e pós-tratamentos com os agentes desinfetantes ... 231
Tabela 51 - Correlação de Pearson entre a densidade populacional de grupos funcionais de microrganismos e parâmetros químicos e de atividade microbiana em diferentes efluentes tratados da ETE e pós-tratamentos com os agentes desinfetantes. Coeficientes com * significativo a 5% e com ** significativos a 1% .. 233
Tabela 52 – Resultados dos testes de toxicidade e da avaliação química e microbiológica do solo aos agentes desinfetantes ... 240
Tabela 53 – Resultados dos testes de toxicidade e da avaliação química e microbiológica do solo com a aplicação ados agentes desinfetantes ... 241
CETEB - Companhia Ambiental do Estado de São Paulo
CE50 – Concentração efetiva que causa efeito adverso médio a 50% dos organismos
DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio DQO - Demanda Química de Oxigênio ETE - Estação de Tratamento de Esgoto NBR - Norma Técnica Brasileira
OD - Oxigênio Dissolvido
OECD - Organization for Economic Co-operation and Development pH - potencial hidrogeniônico
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas
USEPA - United States Environmental Protection Agency UT - Unidade Tóxica
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 25
3.1 Panorama do saneamento básico ... 25
3.2 Desinfecção ... 28
3.2.1 Organismo indicador – E. coli ... 32
3.2.2 Organismo indicador – Staphylococcus aureus ... 38
3.3 Hipoclorito de cálcio ... 43
3.3.1 Ação desinfetante do Cloro ... 50
3.3.2 Formação das cloraminas ... 51
3.3.3 Formação de subprodutos com potencial danos à saúde humana ... 54
3.4 Ácido Peracético ... 57
3.4.1 Características físicas e químicas ... 57
3.4.2 Uso do ácido peracético como desinfetante ... 59
3.4.3 Desinfecção em esgoto ... 61
3.4.4 Fatores que afetam a desinfecção ... 64
3.4.5 Subprodutos residuais ... 65
3.4.6 Comparação entre desinfetantes ... 67
3.5 Diodos emissores de luz ... 68
3.5.1 Uso de LED ... 71
3.5.2 Mecanismo de inativação ... 76
3.6 Ecotoxicidade ... 88
3.6.1 Teste de toxicidade com Aliivibrio fischeri ... 93
3.6.2 Teste de fitotoxicidade com Impatiens balsamina L. ... 95
3.7 Desinfecção de efluentes para reúso e produção agrícola sustentável ... 99
4 MATERIAL E MÉTODOS ... 103
4.1 Metodologia ... 103
4.2 ETAPA 1: Otimização do uso do hipoclorito de cálcio, ácido peracético e UV-LED na inibição de microrganismos-alvo em água peptonada... 105
4.2.1 Microrganismos: Cultivo e quantificação ... 105
4.2.1.1 Preparo da solução aquosa com a bactéria E. coli... 105
4.2.2.2 Ensaios com ácido peracético ... 108
4.2.2.3 Ensaios com radiação UV-LED ... 109
4.2.2.4 Uso de cultura bacteriana mista ... 110
4.2.3 Desenvolvimento do aparato experimental - Câmara de UV LED ... 111
4.2.3.1 Especificações dos LED ... 111
4.2.3.2 Determinação das doses reais de radiação UV ... 114
4.2.3.3 Aspectos construtivos do aparato experimental ... 115
4.2.4 Parâmetros para o tratamento com UV-LED ... 118
4.2.5 Parâmetros para os tratamentos com hipoclorito de cálcio e ácido peracético118 4.2.6 Metodologia para a análise estatística ... 118
4.3 ETAPA 2 - Avaliação dos tratamentos: UV-LED, hipoclorito de cálcio e ácido peracético, na inibição de microrganismos-alvo presentes no efluente ... 120
4.3.1 Descrição da Estação de Tratamento de Esgoto Barão Geraldo ... 120
4.3.1.1 Características principais da ETE Barão Geraldo ... 121
4.3.1.2 Coleta, transporte e estocagem das amostras ... 122
4.3.1.3 Variáveis analisadas e métodos utilizados ... 123
4.3.2 Metodologia empregada nos ensaios por tratamentos químicos ... 124
4.3.2.1 Ensaios com hipoclorito de cálcio e ácido peracético em efluente ... 124
4.3.3 Metodologia empregada nos ensaios com UV-LED ... 125
4.3.3.1 Ensaios com UV-LED no efluente ... 126
4.3.4 Metodologia das análises microbiológicas do efluente desinfetado ... 126
4.3.5 Avaliação dos resultados do efluente ... 127
4.4 ETAPA 3: Análises ecotoxicológicas ... 128
4.4.1 Teste de toxicidade aguda com Aliivibrio fischeri ... 128
4.4.2 Teste de Toxicidade Aguda com Impatiens balsamina L. ... 129
4.5 ETAPA 4: Uso de efluente desinfetado no solo ... 131
4.5.1 Local de coleta do solo e condução do experimento ... 131
4.5.1.1 Análise estatística dos dados ... 135
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 137
5.1 Etapa 1- Tratamentos com UV-LED, hipoclorito e ácido peracético para a inibição de microrganismos-alvo em água peptonada ... 138
presentes na amostra X ... 147 5.1.3.1 Desempenho de cada programa de UV-LED em inibir E. coli ... 147 5.1.3.2 Desempenho de cada programa de UV-LED em inibir bactérias presentes na Amostra X ... 153 5.1.3.3 Comparação do desempenho dos melhores programas referentes à amostra de E. coli e Amostra X ... 158 5.1.3.4 Cálculo da Intensidade média de radiação e dosagem média ... 159 5.2 Etapa 2 - Tratamentos com UV-LED, hipoclorito e ácido peracético para inibição de microrganismos-alvo, presentes no efluente ... 162 5.2.1 Caracterização física, química e biológica do efluente tratado da ETE-Barão Geraldo 162 5.2.2 Tratamento com hipoclorito de cálcio para inibir colônias típicas de E. coli e S. aureus presentes no efluente ... 164 5.2.2.1 Características físicas e químicas do efluente após tratamento com hipoclorito de cálcio ... 168 5.2.3 Tratamento com ácido peracético para inibir colônias típicas de E. coli e S. aureus presentes no efluente ... 175 5.2.3.1 Características físicas e químicas do efluente após tratamento com ácido peracético 179 5.2.4 Tratamento com radiação ultravioleta proveniente de LED ... 184 5.2.4.1 Características físicas e químicas do efluente após tratamento com radiação UV proveniente de LED ... 184 5.2.4.2 Tratamento com radiação ultravioleta proveniente de LED para inibir colônias típicas de E. coli e S. aureus presentes no efluente ... 187 5.2.5 Eficiência dos tratamentos para a inibição de colônias típicas de E. coli e S. aures presentes no efluente e na água peptonada ... 194 5.2.6 Comparação da eficiência dos tratamentos com hipoclorito de cálcio e ácido peracético na inibição de colônias típicas de E. coli e S. aureus presentes no efluente 199 5.2.7 Avaliação da eficiência dos tratamentos na inibição de colônias típicas de E. coli e S. aureus após 24 horas ... 201
5.3.2 Resultados dos testes de fitotoxicidade com Impatiens balsamina L. ... 211
5.3.3 Avaliação geral da toxicidade do efluente e dos pós-tratamentos ... 216
5.3.4 Teste de sensibilidade com os organismos-teste referente ao sulfato de zinco 217
5.4 Etapa 4 - Uso do efluente após tratamento com hipoclorito de cálcio, ácido peracético e UV-LED no solo ... 220
5.4.1 Características da água e efluente tratado utilizado no ensaio ... 220
5.4.2 Indicadores microbiológicos da qualidade do solo ... 223
5.4.3 Efeito da aplicação de esgoto tratado da ETE e pós-tratamentos nos atributos microbiológicos do solo ... 230
5.4.4 Densidade populacional de grupos funcionais de microrganismos ... 232
5.4.5 Comparação da população microbiana por avaliação do metabolismo de consumo do carbono ... 236
5.4.6 Relação entre os resultados dos testes de toxicidade e os efeitos aos atributos químicos e biológicos do solo à exposição do efluente com agentes desinfetantes. ... 240 6 CONCLUSÃO ... 244 6.1 Conclusões específicas ... 244 6.2 Conclusão geral ... 246 7 RECOMENDAÇÕES ... 247 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 248 9 ANEXO ... 274
1
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
Cerca de dois terços da superfície do planeta Terra são cobertos por água, em estado líquido (oceanos mares, lagos, rios e água subterrâneas) ou em estado sólido (geleiras e neve). Este recurso indispensavél a manutenção de qualquer espécie de vida no planeta, também se faz necessário para as atividades humana como: abastecimento público e industrial, irrigação, recreação, via de transporte, geração de energia elétrica e disposição de efluentes domésticos e industriais (BOGARDI et al, 2012; RAJASULOCHANA e PREETHY, 2016).
No entato, apesar da quantidade de água no mundo permanecer constante, apenas 0,007% da água disponível é própria ao consumo humano e destinada a atender uma demanda crescente de mais de 7 bilhões de pessoas, que segundo a estimativa da Organizações das Nações Unidas será de aproximadamente 9,8 bilhões em 2050 e de quase 11,2 bilhões de habitantes até 2100 (ONU, 2013). Outro fator importante é que a distribuição desse recurso no Planeta apresenta-se de forma irregular, sendo em muitos lugares escassa, dificultando assim, a ocupação do espaço e seu aproveitamento pelo homem, interferindo nos sistemas sócio-ecológicos, econômicos e geofísicos em múltiplas escalas (BOGARDI et al, 2012).
A preocupação com o acesso a água limpa e segura à crescente densidade demográfica, vai além da disponibilidade e consumo, também está relacionada com a sua qualidade que é ameaçada por uma grande diversidade de agentes patogênicos, assim como, químicos antropogênicos que entram no ciclo das águas urbanas e rurais, comprometendo os ecossistemas aquáticos e terrestres (PRASS et al, 2015).
O lançamento de efluentes domésticos “in natura”, ou tratados inadequadamente é uma das principais fontes pontuais de contaminação em ambientes aquáticos, alterando as propriedades físicas (turbidez, temperatura, cor, condutividade, etc), químicas (variações no pH, DBO, DQO, concentração de nutrientes, etc), biológicas (alteração na diversidade, extinção de espécies, toxicidade, etc) e também o regime hidrológico da água.
Por sua vez, a água contaminada atua como uma eficiente fonte veiculadora de patógenos em razão da sua grande capacidade de dispersão, uso abrangente e consumo obrigatório, no qual, podem estar presentes organismos como: bactérias (Escherichia coli, Salmonella typhi, etc), protozoários (Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia, etc), helmintos (Taenia solium, Ascarius lumbricoides, etc) e virus (Rotavirus, virus da hepatite A e B, etc) (BUENO et al, 2012).
Grandes volumes de efluentes constantemente gerados sem o adequado tratamento e a multiplicidade de locais de descarga tornam insuficiente à redução de microrganismos patogênicos, representando risco em potencial para comunidades ribeirinhas e cidades que captam a água a jusante do lançamento para o seu abastecimento público.
Ademais, com o advento da sustentabilidade em preservar os recursos naturais existentes, a irrigação com efluentes sanitários tornou-se prática crescente em vários países. O aproveitamento de macro e micronutrientes presentes no efluente é uma alternativa viável para o menor consumo de água e fertilizantes químicos na irrigação de culturas, hidroponia, silvicultura e paisagismo, respeitando as restrições estabelecidas nas legislações de cada país.
O uso da água no meio rural representa 83% da demanda total brasileira, dos quais 72% são destinados para irrigação (DE SANCTIS et al, 2016). Muitos são os métodos, instrumentos e soluções tecnológicos que podem ser adotados para o uso e manejo adequado do solo e da água no meio rural. Mas permanecem ainda gargalos significativos, sobretudo na gestão da água (DE SANCTIS et al, 2016).
No Brasil, a desinfecção de efluentes sanitários não é pratica obrigatória em Estações de Tratamento de Efluentes. A legislação nº430 de 2011 estabelecem as condições e padrões para o lançamento de efluentes em corpos receptores, porém, não há na legislação vigente padrões para coliformes, o que oferece riscos diretos e indiretos à saúde da população.
Outro aspecto, tendo em vista a prática do reúso, é que a maioria dos estudos sobre avaliação dos serviços ecossistêmicos não considera o componente “solo” ou, quando considera, o faz de maneira pouco clara ou muito generalizada.
Portanto, uma questão importante que está sendo discutida atualmente é a avaliação da qualidade do solo, e tem sido postulada a necessidade de identificação de parâmetros indicativos do seu estado de conservação e/ou degradação, visto que as futuras estações de tratamento de esgotos poderão ser as grandes fornecedoras de água e nutrientes para a agricultura.
Diante deste cenário, avanços tecnologicos são cruciais para limitar a carga de contaminantes microbiológicos e químicos que conferem riscos toxicológicos à saúde humana. Diferentes tecnologias em relação ao processo de desinfecção no tratamento de efluentes vêm sendo estudadas. Sabe-se que desinfetantes químicos como o cloro e alternativos como o ácido peracético são eficazes como biocidas, porém o aspecto toxicológico dos possíveis compostos residuais ou subprodutos como os trialometanos e os ácidos carboxilícos apresentam potencial genotóxico e mutagênico (NIE et al, 2017).
O uso do dispositivo emissor de luz, conhecido como “Light Emitting Diode” (LED) surge como uma tecnologia promissora, capaz suprir as limitações dos desinfetantes químicos e atuar de maneira eficiente na inibição de microrganismo patogênico garantindo menor risco ao ambiente. No entanto, tanto para os desinfetantes químicos quanto ao LED com emissão de comprimento de ondas na região de Ultravioleta (UV) em processos de desinfecção de efluentes, tem como desafio estabelecer condições ideais quanto: intensidade de radiação, tempo de exposição e dosagem de radiação aplicada para inativação dos microrganismos patogênicos e seus efeitos ecotoxicológicos em organismos aquáticos e terrestres, etc.
Também é importante ressaltar que a escolha do desinfetante não pode ser de forma aleatória, sem um estudo preliminar, pois há distinção nas características químicas, físicas e microbiológicas entre os efluentes sanitários.
Além disso, ao ser empregada a prática do reúso agrícola deve ser considerado também a toxicidade do residual do agente desinfetante. Quando um desinfetante apresenta um residual persistente, como é o caso do cloro ou do ácido peracético, o mesmo permanece no efluente juntamente com os subprodutos da desinfecção. Sendo assim, ao atingir o solo, os atributos biológicos poderão ser os
primeiros a serem afetados pela ação dos agentes desinfetantes. Na recuperação a sequência temporal é inversa, ou seja, primeiro se corrigem os atributos físicos e químicos para em seguida serem recuperadas os atributos biológicos (TIAN et al, 2001). Essa recuperação pode levar vários anos ou décadas (SIQUEIRA et al, 2007). Dessa forma, os microrganismos e suas atividades bioquímicas podem ser úteis não apenas para avaliar a capacidade depuradora, mas também para monitorar a qualidade do solo (BECERRA-CASTRO et al, 2015).
Neste ponto, a comunidade científica busca pesquisar os efeitos dos compostos químicos sobre a comunidade biológica presente no solo e nos corpos hídricos. Porém, ainda há pouquíssimos trabalhos que avaliem os impactos do reúso na microbiota do solo. Especialmente quando é buscada a adequação sanitária do efluente com o emprego de um agente desinfetante. Por isso, tem tido destaque o uso de modernas técnicas de avaliação (ex. BIOLOG® ECO), as quais são ferramentas de uso rápido e prático, permitindo a identificação de comunidades bacterianas isoladas e as alterações de suas características fisiológicas. Segundo Wunsche et al (1995) a diversidade metabólica pode ser útil para detectar alterações na comunidade microbiana resultantes de variações ambientais e para o monitoramento de processos de biorremediação, principalmente em situações complexas, onde a análise química se torna ineficiente.
Sendo assim, além de garantir a segurança microbiológica do efluente doméstico, é importante que ao ser destinado ao ambiente não ofereça riscos ecotoxicológicos. Para isso, são utilizados bioensaios laboratoriais ou em campo, capazes de avaliar os efeitos agudos, crônicos, bioacumulativos, modificações comportamentais, fisiológicas, letais, alterações bioquímicas, genéticas ou teratogênicas em amostras complexas, como o efluente, onde existe uma gama de substâncias químicas em constante interação.
Portanto, o presente trabalho integra a avaliação microbiológica com a ecotoxicológica para diagnosticar diferentes processos de desinfecção (hipoclorito de cálcio, ácido peracético ou radiação UV-LED) em efluentes sanitários proveniente da Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) de Barão Geraldo do município de Campinas, quanto sua eficácia em inativar microrganismos patogênicos e determinar
seu efeito sobre a comunidade microbiana e alguns atributos químicos e microbiológicos do solo.
As hipóteses do estudo foram:
Em amostra de efluente será necessário dosagens e tempos de contatos diferentes entre o hipoclorito de cálcio e o ácido peracético, para que haja a inativação dos microrganismos Escherichia coli e Staphylococcus aureus, pois, cada desinfetante possui características distintas e assim, promove interações específicas às substâncias químicas e biológicas presentes no efluente;
A radiação UV proveniente de LED, nos comprimentos de ondas 255, 280, 365 e 405 nm apresentam desempenhos distintos na inativação dos microrganismos patogêncios estudados, obtendo-se melhores resultados quando utilizados de forma combinada, devido, à potencialização da energia emitida pelos UV-LED e suas interações moleculares ao serem absorvidas pelos microrganismos;
Necessidade de doses maiores de radiação, tendo em vista que em amostras com elevadas concentrações de sólidos em suspensão promove-se uma barreira que dificulta a passagem da radiação e consequentemente ocorre menor eficiência na desinfecção. Nesse caso, exigiria uma adequação de tempo de exposição e intensidade de radição conforme os sólidos suspensos do efluente;
Maior efeito ecotoxicológico das amostras de efluentes desinfetadas com produtos químicos em comparação com a desinfecção por UV-LED, pois os reagentes químicos diferentemente dos UV-LED são capazes de alterar as propriedades químicas do efluente causando efeitos adversos à biota.
A desinfecção de efluentes sanitários com a radiação UV-LED, além de disponibilizar meios para inibir os microrganismos analisados no presente estudo, não promoverá alterações negativas sobre as transformações bioquimicas necessárias à qualidade do solo e no microbioma do solo.
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OBJETIVOS
Avaliar o potencial de inativação microbiana quando utilizado hipoclorito de cálcio, ácido peracético ou radiação por UV-LED em efluente sanitário proveniente de tratamento por UASB e filtro biológico percolador e, determinar os possíveis efeitos toxicológicos agudos a organismos-teste e a microbiota do solo, possibilitando a adequação da qualidade do efluente para o seu reúso na irrigação e minimizando os possíveis impactos ao ambiente.
Os objetivos específicos deste estudo referem-se a:
1) Avaliar o emprego de ácido peracético e hipoclorito de cálcio em distintas concentrações e tempos de contatos para a inativação de Escherichia coli, em água peptonada;
2) Avaliar o potencial de inativação à Escherichia coli em água peptonada, exposta à radiação ultravioleta proveniente de LED de diferentes comprimentos de ondas: 255, 280, 365 e 405 nm, aplicadas em condições individuais e/ou combinados, considerando variações na intensidade de radiação, tempos de exposição e distâncias a placa de Petri;
3) Avaliar a eficiência do hipoclorito de cálcio e do ácido peracético, na inibição de Escherichia coli e Staphylococcus aureus, presentes no efluente pós-tratamento secundário; em função de diversas concentrações e tempos de contatos;
4) Avaliar o efeito da irradiação por UV-LED na inibição de Escherichia coli e Staphylococcus aureus presentes no efluente sanitário pós-tratamento secundário; 5) Verificar as possíveis alterações nas características físicas e químicas que apresentam maior influência no processo de desinfecção de efluentes;
6) Determinar a toxicidade do efluente com os organismos testes (Impatiens balsamina L. e Aliivibrio fischeri), após a adição de hipoclorito de cálcio, ácido peracético e também irradiação por UV-LED no efluente sanitário pós-tratamento secundário;
7) Avaliar as mudanças nas propriedades químicas do solo devido à aplicação de efluente após adição do hipoclorito de cálcio, ácido peracético e radiação UV-LED e determinar os impactos à diversidade da comunidade bacteriana do solo; 8) Verificar a participação dos atributos microbiológicos e químicos do solo na variabilidade dos grupos funcionais de microrganismos, em função da aplicação de efluentes com adição de hipoclorito de cálcio, ácido peracético e radiação UV-LED.
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Panorama do saneamento básico
Saneamento básico é um direito de todos os cidadãos assegurado pela Constituição Federal Brasileira de 1988 e também pela Organização Mundial de Saúde. É definido pela Lei nº11. 445/2007 como o conjunto de serviços estruturais de abastecimento de água, manejo de água pluvial, coleta e tratamento de esgoto, limpeza urbana, manejo de resíduos sólidos e o controle de pragas e de qualquer tipo de agente patogênico, assegurando o bem estar físico, mental e social da sociedade.
Nos dias atuais, a gestão da água é um fator crítico para o desenvolvimento sustentável. Segundo o relatório da UNESCO, 2015, o equilíbrio entre demanda e oferta de água doce foi afetado, prevendo-se que entre os anos 2000 e 2050, haverá um aumento de quase 400% da demanda global de água pela indústria manufatureira e será necessário que o setor agrícola produza globalmente 60% a mais de alimentos e 100% a mais nos países em desenvolvimento para suprir as necessidades do crescimento populacional.
Contudo, não há uma correlação de proporcionalidade pelo uso do recurso natural e investimentos no setor de saneamento básico. De acordo com informações do Ministério das Cidades, estima-se que 70% dos municípios brasileiros estão inadimplentes com a Lei Nacional de Saneamento Básico de 2000, já que não possuem uma politica municipal de saneamento básico e assim, sendo recorrentes problemas como inundações, racionamento de água, alto índice de doenças de veiculação hídrica, entre outros (SNIS, 2014).
Os dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS, 2014) também indicam que, dos 5.570 municípios brasileiros, 83,3% possuem rede de distribuição de água, na qual, a média brasileira de distribuição per capita de água é de 320 litros por pessoa. Porém, essa distribuição é irregular entre as regiões brasileiras, decresce para 210 litros por pessoa por dia na Região Nordeste, e atinge sua maior demanda na Região Sudeste de 450 litros por pessoa por dia, onde concentra a maior densidade populacional e o maior parque industrial do país.
O estado de São Paulo, considerado o mais rico do país com o Produto Interno Bruno (PIB) estimado em R$ 503,7 bilhões no segundo trimestre de 2017 (SEAD, 2017) e com o segundo maior Índice de Desenvolvimento Humano de 0,783 (IBGE, 2010) não é atendido na sua totalidade com rede coletora de esgoto. Por exemplo, a maioria das cidades que compõe a região metropolitana de São Paulo possui 85% dos dejetos coletados pela companhia de saneamento e deste, 77% recebe tratamento, entretanto, 13% é diretamente lançado em rios e córregos (SABESP, 2014).
As represas Billings e Guarapiranga localizadas na região metropolitana de São Paulo, assim como os rios Tietê e Tamanduateí, são exemplos típicos de sistemas com problemas ambientais, afetadas pelo lançamento clandestino de efluentes sem tratamento que ultrapassa a capacidade de assimilação de cargas poluidoras destes corpos hídricos.
O SNIS, 2014, informa que 50,3% dos domicílios brasileiros recenseados são atendidos pela coleta de esgoto sanitário e o percentual de esgoto tratado é de 42,7%. As disparidades regionais, também são notáveis, uma vez que, enquanto a região sudeste coleta 77,2% e deste, trata 47,4%, a Região Norte coleta apenas 8,7% e realizada tratamento de 16,4%.
Pesquisa recente publicada pela Agência Nacional de Águas e pelo Ministério das Cidades (ANA, 2017) demonstra que a situação ainda é crítica, pois um em cada quatro brasileiros não possui em suas residências coleta e tratamento de esgoto, como uma fossa séptica. Além disso, de toda a carga orgânica potencialmente poluidora gerada diariamente no país (9,1 mil toneladas), apenas 39% é removida com a infraestrutura de tratamento de esgoto existente nos municípios, ou seja, cerca de 5,5 mil toneladas de carga orgânica por dia chegam aos corpos hídricos.
No presente cenário é evidente o paradoxo entre a evolução da industrialização, urbanização, crescimento econômico e o saneamento urbano e rural que, consequentemente, impacta setores interligados como o social e a saúde pública, uma vez que, a falta de investimento em serviços de esgotamento sanitário,
pode favorecer a disseminação de várias doenças infecciosas que são transmitidas por meio hídrico ou pelo contato direto com o esgoto.
Para exemplificar, a cada 100 mililitros de esgoto sem tratamento em sistemas receptores hídricos, podem estar presentes cerca de 106 a 1010 UFC de coliformes termotolerantes, como a Escherichia coli, organismo indicador de contaminação fecal (GONÇALVES, 2003).
Para Franco et al (2012) os protozoários emergentes (Cryptosporidium spp. e Giardia spp.) e os vírus são os principais contaminantes biológicos da água. Eles possuem maior resistência às condições adversas do meio que as bactérias, em baixas doses infectantes podem gerar infecções e alto potencial de contaminação ambiental. Por exemplo, um bezerro com criptosporidíase, pode eliminar 1 a 10 bilhões de oocistos nas fezes durante uma semana e, 9 a 1.042 oocistos, dependendo da cepa de Cryptosporidium, é suficiente para causar doenças em humanos. Para o desenvolvimento da Giardíase a dose infectante também é baixa de 10 a 25 cistos.
Aproximadamente, a cada ano, ocorrem 4 bilhões de casos de diarreia ao redor do mundo, o que representa cerca de 4% de todas as causas de morte (TORGERSON e MACPHERSON, 2011; WHO 2007).
Segundo a pesquisa realizada pela Organização Mundial da Saúde (2009), 88% das causas de morte por diarreia no mundo foram atribuídas à má qualidade da água, saneamento inadequado e falta de higiene pessoal. Dessas mortes, mais de 80% eram crianças com idade inferior a 5 anos, subnutridas e que viviam em regiões da África e sul da Ásia.
No Brasil estima-se que por ano, 96% das internações por DRSAI (Doenças Relacionadas ao Saneamento Ambiental Inadequado) sejam decorrentes de diarreia e mais de 80% dessas internações são ocasionadas por doenças de transmissão feco-oral, sendo, 35% crianças menores de 5 anos. Os estados de maior prevalência são: Pará, Piauí, Maranhão e Rondônia (IBGE, 2012).
Calcula-se que entre os anos de 2008 a 2011, o Sistema Único de Saúde no Brasil tenha gasto cerca de R$140 milhões por ano com internações para tratamento de diarreia e que 217 mil trabalhadores precisaram se afastar do seu
trabalho devido aos problemas gastrointestinais, ou seja, o setor econômico também é afetado diretamente pelos problemas ambientais e pela falta de investimento em saneamento, uma vez que, há interligação entre saneamento, saúde e economia (BRASIL, 2012).
Diante desta problemática ambiental que interfere no bem estar físico, mental e social do indivíduo, surge a necessidade de um controle mais efetivo da disseminação de doenças de veiculação hídrica no Brasil, por meios de incentivos financeiros governamentais na área de saneamento básico como a implantação de sistemas de tratamento de água, esgoto e resíduos nos municípios, recuperação e manutenção da qualidade da água dos mananciais, programas de prevenção e controle de vetores, projetos de educação ambiental entre outros.
A recuperação e a manutenção da qualidade da água doce dos mananciais estão além da questão de saúde pública, contemplando também os aspectos legais e gerenciais para que haja o desenvolvimento socioeconômico do país. Por exemplo, a degradação dos mananciais pode colocar em risco o abastecimento de água potável do município, uma vez que, podem gerar dificuldades operacionais e econômicas para as empresas de saneamento. Os custos operacionais referentes ao tratamento da água e melhorias para a manutenção do atendimento a demanda, aumentam com a redução da qualidade do recurso hídrico, podendo levar até a inviabilidade do sistema e a busca de técnicas alternativas para o tratamento (COSTA, 2007).
3.2 Desinfecção
Preservar os recursos hídricos para o abastecimento de água e reduzir o risco de propagação de doenças infecciosas, quando for provável que ocorra o contato humano com água contaminada, são alguns fatores que justificam a instalação do processo de desinfecção em estações de tratamento de esgoto.
O resultado final esperado nos processos de desinfecção para água e esgoto assume objetivos diferentes, ou seja, para Estações de Tratamento de Água (ETA) a pretensão é a inativação total de todos os microrganismos patogênicos presentes, garantindo risco mínimo à população. Já para as Estações de Tratamento
de Esgoto (ETE) o resultado esperado depende do destino final deste efluente, sendo que os limites preconizados de coliformes variam entre vários países (USEPA, 1999a; USEPA, 1999b, METCALF e EDDY, 2005).
No Brasil, a regulamentação dos padrões de lançamento de efluente é realizada pelo governo federal e estadual, conforme o local de disposição (corpos hídricos: rios, lagos, lagoas, represas, mar, reúso, entre outros). Em nível federal está em vigência a resolução do CONAMA nº 430 de 2011, que estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes. Entretanto, os estados são autônomos para estabelecerem leis mais restritivas, como por exemplo, o estado de São Paulo que possui a lei nº 997 de 1976, aprovada pelo Decreto nº 8468, estabelece nos artigos 18 e 19, parâmetros, para o lançamento direto nos corpos receptores de efluentes e simultaneamente atende parâmetros estabelecidos pelo artigo 21 da CONAMA nº430/2011.
O tratamento de águas residuais pode abranger diferentes níveis que são denominados: primário, secundário e, em alguns casos, o terciário. No tratamento primário, ocorre a remoção de sólidos grosseiros e a sedimentação ou flotação de partículas em suspensão. O tratamento secundário envolve processos biológicos que degradam uma variedade de compostos orgânicos que não são eliminados durante o tratamento primário e, consequentemente, a decomposição de óleos, graxas, carboidratos, proteínas e também contaminantes emergentes. Já no tratamento terciário, há redução da concentração de nitrogênio e fósforo e, posteriormente, faz-se necessário um sistema específico de desinfecção para que ocorra a redução de organismos patogênicos presentes nas águas residuais (USEPA, 1999a; USEPA, 1999b, METCALF e EDDY, 2005; MORRIS et al, 2017).
Rajasulochana e Preethy (2016) ressaltam que os objetivos do tratamento de esgoto estabelecidos em 1900 permanecem válidos até hoje, porém, o grau exigido de tratamento aumentou significativamente e novos objetivos foram adicionados. Pesquisas recentes se concentram nos precursores, na formação, na especificação, na toxicidade, na identificação dos subprodutos dos tratamentos e, também na inibição de microrganismos, visto que, se faz necessário à remoção de
compostos e microrganismos até então não conhecidos ou que não são plenamente removidos pelos sistemas convencionais (RAJASULOCHANA e PREETHY, 2016).
Para isso, a desinfecção é definda como destruição térmica ou química de microrganismos patogênicos e outros tipos de microrganismos, sendo, menos letal que a esterilização porque destrói os microrganismos patogênicos mais reconhecidos, mas não necessariamente todas as formas microbianas (por exemplo, esporos bacterianos), reduzindo o número de microrganismos para um nível que não seja prejudicial à saúde humana (CDC, 2008).
Os desinfetantes químicos mais empregados são os compostos oxidantes com alto potencial de interferência nas atividades metabólicas (respiração, reprodução, absorção, oxido-redução e fermentação) como, por exemplo, o cloro na forma líquida, sólida ou gasosa e também, por vários outros considerados como alternativos: ácido peracético, permanganato de potássio e ozônio (USEPA, 1999a; RAJASULOCHANA e PREETHY, 2016).
A desinfecção por agentes físicos é geralmente utilizada seguida por outras técnicas de desinfecção, para que possa assim, assegurar a eficiência na remoção dos microrganismos, como é o caso, do processo de filtração (membranas sintéticas ou areia) que promovem a retenção de microrganismo, entretanto, é frequentemente, complementado com o uso de um desinfetante químico. Há também a aplicação de calor, entretanto, seu alto custo inviabiliza a sua implantação em estações de tratamento de esgoto (USEPA, 1999b; RAJASULOCHANA e PREETHY, 2016).
Já no processo de desinfecção por agentes fotoquímicos como a radiação solar e a radiação ultravioleta (UV), a inativação do microrganismo se dá pela absorção de fóton por moléculas de proteínas, RNA e DNA de alguns microrganismos, comprometendo as atividades metabólicas e, consequentemente, a morte celular (OGUMA et al, 2013).
Para Meyer, 1994, os fatores que influenciam na desinfecção e, portanto, no tipo de tratamento a ser empregado são:
A espécie e a concentração do organismo a ser inibido; A espécie e a concentração do desinfetante;
O tempo de contato;
As características químicas e físicas do efluente e, O grau de dispersão do desinfetante no efluente.
Considerando esses fatores pode-se optar por um ou mais tipos de desinfetantes como barreira para proteção dos corpos hídricos receptores, porém, deve-se considerar que cada agente desinfetante apresenta vantagens e desvantagens, sendo necessária uma avaliação prévia antes de sua utilização referente à efetividade na remoção dos agentes patogênicos, custos, facilidade de obtenção do produto, estabilidade, segurança durante a manipulação, confiabilidade, grau de periculosidade ao ambiente, etc.
Além de microrganismos patogênicos, os efluentes domésticos podem conter inúmeros compostos orgânicos e inorgânicos que podem ser reduzidos, beneficiando do processo de desinfecção ou interferir negativamente no processo, uma vez, que podem consumir o desinfetante, diminuir seu potencial germicida e ou gerar subprodutos que causem toxicidade ao ambiente (McFADDEN et al, 2017).
Por exemplo, embora inative vários patógenos, o uso extensivo da cloração levou à preocupação com a formação de subprodutos de desinfecção. Durante a cloração, o cloro reage com precursores, principalmente com a matéria orgânica dissolvida, possibilitando a formação de trialometanos, ácidos haloacéticos e vários outros compostos que já demonstraram potencial citotóxicos, genotóxicos e carcinogênicos (ZHANG et al, 2010; QI et al, 2018).
Outra questão importante que influência na eficiência do processo de desinfecção são as inúmeras espécies de microrganismos presentes no efluente, cada qual com características biológicas intrínsecas, com resistência distinta aos desinfetantes. Por exemplo, os protozoários Crytosporidium spp. e Giardia spp. apresentam acentuada resistência dos oocistos e cistos ao cloro, cloraminas, entre outros desinfetantes, enquanto, as bactérias do gênero E. coli apresentam alta sensibilidade (FRANCO et al, 2012).
3.2.1 Organismo indicador – E. coli
A diversidade de microrganismos patogênicos presentes nos corpos hídricos, os custos, as especificidades dos métodos para análises e a dificuldade em concentrar os patógenos que são diluídos após o lançamento do efluente no corpo receptor, foram fatores considerados para se adotar os microrganismos indicadores, cuja presença na água é uma evidência que esta tenha potencialidade de estar poluída com material fecal de origem humana e ou por animais de sangue quente, tornando-se uma via de transmissão de doenças (MUELA et al, 2011).
Os coliformes fecais ou termotolerantes, Escherichia coli e Enterococcus spp. são usados historicamente como microrganismos indicadores para identificar e remediar fontes de contaminação (MCLELLAN e EREN, 2014). Os órgãos federal e estadual estabelecem limites de concentrações desses microrganismos indicadores para monitorar a qualidade da água dos corpos hídricos, estabelecer padrões de lançamento de efluente e seu reúso na agricultura (LAMPARELLI et al, 2015).
No Brasil as metodologias analíticas para determinação dos parâmetros e os limites preconizados das concentrações de microrganismos estabelecidos foram baseados nas normas nacionais e internacionais, tais como: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater de autoria das instituições American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA) e Water Environment Federation (WEF); United States Environmental Protection Agency (USEPA); normas publicadas pela International Standartization Organization (ISO); metodologias propostas pela Organização Mundial da Saúde (OMS) e pesquisas realizadas por: universidades, agências governamentais (ex. CETESB).
A Escherichia coli (E. coli) é uma bactéria pertencente ao filo Proteobacteria, cujo, habitat natural é o trato gastrointestinal dos organismos endotérmicos. Caracteriza-se por ser bacilo Gram-negativo, anaeróbio facultativo que fermenta a lactose a 44-45 ºC com produção de ácidos (láticos, acéticos e fórmicos) e gases (hidrogênio e dióxido de carbono), distinguindo dos demais coliformes por possuir as enzimas ß-galactosidase e ß-glucoronidase em 96% das linhagens de E. coli (PELCZAR et al, 1997a; PELCZAR et al, 1997b; MADIGAN et al, 2016).
Pode se reproduzir em uma ampla faixa de temperaturas (7 a 46 °C) e pH (4,4 a 10), com crescimento ótimo entre 35 e 40 °C e pH em 6,0 e 7,0 e também apresenta tolerância osmótica à concentração inferior a 6,5% de NaCl (PELCZAR et al, 1997a; PELCZAR et al, 1997b, MADIGAN et al, 2016).
É uma bactéria comensal, encontrada em maior quantidade no intestino grosso e delgado. Entretanto, existem linhagens causadoras de enfermidades e foram classificadas de acordo com os fatores de virulência, os mecanismos de patogenicidade, os sintomas clínicos e a sorologia em: E. coli enteropatogénicas (EPEC), E. coli enterotoxigénicas (ETEC), E. coli enteroinvasivas (EIEC), E. coli aderência difusa (DAEC), E. coli enteroagregativa (EAEC) e a E. coli entero-hemorrágicas (EHEC). Estima-se que a dose infectante para adultos seja de 106 a 108 UFC g-1 de alimento contaminado, mas de 1 a 10 UFC g-1 da E. coli entero-hemorrágica, O157:H7, pode causar graves infecções ao Homem (MADIGAN et al, 2016)
A principal rota de transmissão é a fecal-oral, através de alimentos e água contaminados e os sintomas mais severos são observados em idosos, crianças e em indivíduos imunodeprimidos (PELCZAR et al, 1997a; PELCZAR et al, 1997b; MADIGAN et al, 2016).
Em 2011, a Alemanha protagonizou a maior epidemia causada pela bactéria E. coli enteropatogênica. No total foram 3950 pessoas afetadas, resultando em 53 mortes em 14 países. A origem do surto segundo a pesquisa realizada por Scharlach et al (2013) foram sementes germinadas de feijão e a soja, de uma fazenda do Norte da Alemanha, que estavam contaminadas com a linhagem, Escherichia coli sorotipo O104:H4. Mellmann et al (2011), identificaram e classificaram a bactéria como uma linhagem híbrida (STEC-EAEC), carreadora de diversos genes codificadores de resistência para antimicrobianos, com habilidade de produzir potente citotoxina (Shiga Toxina) e alto potencial de virulência.
Vários estudos já foram realizados utilizando a E. coli como microrganismo indicador de contaminação fecal. Na área de tratamento de efluente também é empregado como parâmetro de eficiência do processo, principalmente, no tratamento terciário, verificando, comparando e monitorando a aplicabilidade de
novas tecnologias na desinfecção. Como por exemplo, ácido peracético no tratamento primário, secundário e terciário (KOIVUNEN et al, 2005), ácido peracético e radiação ultravioleta combinados (CARETTI e LUBELLO, 2003); radiação com UV-A e UV–B emitidas por LED (CHEVREMONT et al, 2012a; CHEVREMONT, et al, 2012b), cloração do efluente primário (LI et al, 2017), entre outros.
Há trabalhos como Cho et al (2010) que já elucidaram qual o mecanismo dominante na inativação celular (superfície ou intracelular) da bactéria, E. coli, na concentração de 2.106 a 2.107 UFC mL-1, quando usados desinfetantes como: ozônio (50 mg L-1), dióxido de cloro (100 mg L-1), cloro livre (50 mg L-1) e irradiação UV (4 lâmpadas de mercúrio de baixa pressão com potência de 4 W, 253,7 nm), em água ultra pura, durante 60 segundos de exposição. Segundo os autores durante a inativação celular, há liberação de proteínas, lipídios, peroxidação, alteração da permeabilidade celular, dano na enzima intracelular e na morfologia celular. O ozônio, agente oxidante forte, gerou os maiores danos à superfície celular, cuja difusão foi retardada à medida que o oxidante reagiu com vários componentes celulares. Enquanto um agente oxidante mais fraco, como o cloro livre, ocasionou danos aos componentes celulares internos, com reações limitadas aos componentes da superfície celular e efetivamente atingiu o plasma celular. Já o dióxido de cloro mostrou-se como intermediário aos danos causados na inativação celular e o UV ocorreu sem alterações mensuráveis com os métodos empregados. Entretanto, no caso do UV é sabido que a luz ultravioleta induz especificamente danos fotoquímicos direto ao DNA intracelular (OGUMA et al, 2001).
Com o conhecimento do mecanismo de inativação no microrganismo é possível estabelecer estratégias eficientes para a desinfecção, por exemplo, se há presença ou ausência de sinergismo na aplicação sequencial destes desinfetantes e consequentemente, elaborar o melhor plano de atuação no processo dedesinfecção (CHO et al, 2010).
Essa afirmação também foi questionada na pesquisa realizada por Guimarães et al (2016) que ao utilizar desinfetantes combinados, demonstrou que o sinergismo entre o peróxido de hidrogênio e a radiação ultravioleta (177 mJ cm-2, 254 nm) foi o processo mais eficaz na inativação de coliformes totais (1,1.106 NMP
100 mL-1), E coli (2,3.105 NMP 100 mL-1) e C. perfringens (1,4.104 NMP 100mL-1) na desinfecção de efluente após tratamento com Lodo ativado.
Outro emprego da E. coli, como organismo indicador de contaminação é na balneabilidade dos corpos hídricos para atividades recreacionais, sejam em as águas do mar, rios, cachoeiras, represas e ou lagoas, tendo em vista o risco oferecido à saúde humana pela exposição direta e prolongada a uma série de doenças de veiculação hídrica.
Atualmente, no Brasil, qualidade das águas para a balneabilidade deve atender aos padrões estabelecidos pela Resolução CONAMA nº 274, de 29 de novembro de 2000, definidas de acordo com os teores de coliformes fecais (termotolerantes) ou Escherichia coli e Enterococos.
Segundo o estudo realizado por Lamparelli et al (2015), foi constatado que as bactérias indicadoras, E. coli e Enterococcus spp., podem ser apropriadas para avaliar o risco humano frente à água, à areia e aos alimentos contaminados por patógenos gastrointestinais, em praias populares de países em desenvolvimento que são muitas vezes afetadas por esgoto não tratados, sob condições tradicionais predominantemente de fontes humana. Neste estudo, os pesquisadores monitoraram 5 praias do litoral de São Paulo, durante os finais de semana, de janeiro a fevereiro, do ano de 1999. Foram coletadas amostras da água para análise microbiológica e também famílias foram entrevistadas no local e posteriormente por telefone, sobre a ocorrência de doenças gastrointestinais. Os resultados também indicaram que as praias frequentemente classificadas como impróprias para o banho, nas análises realizadas pela CETESB, demostraram maiores taxas de doenças entre os nadadores.
No entanto, a avaliação de tais indicadores não demonstra, necessariamente, origem humana do material fecal, tendo em vista que a E. coli pode também ser encontrada em fezes de outros animais e nem sempre, indicam a presença de protozoários e vírus entéricos.
Diversos estudos apontam a necessidade de se estabelecer novos organismos indicadores de contaminação fecal para, por exemplo, distinguir se a contaminação tem origem humana, ou não humana, facilitando assim, a execução
de medidas de controle mais efetivas para minimizar a contaminação desses despejos. Para isso, várias pesquisas questionam quais os organismos seriam estabelecidos e quais os melhores métodos para detectá-los (McLELLAN e MURAT, 2014).
Fatores como: diferenças econômicas e culturais, a variabilidade geográfica e a especificidade do hospedeiro (por exemplo: idade e hábitos alimentares) podem influenciar na eficácia dos organismos indicadores para discriminar as fontes de contaminação (KOSKEY et al, 2014, SOLLER et al, 2010).
No Brasil e em outros países em desenvolvimentos há uma dificuldade em distinguir se a fonte de contaminação é de origem humana ou por animal, devido à poluição dos corpos hídricos por lançamento de esgoto não tratado e também, pelo manejo inadequado de estercos de animais na agricultura (KOSKEY et al, 2014).
A exposição a fezes humanas representa, geralmente, um risco maior para a saúde do que a exposição a fezes de animais (SOLLER et al, 2010). Entretanto, animais contaminados podem desencadear graves surtos epidêmicos como o ocorrido em Northamptonshire, em 2008, onde foram detectados oocistos de Cryptosporidium cuniculus. com o genótipo de coelho nas fezes das pessoas contaminadas. Também foi encontrado a carcaça do animal em um tanque da estação de tratamento de água e, o surto ocorrido em Santa Isabel do Ivaí, Paraná em 2002, onde 290 pessoas foram contaminadas por Toxoplasma gondii transmitido por fezes de uma gata infectada no reservatório de água da estação de tratamento (FRANCO et al, 2012).
O uso de indicadores para detectar a contaminação fecal evoluiu nos últimos 100 anos. O grupo representado pelos Bacteroidales é o mais utilizado para se rastrear fontes de contaminação. No entanto, com o advento dos métodos moleculares houve o sequenciamento do microbioma de seres humanos e animais, permitindo uma nova oportunidade para se explorar outros grupos taxonômicos como os Fimicutes, os Bifidobacterium spp. e os Methanobrevibacter smithii adequados para indicar contaminação fecal de hospedeiros específicos (McLELLAN e MURAT, 2014; KOSKEY et al, 2014).
Frente a isso, Koskey et al (2014) analisou dez amostras fecais humanas, no ano de 2009 e uma amostra de esgoto da Empresa Baiana de Águas e Saneamento, em Salvador, no ano de 2012, a fim de, explorar a identificação de microrganismos robustos que possam ser aplicados globalmente para rastrear as fontes de poluição fecal de origem humana, descritas na Figura 1.
Figura 1 - Populações da comunidade microbiana de esgoto e amostras fecais humanas coletadas no Brasil
Fonte: adaptado de KOSKEY et al (2014)
Os resultados da Figura 1 demostram que Prevotella foi o gênero mais abundante nas amostras fecais humanas, mais de 36%, e na amostra de esgoto foi o segundo gênero com cerca de 10% dos microrganismos presentes. Nos Estados Unidos da América as bactérias pertencentes ao gênero Bacteroides constituem cerca de 11% dos microrganismos encontrados nas amostras fecais humanas e cerca de 2% nas amostras de efluente (McLELLAN et al, 2010), entretanto, no Brasil,
