Microbiologia de lodos ativados

Microbiologia de lodos ativados

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2. Microbiologia dos Lodos Ativados

Os flocos biológicos constituem um micro-sistema formado por bactérias, fungos, protozoários e micrometazoários (Mckinney, 2004; Bento et al., 2005).

A estrutura do floco é dividida em dois níveis: macroestrutura e microestrutura. A macroestrutura é responsável pela estruturação do lodo, sendo formada principalmente por bactérias filamentosas. A microestrutura é constituída por bactérias formadoras do floco, bem como protozoários, micrometazoários e fungos, que manterão o equilíbrio do floco (Bento et al., 2005). Fatores abióticos significantes em processos de lodos ativados incluem:

alcalinidade, amônia ionizada (NH4+ ), oxigênio dissolvido, tempo de retenção hidráulica (TRH), nutrientes, micronutrientes, pH, concentrações e tipos de substratos, taxa de reciclo de lodo, temperatura, substâncias tóxicas, e turbulência. Fatores bióticos significantes incluem as bactérias desnitrificantes, organismos filamentosos, bactérias formadoras de floco, idade do lodo, concentração de sólidos suspensos voláteis (SSV), bactérias nitrificantes, e relativa abundância de grupos de protozoários (Gerardi, 2006).

A teoria clássica da origem do lodo, criada em 1935 por Butterfield, parte do princípio de que a bactéria Zooglea ramigera, abundante em processos de lodos ativados, é a bactéria formadora do floco que fica imersa em uma matriz de polissacarídeos. Entretanto, com o desenvolvimento de diversos estudos, certificou-se que outros micro-organismos formam o floco do lodo ativado e, além disso, os protozoários possuem papel bastante importante, relacionado à redução das bactérias dispersas, sendo os responsáveis pela diminuição da turbidez (Mckinney, 2004).

Estudos adicionais certificaram que a bactéria não flocula mediante excesso de nutrientes. Bento et al. (2003) explicam, à luz das descobertas de Mckinney, que o fato de não haver floculação com excesso de nutrientes está relacionado com a atividade locomotora:

A intensidade locomotora está relacionada com a quantidade de matéria nutritiva disponível, mantendo as bactérias nutridas, sendo estas capazes de vencer a força de van der Walls com a sua própria energia de locomoção, permitindo a floculação. De fato, provou-se que não se produz floculação em fase exponencial de crescimento dos micro-organismos, quando há ainda bastante quantidade de matéria orgânica e nutriente. Quando a matéria orgânica é degradada, fica escassa, as bactérias menos resistentes começam a morrer, ocorrendo a liberação de polissacarídeos, oriundos da membrana plasmática, ocorrendo a floculação das bactérias. Assim sendo, a floculação está relacionada, além de fatores físico-químicos (forças de van der Waals), à capacidade energética do meio em que vivem e principalmente aos polímeros (polissacarídeos).

2.1. Crescimento Microbiano

O crescimento dos micro-organismos pode ser observado nas seguintes etapas descritas por Monod (1941) e citadas por Vazollér et al. (1991):

Aclimatação: não ocorre aumento do número de micro-organismos devido à elaboração do arsenal enzimático necessário ao consumo dos substratos;

Fase de aceleração: inicia-se o crescimento microbiano face ao consumo de substrato;

Fase exponencial: em face das boas condições microbianas: substrato abundante, baixa concentração de metabólitos tóxicos, nutrientes etc., os micro-organismos crescem com velocidade máxima;

Fase de desaceleração: a velocidade passa a diminuir uma vez que o substrato disponível começa a decair e já existe acúmulo de excretas tóxicos;

Fase estacionária: a velocidade de crescimento volta a ser nula devido ao esgotamento dos substratos e acúmulo de substâncias tóxicas em níveis incompatíveis com o desenvolvimento microbiano;

Fase de declínio: ocorre a diminuição do número de micro-organismos (velocidade de crescimento negativa) causada pela morte e lise.

A fase endógena no processo de lodos ativados é bastante importante, pois os micro-organismos continuam utilizando oxigênio apenas para manterem as células vivas, sem, contudo, proporcionar degradação de material orgânico. Além disso, é responsável pelas condições em que ocorre a floculação bacteriana proporcionada pelo metabolismo endógeno (Vazollér et al., 1991).

2.2. Bactérias

As bactérias ocupam o grupo que possui a forma mais simples e são os organismos mais numerosos com respeito ao número de espécies e biomassa total. Possuem reduzidos tamanhos e são organismos procariontes unicelulares. As bactérias são classificadas pela estrutura (morfologia), nutrição e metabolismo (Mckinney, 2004).

Exceto para as bactérias filamentosas, cianobactérias e espiroquetas, a variação no tamanho da maioria das bactérias é de 0,3 a 3 µm. As bactérias filamentosas como, por exemplo, Sphaerotilus natans, usualmente são maiores que 100 µm em comprimento. A cianobactéria, que possui apenas uma célula, possui pigmentos fotossintéticos nas membranas da célula e variação do tamanho entre 5 e 50 µm (Gerardi, 2006).

Os elementos principais (macromoléculas) que fazem parte da composição das células das bactérias incluem C, H, N, O, P e S. Grandes quantidades destes elementos são requeridos para a síntese e manutenção de material celular (Tabela 1). Elementos secundários (microelementos) tais quais Ca, Fe, K, Mg e Na são requeridos em pequenas quantidades, bem como elementos traço incluindo Co, Mn, Mo, Ni e Zn; estes últimos são necessários para a maioria das bactérias em pequenas quantidades. O elemento Ca é requisitado em grandes quantidades pelas bactérias Gram-positivas para a síntese da parede celular (Gerardi, 2006).

Tabela 1: Composição típica das células bacterianas (% em peso seco)

Elemento Composição Média (%)

Variação na Composição (%)

Carbono 50 45 – 5 Oxigênio 20 16 – 2 Nitrogênio 14 12 – 16 Hidrogênio 8 7 – 10

Fósforo 3 2 – 5 Enxofre 1 0,8 – 1,5 Potássio 1 Sódio 1 Cálcio 0,5 Cloro 0,5

Magnésio 0,5

Ferro 0,2

Elementos Traço 0,1 Adaptado de Gerardi, 2006

2.2.1. Bactérias Hidrolíticas

Bactérias hidrolíticas consistem de um grupo de bactérias Gram-positivas que degradam complexos insolúveis de carboidratos, lipídeos e proteínas em moléculas simples e solúveis: sacarose, ácidos graxos, glicerina e aminoácidos. Os compostos oriundos da hidrólise tornam-se disponíveis para absorção e degradação por numerosas bactérias. Além disso, a taxa de hidrólise determina a taxa média de degradação do substrato orgânico particulado (Eliosov e Argaman, 1995).

Hidrólise é a adição de água (“hidro”) à molécula complexa, realizada pela bactéria, para quebra (“lise”) das ligações químicas das macromoléculas; dessa forma, permite-se a produção de moléculas solúveis e simples.

A adição de água e quebra das ligações químicas são catalisadas por exoenzimas, tais quais a amilase e celulase (hidrólise de amidos ou carboidratos), lipase (hidrólise de lipídeos), e protease (hidrólise de proteínas) (Tabela 2). O processo de hidrolisação ocorre lentamente, sendo proporcional à complexidade da estrutura da molécula, e à demanda de nutrientes e moléculas carregadoras de elétrons tais quais oxigênio molecular livre e o íon nitrato (Gerardi, 2006).

A hidrólise possui duas importantes funções no tratamento biológico. A primeira decorre do fato de que muitas estações recebem apenas substratos complexos. Neste caso, a hidrólise é essencial para prover substratos solúveis à biomassa, pois somente compostos solúveis podem ser absorvidos e degradados pelas bactérias. A segunda função configura-se no fato que em qualquer unidade de tratamento biológico, as bactérias morrem, e a hidrólise permite a solubilização e degradação dos componentes das células (Eliosov e Argaman, 1995).

A qualidade operacional, como citado por Gerardi (2006), de qualquer sistema de tratamento biológico para a degradação de substratos é dependente da presença de adequada quantidade de enzimas.

As bactérias degradam primeiramente os compostos mais solúveis e simples e, uma vez esgotados, os substratos complexos e insolúveis.

Tabela 2: Exemplos de Exoenzimas

Exoenzimas (especificidade ou compostos) Função

Amilase (carboidrato) Converte amido em maltose Caseinase (proteína do leite) Converte proteína do leite em peptídeos e aminoácidos

Celulase (carboidrato) Converte celulose em celobiose Lipase (lipídeos) Converte lipídeos em glicerol e ácidos graxos

Maltase (glicose) Converte maltose em duas moléculas de glicose

Protease (proteínas) Converte proteína em peptídeos e aminoácidos Adaptado de Gerardi, 2006

As bactérias hidrolíticas apresentadas no item anterior utilizam para degradação dos substratos orgânicos particulados as enzimas, que são produzidas por estes micro-organismos.

As enzimas possuem uma superfície ou sítio ativo, formando ligações fracas com os substratos, por meio das quais as reações químicas ocorrem. Além disso, são específicas para determinados tipos de substratos que podem ser degradados, ou compostos que elas podem sintetizar. Assim, compostos que não tenham “afinidade” com a enzima não são degradados (Stryer, 1992).

Quando um substrato encontra um sítio apropriado na enzima, um complexo enzima-substrato é formado. Uma vez originado o complexo, ligações químicas no substrato são enfraquecidas, podendo ser degradado, formando moléculas mais simples (catabolismo), ou assimilado, produzindo moléculas mais complexas (anabolismo). As enzimas usualmente têm um alto grau de especificidade, pois são específicas a certos tipos de (a) substratos que podem ser degradados e (b) compostos e íons que podem ser assimilados. Dessa forma, algumas enzimas podem degradar grandes quantidades de carboidratos, enquanto outras enzimas degradam somente pequenas quantidades de carboidratos e, outras ainda, são capazes de degradar apenas um único tipo de macromolécula (Stryer, 1992).

Dessa forma, a especificidade das reações químicas que uma enzima pode catalisar é devido à forma e carga elétrica do sítio ativo da enzima. A forma de uma enzima é produzida através de ligações dos grupos tiois (–SH), enquanto a carga elétrica é devida à ionização de ligações de hidrogênio. Se uma enzima é capaz de atuar em mais de um substrato, irá atuar no substrato com o mesmo grupo funcional [carboxila (–COOH) ou hidroxila (–OH)] ou com o mesmo tipo da ligação química (Tabela 3) (Gerardi, 2006).

Tabela 3: Exemplo de Enzimas

Enzima Função

Hidrolase Adiciona água e quebra macromoléculas em moléculas menores Isomerase Rearranjo atômico na molécula Ligase Junta duas moléculas Lipase Degrada lipídeos Protease Degrada ligações peptídicas

Óxidorredutase Oxida uma molécula enquanto reduz outra molécula Adaptado de Gerardi, 2006

Como todas as enzimas são produzidas intracelularmente, estas são aplicadas onde se deseja atuar; desse modo, as endoenzimas (intracelular) agem dentro da célula, e as exoenzimas (extracelular) atravessam a membrana da célula para atuar na região externa à mesma. Tempos significantes são requeridos para as células de modo a produzir e liberar as exoenzimas (Gerardi, 2006).

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