Microbiologia aplicada ao saneamento básico – Conceitos

MICROBIOLOGIA APLICADA AO SANEAMENTO
BÁSICO
Conceitos fundamentais e microbiologia de
sistemas anaeróbios
Joana Dias Bresolin
Sandra Protter Gouvêa
O que é Microbiologia?
•
•
Estudo de organismos que somente*
podem ser visualizados ao microscópio
Euglena sp., aumento 400x
Organismos de dimensões reduzidas,
unicelulares ou agrupados em diferentes
arranjos
Sandra Gouvêa
Fungo em maçã
http://www.cnpdia.embrapa.br/publicaco
es/download.php?file=BPD17_2006.pdf
•
Organização da célula: procarióticos
(bactérias e algas azuis) eucarióticos
(algas, protozoários, fungos) seres
acelulares (vírus)
* fungos: estudo das estruturas básicas:
hifas, esporos, leveduras (unicelulares)
Colônias de
coliformes totais
Flávio Ubiali
Dimensões dos micróbios
Dimensão Celular
http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/
Diversidade e classificação de organismos
Objetivos da classificação: estimar a biodiversidade, o grau de
parentesco, prever aplicações biotecnológicas, entender a origem e
evolução das formas de vida
CLASSIFICAÇÃO ATUAL
3 domínios:
Archaea - bactérias antigas
Eubacteria - bactérias modernas
Eukaria - organismos com células com núcleo
Whittaker
(1969)
http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/index.htm
Classificação de seres vivos
Sistema de Linnaeus:
Reino
Filo
Classe
Ordem
Família
Gênero
Espécie
+ abrangente
+ específico
 aumenta o grau de parentesco; semelhanças, ex. metabolismo
Bactérias - História
um dos
organismos mais
antigos na
biosfera (fósseis
em rochas de 3,8
bi. anos)
primeiros grupos
que evoluem em
condições
atmosféricas sem
oxigênio
estima-se serem as
primeiras formas de
vida com estrutura
celular na Terra
Bactérias
- Organismos unicelulares, procariontes (não possuem envoltório
nuclear, nem organelas envoltas por membrana ou internalização
de membranas);
- Podem ser encontradas na forma isolada (unicelulares) ou em
colônias;
- Pertencem aos Domínios
Archaea e Eubacteria;
- Podem formar cistos de
resistência (ao calor, ao
dessecamento etc)
Bactérias
• Microscópicas ou submicroscópicas (dimensões variam de 0,5 a 5
micrômetros);
• 1 micrômetro = 1 metro dividido por 1.000.000 ou
= 1 milímetro dividido por 1.000 frações
• São os organismos mais bem sucedidos do planeta em relação ao
número de indivíduos.
• *A quantidade de bactérias no intestino de uma pessoa é superior ao
número total de células do corpo humano, por exemplo*
http://learn.genetics.utah.edu/cont
ent/begin/cells/scale/
Bactérias
• Descobertas por Antoni van Leeuwenhoek em 1683 (negociante
holandês que desenvolveu o 1º microscópio, como hobby) "animálculos";
• A palavra bacterium foi introduzida pelo microbiologista alemão
C.G. Ehrenberg, em 1828 – “βακτηριον”
• Louis Pasteur e Robert Koch foram os primeiros cientistas a
descrever o papel das bactérias como vetores de várias doenças
– final do século XIX (avanço em desenvolvimento de vacinas e
antibióticos);
• Hoje, sabe-se que apenas uma minoria de bactérias é patogênica
Bactérias - Diversidade
Forma
Temperatura
Mesófilas
20-40°C
Psicrófilas
10°C
Termófilas
50-60°C
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Morfolog%C3%ADa_bacteriana.jpg
Locomoção
Presença/ausência de flagelo(s)
Controle da flutuabilidade
Bactérias - Diversidade
Fonte de energia
Luz: fazem fotossíntese (usam
energia solar)
Compostos químicos: bactérias
quimiotróficas
Compostos inorgânicos: litotróficas
Compostos orgânicos: organotróficas
Fonte de carbono
Autotróficas : usam apenas CO2
Heterotróficas : obtêm seus átomos
de carbono de moléculas
orgânicas do ambiente (ex.
açúcares)
Respiração
Aeróbicas obrigatórias (usam O2 e
não realizam fermentação);
Anaeróbicas obrigatórias restritas
(respiração por fermentação; são
mortas pelo O2);
Anaeróbicas obrigatórias
aerotolerantes (sobrevivem na
presença de O2 mas não se
duplicam);
Anaeróbicas facultativas (tanto
fermentam quanto respiram O2);
Fermentação anaeróbia
Definição de fermentação
- forma de respiração anaeróbica, sem uso de oxigênio
- bactérias que fazem fermentação são anaeróbicas - facultativas ou
obrigatórias (aerotolerantes ou restritas)
envolve a transformação de compostos orgânicos complexos em
produtos orgânicos simples e compostos inorgânicos
fonte energética para seu metabolismo e crescimento
Fermentação anaeróbia
Algumas condições que afetam a fermentação
- comunidade bacteriana presente
- temperatura
- disponibilidade de nutrientes e compostos necessários à
fermentação, dependendo dos tipos de bactérias presentes e ativas
no processo
- pH ou concentração de íons H+ (define o ambiente como ácido,
neutro ou básico)
Mudanças nas condições do ambiente de fermentação: determinam
o balanço de reações de fermentação, e entre as comunidades
bacterianas.
Exemplo de fermentação anaeróbia
Fossa séptica biodigestora
- entrada de compostos orgânicos, inorgânicos, água, microorganismos, entre eles bactérias de vários grupos (aeróbias,
anaeróbias facultativas e obrigatórias)
- alteração gradual do ambiente (vertical e horizontal), com consumo
de oxigênio até sua escassez, e início do processo de fermentação
- mudanças nas comunidades bacterianas ao longo do sistema e do
processo de fermentação
- diminui a quantidade de alguns patógenos
Fonte: SILVA, W. T. L. da; FAUSTINO, A. S.; NOVAES, A. P. de. Eficiência do processo de biodigestão em fossa séptica biodigestora inoculada com esterco de ovino. São Carlos, SP: Embrapa
Instrumentação Agropecuária, 2007. 20 p. (Embrapa Instrumentação Agropecuária. Documentos, 34).
Métodos biológicos de tratamento de esgoto
• Mecanismo aeróbico
- oxidação/estabilização
- maioria dos sistemas de tratamento biológico
• Mecanismo anaeróbico
- fermentação
- aumento do uso pela melhor compreensão da
natureza da digestão anaeróbica - microbiologia
Digestão Anaeróbica
• Eventos bacterianos que convertem compostos
orgânicos em metano, dióxido de carbono e novas
células bacterianas em condições anaeróbicas.
• Os eventos envolvem diversos tipos de bactérias
com cada grupo realizando uma etapa específica.
• A digestão é um evento enzimático.
Digestão Anaeróbica
• A produção de metano sob condições anaeróbicas
ocorre naturalmente em diversos habitats.
• Há mais de 100 anos os digestores anaeróbicos
começaram a ser utilizados para degradação de
esgoto doméstico.
• Uma melhor compreensão da microbiologia dos
digestores permitiu o uso em maior quantidade e
em maior escala.
Digestão Anaeróbica
O processo de digestão é dividido em três etapas:
Hidrólise
Acidogênese
e acetogênese
Metanogênese
Digestão Anaeróbica - Hidrólise
• Hidrólise é a quebra (lise) de um composto com
água (hidro)
• Hidrólise de sólidos, compostos insolúveis e/ou
complexos (ex. celulose, proteínas, sacarose...)
• Realizado por bactérias hidrolíticas (anaeróbicas ou
anaeróbicas facultativas)
• Produção de compostos orgânicos solúveis (ácidos
e alcoóis) ou compostos mais simples de fácil
absorção bacteriana (glicose)
Digestão Anaeróbica - Hidrólise
Hidrólise da celulose
• Realizada pela bactéria hidrolítica Cellulomonas sp.
• Produção da enzima celulase (exoenzima)
Celulose + H2O → glicose
Hidrólise de compostos complexos
Carboidratos → açúcares simples
Lipídeos → ácidos graxos
Proteínas → aminoácidos
Digestão Anaeróbica – Acidogênese
• Conversão dos produtos da hidrólise (compostos
simples) em outros substratos (ácidos e alcoóis)
• Realizado por bactérias acidogênicas anaeróbicas
ou anaeróbicas facultativas
• Produção de dióxido de carbono (CO2), gás
hidrogênio (H2), alcoóis, ácidos orgânicos e também
compostos nitrogenados e compostos orgânico
sulfurosos.
Digestão Anaeróbica – Acidogênese
Produtos da acidogênese
Gerardi, M.H. 2003.
Digestão Anaeróbica – Acidogênese
Produção de Acetato
• Produzido diretamente a partir da hidrólise
• Produzido a partir de ácidos é alcoóis da acidogênese
por bactérias acetogênicas
• Convertido a partir de CO2 e H2.
*Acetato é o composto produzido em maior
abundância, por isso toda a etapa também pode ser
chamada de ACETOGÊNICA*
Digestão Anaeróbica - Metanogênese
• Produção de metano (CH4) a partir dos produtos da
acidogênese/acetogênese:
Acetato → CO2 + CH4
CO2 + H2 → CH4
Metanol → H2O + CH4
• Realizada por
anaeróbicas
arqueobactérias
metanogênicas
Bactérias Metanogênicas
• Várias espécies com alta diversidade morfológica
• Formas de vida livre
• Encontrada no rumem de bovinos, no fundo do mar,
geotermas, vulcões…
• Requerem condições extremamente anaeróbicas para
crescerem
*0,1mg/l de oxigênio dissolvido inibe o crescimento*
• Membrana celular de composição diferenciada –
sensível às variações do ambiente
• Arcabouço enzimático único – produção de metano
• Tempo de geração de 3 dias (35oC)
Bactérias Metanogênicas
Methanobrevibacter smithii
Methanobacterium palustre
National Research Council Canada
Cheng et. al., 2009
In Pena, S. 2007.
www.cienciahoje.uol.com.br
Methanobacterium
thermoautotrophicus
Barra = 10um
Zeikus and Wolfe, 1972
Considerações – Inter-relação das etapas
• O processo de digestão anaeróbica só é eficiente se
as taxas de degradação nos três estágios forem
similares.
*diferentes grupos de bactérias trabalham em
sequência – produtos de um grupo são substrato do
outro grupo*
Considerações - Temperatura
• A digestão é um evento enzimático e por isso
depende intimamente da temperatura.
• Ela é fraca a 10ºC e nula acima dos 75ºC.
• A opção por uma temperatura de trabalho terá de
resultar do compromisso entre o volume de gás a
produzir, o grau de fermentação e o tempo de
retenção.
Considerações – Relação C/N
• Em relação à matéria a fermentar, a relação
carbono/nitrogênio (C/N) deve ter um valor
compreendido entre 30 e 35.
• Acima deste valor, o processo é pouco eficaz, já que
as bactérias não têm possibilidade de utilizar todo o
carbono disponível.
• Para um valor baixo corre-se o perigo de aumentar a
quantidade de derivados de amônia, que pode
atingir os limites da toxicidade.
Considerações - pH
• Outro parâmetro que influencia
anaeróbica é o pH do meio.
a
digestão
• Em meio muito ácido ou muito básico, a atividade
enzimática das bactérias é anulada.
• A digestão pode efetuar-se entre os pH de 6,6 e 7,6,
encontrando-se o ótimo a pH=7.
Considerações – Agentes externos
• Produtos com cloro e o uso excessivo de
detergentes e sabões podem afetar o sistema
porque alteram a comunidade bacteriana.
Digestão anaeróbica - Vantagens
•
•
•
•
Produção de gás
Produção de fertilizante
Controle da poluição
Redução de patógenos
As altas temperaturas do processo e os longos
tempos de retenção em digestores anaeróbicos
promovem a redução significativa do número de
vírus, bactérias, fungos e vermes patogênicos.
Digestão anaeróbica - Vantagens
Destruição relativa de coliformes fecais por mililitros em sistemas
de digestão aeróbica e anaeróbica monitorados regularmente
durante um ano.
Digestão anaeróbica
Influente
Efluente
Digestão aeróbica
% redução Influente
Efluente
% redução
Stafford et al., 1980
3.9x104
1.1x104
80.4
4.86x105 1.23x105
75
Indicadores de Sanitização
Indicadores do processo de sanitização
Bitton, 2005
Indicadores de Sanitização
Coliformes totais
“Bacilos gram-negativos, aeróbios ou anaeróbios
facultativos, não formadores de esporos, capazes
de crescer na presença de sais biliares, fermentam
a lactose com produção de aldeído, ácido e gás a
35ºC em 24-48 horas. O grupo inclui os seguintes
gêneros:
Escherichia
sp.,
Citrobacter
sp.,
Enterobacter sp. e Klebisiela sp.”
Indicadores de Sanitização
Coliformes “fecais” ou termotolerantes
“São coliformes capazes de se desenvolver e
fermentar a lactose com produção de ácido e gás à
temperatura de 44,5 ± 0,2°C em 24 horas. O
principal componente deste grupo é Escherichia
coli, sendo que alguns coliformes do gênero
Klebisiela também apresentam essa capacidade.”
Indicadores de Sanitização
Coliformes totais indicam poluição, associado ao
risco potencial da presença de organismos
patogênicos. Estão presentes no trato intestinal, no
solo, água... Indica falha no tratamento ou
distribuição de água
Coliformes termotolerantes são indicadores de
poluição fecal, pois estão presentes no trato
intestinal de animais de sangue quente, sendo
eliminadas em grandes números pelas fezes.
Coliformes totais – 37oC
Escherichia sp., Citrobacter sp., Enterobacter sp. e Klebisiela sp.
Coliformes termotolerantes – 45oC
Escherichia coli
Wikipedia.com
Flávio Ubiali
Wikipedia.com
Indicadores de Sanitização
Kit Fluorocult
Filtros
Meios de cultura seletivos
Placas Petri Film
Indicadores de Sanitização – Fossa e Jardim
Jardim Filtrante
Fossa Séptica
Biodigestora
Início
Fim
Início
Fim
Coliforme total
3,6x105
5,6x104
1,5x104
3,3x102
Coliforme termotolerante
1,3x101
0
3,7x103
7,8x101
Resultado em UFC/ml – Unidades Formadoras de Colônia por 1 mililitro
Referências
•
Bitton, G. Wastewater Microbiology. 3 ed. John Wiley & Sons, Inc. 765p. 2005.
•
Cheng, S.; Xing, D.; Call, D.F. e Logan, B.E. Direct Biological Conversion of Electrical
Current into Methane by Electromethanogenesis. Environ. Sci. Technol. 43 (10).
2009.
•
Fernandes, C. Notas de aulas. Saneamento Básico – Engenharia Sanitária.
Acessado em 05/2011. www.dec.efcg.edu.br/saneamento
•
Gerardi, M. H. The Microbiology of Anaerobic Digesters. John Wiley & Sons, Inc.
188p. 2003.
•
Senna, P.A.C.; Magrin, A.G.E. A importância da “boa” identificação dos organismos
fitoplanctônicos para os estudos ecológicos. In: Pompêo, M.L.M. (ed.) Perspectiva da
Limnologia no Brasil. São Luís: Gráfica e Editora União, 1999. p. 131-146.
•
Stafford, D.A.; Hawkes,D.L. e Horton,R. Methane Production from Waste Organic
Matter. CRC Press, Inc. 285p. 1980.
Obrigada!
Joana Dias Bresolin
[email protected]