Microbiologia aplicada ao saneamento básico – Conceitos
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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]
