XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 I AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE BIOLÓGICA DE DEGRADAÇÃO DE PROTEÍNAS, CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS POR CÉLULAS IMOBILIZADAS DESENVOLVIDAS EM DIFERENTES MATERIAIS SUPORTES NUM MESMO REATOR ANAERÓBIO DE LEITO FIXO Aurélio Pessôa Picanço (1) Engenheiro Sanitarista formado pela Universidade Federal do Pará (UFPA). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC - USP). Doutorando em Hidráulica e Saneamento na EESC - USP. Eloisa Pozzi Gianotti Graduada em Ecologia, Curso de Especialização em Biologia Sanitária no CRHEA - EESC USP. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos. Doutora em Ecologia e Recursos Naturais pela Universidade Federal de São Carlos - UFSCar e Pesquisadora do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC - USP. Carlos Eduardo Blundi Químico Licenciado em Bacharel pelo Instituto de Química da UNESP - Araraquara - SP. Engenheiro Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara - SP. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo - EESC/USP - São Carlos - SP. Doutor em Hidráulica e Saneamento pela EESC/USP - SP. Prof. Doutor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP - São Carlos - SP. Endereço (1) : Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos - Departamento de Hidráulica e Saneamento - Av. dos Trabalhadores São-carlenses, Centro - CEP: São Carlos - SP - Brasil - Tel: (16) picanco@sc.usp.br RESUMO Nesse trabalho foi estudada a degradação de matéria orgânica específica (proteínas, carboidratos e lipídios), de esgoto sanitário sintético, com concentrações de DQO médias de 1200 mg/l, 2500 mg/l e 5000 mg/l. Esse processo foi realizado pelas células microbianas imobilizadas em quatro suportes inertes diferentes: dois materiais de origem polimérica (PVC e a espuma de poliuretano) e dois materiais de origem cerâmica (tijolo refratário e uma cerâmica especial porosa), no interior de um mesmo reator anaeróbio. De acordo com o ensaio dos constituintes da matéria orgânica a remoção de lipídios foi maior no PVC, seguido da espuma de poliuretano. Com relação aos carboidratos, a biomassa aderida nos dois materiais poliméricos também apresentaram os melhores resultados. As proteínas foram dificilmente degradadas pelos microrganismos presentes em todos os materiais suportes, sendo que a cerâmica especial porosa foi o suporte no qual ocorreu os melhores resultados de degradação nas concentrações elevadas de substrato. PALAVRAS-CHAVE: Materiais suportes, Proteínas, Carboidratos, Lipídios, Biofilme. INTRODUÇÃO Os principais compostos orgânicos encontrados em águas residuárias são: carboidratos, proteínas, aminoácidos e lipídios. Outros compostos orgânicos como uréia, sulfactantes, fenóis, pesticidas, também podem estar presentes, porém em concentrações menores. Os constituintes orgânicos são origem animal e vegetal e podem resultar de processos de síntese ou de decomposição. A matéria orgânica é normalmente o principal constituinte das águas residuárias, com cerca de 75 % dos sólidos suspensos e 40 % dos sólidos filtráveis. As proteínas constituem 40 a 60 % dessa matéria orgânica, os carboidratos, 25 a 50 % e os óleos e graxas, 10% (TCHOBANOGLOUS, 1991). Os esgotos sanitários podem conter vários tipos de proteínas tais como: albuminas, globulinas e enzimas. As águas residuárias industriais, dependendo das atividades dos processos de origem, podem conter outras ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 proteínas: como caseína e lactoalbumina em despejos de lacticínios; colágeno, elastina e soroalbumina em despejos de abatedouro; proteínas enzimáticas em despejos de indústrias têxtil e de papel. Os carboidratos são compostos constituintes das águas residuárias, estando presentes nas suas diversas formas, tais como monossacarídeo e polissacarídeo (amidos e celulose). Os monossacarídeos geralmente são solúveis em água enquanto que os polissacarídeos são insolúveis. A celulose, sendo um polissacarídeo, apresenta uma resistência muito alta à decomposição biológica, constituindo assim um sério problema para o tratamento de águas residuárias que a contém, como é o caso dos despejos das indústrias de papel e celulose. O esgoto municipal contém óleos e gorduras provenientes de alimentos como manteiga, banha, gorduras e óleos vegetais. A gordura pode ter sua origem em diversas fontes tais como: carnes, sementes e frutas. São compostos orgânicos muito estáveis, não sendo facilmente decompostos por bactérias em geral, e por esse motivo, podem causar sérios problemas ao tratamento das águas residuárias nas quais se encontram presentes. Os despejos orgânicos possuem diferentes características dependendo de sua origem, com predominância de um desses constituintes da matéria orgânica especificamente. Atualmente, têm-se utilizado com freqüência reatores anaeróbios de leitos fixos para o tratamento desses despejos. Mediante isso, foi efetuado um estudo da degradação da matéria orgânica de esgoto sanitário sintético, considerando-se seus componentes individuais (proteínas, carboidratos e lipídios). No mesmo reator foram utilizados quatro tipos diferentes de materiais suportes (dois poliméricos: espuma de poliuretano, PVC; dois cerâmicos: cerâmica especial porosa e tijolo refratário), para a identificação daquele que oferecesse melhores condições para a aderência de microrganismos, os biofilmes, que são os responsáveis pelo processo de biodegradação dos referidos componentes da matéria orgânica. MATERIAL E MÉTODOS INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL Para a realização de tal estudo foi utilizado um reator anaeróbio com volume total de 34,5 L e construído em PVC, com diâmetro de 200 mm e 1,20 m de altura, operado com um TDH de 24 h (Figura 1). O reator foi inoculado com 6 litros de lodo retirado de um UASB tratando águas residuárias de uma indústria de papel. No seu interior foram fixadas 16 hastes metálicas. Em cada haste foram presas 4 suportes distintos: cloreto de polivinila (PVC), espuma de poliuretano, tijolo refratário e a cerâmica porosa; distantes entre si em 3,5 cm. Os suportes possuíam as mesmas dimensões: forma cilíndrica com altura de 3 cm, diâmetro interno de 0,8 cm e diâmetro externo de 2,1 cm. Foi feita uma distribuição do conjunto haste/suporte de forma eqüitativa no interior do reator, para a formação simultânea dos biofilmes nos materiais suportes, de maneira a obter-se resultados comparativos mais representativos. O reator foi operado por 149 dias, com temperatura controlada de 30 o C ± 1 o C e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 24 horas, alimentado com esgoto sintético simulando esgoto sanitário (DQO média de 1267 mg/l ± 400 mg/l; concentração média de ácidos voláteis no efluente de 80 mg/l de HAc e ph efluente na faixa e 6,3 a 7,3). Sua constituição básica foi: extrato de carne (360 mg/l), sacarose (60,3 mg/l), amido comercial (186,4 mg/l), celulose (59,7 mg/l), óleo vegetal (0,11 ml/l), detergente (0,35 ml/l), bicarbonato de sódio (164,5 mg/l) e solução de sais minerais (5,18 ml/l), composta por: NaCl (50 g/l), Cl 2.6H 2 O (1.4 g/l), e CaCl 2. 2 H 2 O (0.9 g/l). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 1- Reator anaeróbio de fluxo ascendente e leito fixo; 2- Bomba dosadora; 3- Válvula de controle de entrada; 4- Descarga de fundo; 5- Zona de lodo suspenso; 6- Suportes inertes; 7- Amostradores laterais; 8- Placas perfuradas; 9- Tubo perfurado para coleta do efluente; 10- Sifão; 11- Mangueira condutora de gás; 12- Frasco tipo Mariotte ; 13- Proveta Graduada. Figura 1: Esquema do reator anaeróbio de leito fixo. (Vallero, 1999) Para a realização dos estudos comparativos entre os suportes utilizados, através da avaliação da atividade biológica de degradação dos constituintes básicos da matéria orgânica (proteínas, carboidratos e lipídios), os suportes foram retirados do interior do reator e transferidos para reatores diferenciais de 40 ml de volume e 5 cm de altura (Figura 2). Foi utilizado substrato sintético com a mesma composição do qual foi alimentado o reator anaeróbio de leito fixo, com três concentrações diferentes de substrato: 1200, 2500 e 5000 mg/l como DQO. O substrato nesse sistema foi recirculado em circuito fechado (ensaio em batelada). 1- Reator diferencial; 2- Frasco com agitação; 3- Banho de gelo; 4- Agitador magnético; 5- Amostrador; 6- Trocador de calor; 7- Bomba peristáltica; 8- Mangueira de látex Figura 2: Instalação experimental montada para a realização dos ensaios cinéticos. (Zaiat, 1996) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 A vazão imposta ao sistema foi de aproximadamente 0,05 ml/s, resultando em velocidade do líquido de 0,009cm/s. Cada ensaio teve duração de 24 horas, quando foi coletada uma alíquota de 30mL no tempo zero e outra após 24 horas. Em cada experimento, foi bombeado 500 ml de substrato de um frasco com agitação mantido em banho de gelo, com finalidade de manter-se o substrato à temperatura aproximada de 4 o C, para evitar reações bioquímicas de degradação do substrato no interior do frasco. METODOLOGIA ANALÍTICA O método utilizado para a determinação da concentração das proteínas foi o do micro-biureto modificado, baseado na metodologia descrita por STICKLAND (1951). O método do micro-biureto modificado consiste na adição de hidróxido de sódio e sulfato de cobre à solução que contém proteínas. O excesso de sulfato de cobre é removido por centrifugação e o sobrenadante submetido à leitura colorimétrica a 310 ηm. O método utilizado para a determinação de carboidratos foi o do fenol e ácido sulfúrico, baseado na metodologia descrita por DUBOIS et al., (1956), que consiste na adição de fenol e ácido sulfúrico concentrado, os quais em presença de carboidratos, resultam em cor laranja. Trata-se também de um método colorimétrico cuja a amostra é quantificada a 488ηm. O método utilizado para a determinação de lipídios foi o da sulfofosfovanilina, descrito por POSTMA & STROES (1968), que consiste na adição de ácido sulfúrico concentrado, ácido fosfórico concentrado e solução de vanilina, os quais em presença de lipídio, resultam em cor rosa quantificada a 537 ηm. O equipamento utilizado para essa leituras colorimétricas foi um espectrofotômetro BAUSCH & LOMB, modelo 601. As metodologias para quantificação dos parâmetros de matéria orgânica específica: proteínas, carboidratos e lipídios, estão descritas em BLUNDI (1988) e MANZOLLI (1992). Além dos parâmetros proteínas, carboidratos e lipídios, outros parâmetros compunham a monitoração do sistema, como: DQO, ph, alcalinidade, ácidos voláteis, série de sólidos, executadas de acordo com o Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995). O gás produzido no sistema foi medido por deslocamento. RESULTADOS E DISCUSSÃO DESEMPENHO DO REATOR Os valores médios e as eficiências de remoção de DQO, proteínas, carboidratos e lipídios durante o período de operação do reator são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Resultados obtidos durante a operação do reator. TIPO DE ANÁLISE AFLUENTE EFLUENTE EFICIÊNCIA ± DP* (mg/l) (mg/l) DQO ± 15 % DQO FILTRADA ± 12 % PROTEÍNAS ± 12 % CARBOIDRATOS ± 18 % LIPÍDIOS 72 6,3 89 ± 6 % *DP = Desvio Padrão Na Figura 3 são apresentados os valores da eficiências de remoção da DQO, proteínas, carboidratos e lipídios durante a monitoração do reator. Possivelmente os valores elevados de eficiência de remoção dos lipídios (Figura 3) podem ter sido influenciados pela retenção de materiais graxos nas paredes dos reservatórios de estocagem, mangueiras componentes do sistema de sucção e recalque e mangueira de saída do efluente. A hidrólise dos lipídios em processos anaeróbios pode ser muito lenta, principalmente em despejos que contenham elevada concentração ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 de lipídios, tais como os provenientes de lavagem de pocilgas (VAN DEN BERG & KENNEDY, 1982). A ausência de uma fase de adaptação para a remoção dos lipídios na partida do reator (Figura 3), confirma que desde o início da operação do sistema, os lipídios estavam sendo retidos fisicamente. Os carboidratos foram os constituintes da matéria orgânica de mais fácil degradação na digestão anaeróbia. Nesse estudo sua concentração no efluente, durante todo o desenvolvimento do trabalho, sempre esteve menor do que 30 mg/l. FORESTI, (1987); HENZE & HARREMÕES, (1987); TORRES, (1992); TCHOBANOGLOUS, (1991); CAMPOS, (1999), mostraram que alguns tipos de carboidratos como glicose e sacarose são facilmente degradados pelos microrganismos anaeróbios Os carboidratos mais resistentes são os polissacarídeos, como o amido. A celulose é recalcitrante e de difícil degradação. Foi observado que o sistema atingiu o equilíbrio por volta do 25 o dia de operação, apresentando estabilidade nas medidas de concentração dos carboidratos e na DQO. Com relação as proteínas, não foi observado regime de equilíbrio nos 149 o dias de operação do sistema. Eficiência (%) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Tempo (dias) Remoção DQO Bruta Remoção de Lipídeos Remoção de Carboidratos Remoção de proteínas Figura 3: Eficiência de remoção de DQO, proteínas, carboidratos e lipídios. Durante o experimento houve maior variação dos valores de remoção de proteínas, do que dos demais parâmetros estudados, apresentando os menores valores percentuais de remoção, onde sua média de remoção foi de 47%. STRYER, (1979) e BLUNDI, (1988), comentaram sua difícil degradação em sistemas anaeróbios. DEGRADAÇÃO DOS COMPONENTES DA MATÉRIA ORGÂNICA Na Tabela 2 são apresentados os resultados percentuais de remoção dos constituintes da matéria orgânica (proteínas, carboidratos e lipídios) obtidos nos ensaios individualizados com cada material suporte. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 2 Valores médios dos percentuais de remoção de lipídios, carboidratos e proteínas no ensaio de degradação da matéria orgânica (mg/l) 2500 (mg/l) 5000 (mg/l) COMPONENTES TIPO DE SUPORTE Eficiência Média±DP* (%) Eficiência Média±DP* (%) Eficiência Média±DP* (%) Espuma 86,5±4,9 83±1,4 80±7 PVC 82,5±0,7 83,5±2,1 82,5±6,4 Cerâmica Porosa 62,5±24,7 52,5±34 76±1,4 LIPÍDIOS Tijolo Refratário 67,5±7,7 78,5±2,1 71,5±6,3 CARBOIDRATOS Espuma 85±1,4 86,5±6,4 84±4,2 PVC 85±8,5 85±1,4 88,5±0,7 Cerâmica Porosa 67±16,9 86,5±4,9 87±2,8 Tijolo Refratário 62±1,4 71,5±16,3 85±1,4 PROTEÍNAS * DP = Desvio padrão Espuma 44±5,5 55,5±17,6 53±5,6 PVC 39±18,4 60,5±14,8 58±5,6 Cerâmica Porosa 22±9,9 65±7 62,5±4,9 Tijolo Refratário 15±5,6 59±1,4 60±2,8 A atividade mais eficiente na degradação dos lipídios foi a dos microrganismos aderidos ao PVC, com pequena diferença em relação a espuma de poliuretano. Nos dois materiais cerâmicos (cerâmica porosa e tijolo refratário) ocorreram as menores eficiências de remoção desse componente, nas três concentrações em que foram realizados os ensaios. Considerando-se a degradação específica de carboidratos, a atividade microbiológica da biomassa aderida nos suportes foi eficiente em todos os materiais estudados; contudo nos materiais poliméricos, os resultados foram ligeiramente superiores, nas concentrações de 1200, 2500 e 5000 mg/l em DQO, a que foram expostos os suportes, sendo notada principalmente na concentração de 1200 mg/l. Esses resultados confirmam a afinidade da biomassa aderida nos suportes à degradação dos carboidratos e a maior facilidade que esse componente tem para ser degradado. Em geral, a biomassa aderida aos materiais poliméricos (PVC e espuma de poliuretano) foram mais eficientes na biodegradação dos lipídios e carboidratos do que a dos materiais cerâmicos (cerâmica porosa e tijolo refratário). Entretanto com relação as proteínas, nas maiores concentrações de substrato (2500 e 5000 mg/l como DQO), as eficiências de remoção foram maiores nos materiais cerâmicos do que nos poliméricos. Os quatro meios suportes estudados na biodegradação das proteínas não apresentaram afinidade para sua degradação, confirmando assim, ser o componente de maior dificuldade de degradação nos sistemas anaeróbios. CONCLUSÕES A metodologia utilizada para o estudo de degradação de lipídios, carboidratos e proteínas, de maneira individualizada nos diferentes materiais suportes, mostrou-se adequada. No reator, durante toda a operação do sistema, ocorreu maior dificuldade em degradar as proteínas, resultado este confirmado durante os ensaios individuais de degradação da matéria orgânica nos suportes. O carboidrato foi o componente de maior afinidade para a biomassa presente no sistema, apresentando elevados valores de remoção. Os ensaios de individuais de biodegradabilidade dos constituintes básicos da matéria orgânica de águas residuárias (proteínas, carboidratos e lipídios) mostrou que para a remoção de lipídios, a biomassa aderida ao o PVC apresentou os melhores resultados, seguido da espuma de poliuretano. Quanto aos carboidratos, ocorreu pouca diferença em sua remoção para os quatro tipos de suportes. Com relação as proteínas, foi verificada maior dificuldade para sua biodegradação no reator anaeróbio de leito fixo estudado nesse trabalho. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BLUNDI, C. E. (1988) Aplicação de Métodos Alternativos para a Determinação de Matéria Orgânica e Biomassa em Águas Residuárias. São Carlos, EESC - USP, 329p (tese doutorado). 2. CAMPOS, J.R. (Coordenador) (1999). Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro, ABES; Projeto PROSAB, 464p. 3. DUBOIS, M.; GILLES, K. A.; HAMILTON, J. K. (1956) Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Chemistry, v.28, , march. 4. FORESTI, E. (1987). Efeitos da concentração inicial do substrato no desempenho de reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo. Tese de Livre - Docência Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. São Carlos, S.P. 147p. 5. HENZE, M.; HARREMOES, P. (1983). Anaerobic treatment of wastewater in fixed film reactors a literature review. In: HENZE, M. ed. Anaerobic treatment of wastewater in fixed film reactors. Water Science Technology, vol.15. P MANZOLLI, I. M. (1992) Emprego de Métodos Analíticos Alternativos no Estudo da Degradação Aeróbia de um Substrato Multicomposto. São Carlos, EESC-USP, 146 p. (Dissertação de mestrado). 7. POSTMA, T. & STROES, J. A. P. (1968) Lipid screening in clinical chemistry. Clin. Chim. Acta, v.22, STANDARDS METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER (1995). 19th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, USA. 9. STRICKLAND, L. H. (1951) The determination of small quantities of bacteria by means of the biuret reaction. J. Gen. Microbiol., v.5, STRYER, L. (1979) Bioquímica. Universidade de Yale, Barcelona, Editora Reverté S.A., 875p. 11. TCHOBANOGLOUS, G. (1991),Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse. METCALF & EDDY, Inc 3a Ed., USA, McGraw-Hill, 1991, 1334p. 12. TORRES, P. (1992). Desenvolvimento de um reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) de bancada no tratamento de substrato sintético simulando esgoto sanitário. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. São Carlos S.P. 128p. 13. VALLERO, M. V. G. (1999). Avaliação da atividade biológica das células livres e imobilizadas formadas em um reator anaeróbio. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Calos Universidade de São Paulo. São Carlos, S.P. 148p. (Dissertação de Mestrado). 14. VAN DEN BERG, L.; KENNEDY, K. J. (1982) Comparasion of intermittent and continuous loading of stationary fixed film reactors for methane production from wastes. Journal of Chemical Technology Biotechnology, vol. 32, pp ZAIAT, M.; VEIRA, L. G. T.; FORESTI, E. (1996). Intrinsic Kinetic parameters of substrate utilization by immobilized anaerobic sludge. Biotechnology and bioengineering, vol 53, pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7