INFLUÊNCIA DE MICRONUTRIENTES NA NITRIFICAÇÃO Tiago Henrique Martins 1 e Maria Bernadete Amâncio Varesche 1

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1 INFLUÊNCIA DE MICRONUTRIENTES NA NITRIFICAÇÃO Tiago Henrique Martins 1 e Maria Bernadete Amâncio Varesche 1 1 Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de São Carlos - Depto. de Hidráulica e Saneamento Laboratório de Processos Biológicos - Av. João Dagnone, 1 - Santa Angelina São Carlos, SP Brasil dr.thmartins@gmail.com, varesche@sc.usp.br RESUMO Três quimiostatos foram operados sob condições nitrificantes durantes 19 dias em três diferentes condições nutricionais. Os quimiostatos foram alimentados com meio van Graaf variando-se a composição de micronutrientes. Um quimiostato foi alimentado com meio contendo solução de micronutrientes completa (Q1= quimiostato controle positivo), Q2 foi alimentado sem solução de micronutrientes (controle negativo) e Q3 foi alimentado com solução de micronutrientes sem o elemento Boro (quimiostato experimental). Nos três quimiostatos foram monitoradas concentrações afluente e efluente dos compostos nitrogenados (N-NO - - 2, N-NO 3 e N-NH + 4 ) e potencial hidrogeniônico (ph). Nas três condições a estabilidade foi atingida com 11 dias de operação com conversões médias de nitrogênio amoniacal de 99 ± 1,5%, 94,6 ± 6,3% e 93,3 ± 7,3%, para Q1, Q2 e Q3 respectivamente, alimentados com concentração afluente entre 77 e 81mg N-NH + 4 /L. A análise de variância revelou que Q1 e Q3 não apresentam diferenças, mas foram diferentes de Q2 em relação à remoção de amônia. Palavras-chave: Amônia, nitrificação, micronutrientes e quimiostato. INTRODUÇÃO A poluição dos corpos d água por nitrogênio amoniacal causa eutrofização, principalmente devido ao crescimento de algas. Além disso, a amônia é oxidada a nitrato diminuindo a quantidade de oxigênio dissolvido nos ecossistemas aquáticos, causando mortalidade da biota aeróbia. A ingestão de nitrato por humanos não tem impactos na saúde. No entanto, no trato gastrointestinal o nitrato é reduzido a nitrito, e este composto causa sérios problemas à saúde humana, pois é cancerígeno, além de causar metaemoglobinemia e sérios problemas no fígado, cérebro e sistema cardiovascular. Em estações de tratamento de águas residuárias a remoção de nitrogênio geralmente iniciase com a nitrificação. Este processo ocorre sob condições aeróbias e o íon amônio é oxidado a nitrito por bactérias amônio-oxidantes (BAO), tais como: Nitrosomonas sp. e Nitrosospira sp. Posteriormente, o nitrito é oxidado a nitrato por bactérias nitrito-oxidantes (BNO) relacionadas a Nitrobacter sp. e Nitrospira sp., sob condições autotróficas. Pesquisadores têm desenvolvido métodos e estratégias para manter nitrificação parcial. O principal objetivo desta abordagem consiste em manter no sistema bactérias amônio-oxidantes (BAO) e lavar do sistema as bactérias nitrito-oxidantes (BNO) ou mantê-las inibidas baseando-se na ecofisiologia diferenciada destes grupos microbianos. Os principais parâmetros envolvidos para atingir essa condição são: temperatura, ph, concentração de oxigênio dissolvido, concentração de compostos nitrogenados e presença de inibidores.

2 NOWAK et. al investigaram o efeito da concentração do fósforo na nitrificação. O coeficiente de meia saturação (Ks) para fósforo para BAO e BNO foram respectivamente,,2mg P-PO 4 - /L e,3mg P-PO 4 - /L. Os pesquisadores observaram redução substancial da nitratação em concentações abaixo de,2mg P-PO 4 - /L e nomearam esta estratégia de bloqueio do fosfato. CAMILA et. al. (1998) realizaram ensaios para verificar a inibição por metais pesados (cromo, níquel, cobre, zinco, chumbo e cádmio) em diferentes concentrações para três grupos microbianos: bactérias amônio-oxidantes, nitrito-oxidantes e nitrito redutores. Os três grupos foram inibidos por zinco. Bactérias amônio-oxidantes foram inibidas também por cobre, BNO por níquel, enquanto nitrito redutores foram inibidos por chumbo. Os autores não mostraram em quais concentrações ocorreram as inibições. Existe grande interesse biotecnológico em conhecer quais parâmetros são importantes para estabelecimento da nitrificação e, ainda, a manutenção de BAO nos sistemas e inibição ou lavagem das BNO. O presente trabalho buscou o conhecimento ecofisilógico sobre os dois grupos de microrganismos nitrificantes em relação às necessidades nutricionais (micronutrientes), visando acúmulo de nitrito em sistemas nitrificantes. O nitrito acumulado então poderia ser utilizado em sistema convencional de desnitrificação, com economia de matéria orgânica carbonácea, ou ainda, em sistemas anammox. MATERIAL E MÉTODOS O inóculo utilizado nos quimiostatos nitrificantes foi obtido do tanque de aeração da ETE de lodos ativados da empresa Volkswagen-Brasil (São Carlos SP). Foram utilizados três quimiostatos com volume de ml para enriquecimento dos lodos. O volume foi 154mL de meio reacional (meio de cultivo + lodo). A vazão afluente nos quimiostatos foi de 32mL/h e tempo de detenção hidráulica de 48 horas. Este TDH foi escolhido para não influenciar a razão nitrito/nitrato, uma vez que os quimiostatos foram submetidos à temperatura de 35±1 C. Para TDH de 1 dia as BNO podem ser lavadas do sistema e ocorrer acúmulo de nitrito em função de condições operacionais e não fisiológicas decorrente da adição ou não de micronutrientes, que é a finalidade deste estudo. Durantes os primeiros 73 dias os quimiostatos foram alimentados com concentração afluente entre 77 e 81mg N-NH 4 + /L, após 74 dias de operação a alimentação foi elevada para 18mg N-NH 4 + /L em média. O meio de cultivo escolhido foi o descrito por van GRAAF (1996) retirando-se o nitrito de sua composição, conforme descrição nas Tabelas 1, 2 e 3. Um quimiostato foi alimentado com meio contendo solução traço II (Q1= quimiostato controle positivo), Q2 foi alimentado sem solução de micronutrientes (controle negativo) e Q3 foi alimentado inicialmente com solução de micronutrientes sem o elemento Boro (quimiostato experimental). O ph do meio de cultivo foi ajustado em 7,5-7,6 e mantido em frasco sob refrigeração à 4 C durante toda alimentação dos quimiostatos.

3 Tabela 1. Composição do meio basal de cultivo. Componentes Quantidades q.s.p. ml de água ultrapurificada NH 4 Cl Variável KHCO 3 mg KH 2 PO 4 27,2mg MgSO 4. 7H 2 O 3mg CaCl 2. 2H 2 O 18mg Solução traço I 1ml Solução traço II 1ml Fonte: Adaptado de VAN DE GRAAF et al., (1996) Tabela 2. Composição da Solução Traço I. Componentes Quantidades q.s.p. ml de água ultrapurificada EDTA 5g FeSO 4 7H 2 O 9,17g Fonte: Adaptado de VAN DE GRAAF et al., (1996) Tabela 3. Composição da Solução Traço II. Componentes Quantidades q.s.p. ml de água ultrapurificada EDTA 15g ZnSO 4.7H 2 O,43g CoCl 2. 6H 2 O,24g MnCl 2. 4H 2 O,99g CuSO 4. 5H 2 O,25g NaMoO 4. 2H 2 O,22g NiCl 2. 6H 2 O,19g Na 2 SeO 3,9g H 3 BO 3,14g Fonte: Adaptado de VAN DE GRAAF et al., (1996). As análises de amônia, nitrato e nitrito foram feitas de acordo com Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998), duas vezes por semana. Entretanto, as análises de nitrito e nitrato também foram feitas por análise por injeção em fluxo (FIA) segundo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). A concentração da biomassa (gstv/l), nos quimiostatos foi feita quando os quimiostatos foram inoculados e no final da operação dos mesmos, em duplicata, segundo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). O ph afluente foi ajustado para 7,6-8 em toda alimentação e o efluente foi determinado duas vezes por semana. A concentração de oxigênio dissolvido foi determinada utilizando-se aparelho ORION modelo 81A+. A verificação da influência dos micronutrientes nos quimiostatos nitrificantes foi realizada com os dados obtidos em relação à remoção de amônia quando os três quimiostatos operaram em estabilidade entre 11 e 68 dias de operação. Foi realizada análise de variância (ANOVA) com alfa de,5. Depois foi aplicada análise de Tukey para se verificar as condições diferentes.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO O quimiostato controle positivo atingiu estabilidade com 11 dias de operação apresentou conversão média de nitrogênio amoniacal de 99 ± 1,5% entre os dias 11 e 68. O quimiostato experimental Q2 e Q3, no mesmo período, obtiveram eficiências de 94,5±6,4% e 93,3±7,3%, respectivamente para concentração afluente entre 77 e 81mg N-NH 4 + /L. Em todos os quimiostatos a concentração de oxigênio dissolvido se manteve entre 4 e 5mg OD/L. A concentração de amônia afluente foi modificada nas três condições, por que as remoções nos três quimiostatos eram muito próximas. Portanto foi decidido aumentar a carga nitrogenada para 18mg N-NH 4 + /L nas três condições (Figuras 1, 2 e 3). NOCKO e FORESTI (7) verificaram que a nitrificação em sistema nitrificantedesnitrificante com biomassa imobilizada diminuiu de eficiência após 15 dias de operação alimentados com mg N-NH 4 + /L. Após esta diminuição foi suplementada alimentação com as soluções traço I e II (van GRAAF, 1996) e rapidamente e eficiência de nitrificação atingiu patamares próximos a %. Todos os quimiostatos deste trabalho foram alimentados com a solução traço I contendo ferro em sua composição, uma vez que este nutriente é fundamental para microrganismos. Vale a pena ressaltar que neste trabalho o quimiostato Q2 apesar de não ser alimentado com a solução II de micronutrientes, sempre foi alimentado com a solução I contendo Ferro. NOCKO e FORESTI (7) adicionaram as soluções I e II ao mesmo tempo. Portanto, o desempenho de Q2 muito próximo aos demais quimiostatos pode ser devido à presença do ferro em sua composição. Aparentemente, não houve diferença entre as três condições em relação à conversão de nitrogênio amoniacal (Figura 4). No entanto, aplicando-se a análise de variância (ANOVA) verifica-se diferença entre as três condições estudadas entre os dias 11 e 69, quando as conversões se mantiveram estáveis. Como foi verificada diferença entre as três condições foi realizado teste de Tukey para saber quais condições eram diferentes. A diferença mínima significativa, ou seja, a diferença entre as médias de remoção a partir da qual existe diferença entre os tratamentos foi de 3,92. Portanto, em termos de remoção de amônia Q1 foi igual Q3 e os dois foram diferentes de Q2 (quimiostato experimental). 25 Concentração (mg/l) 15 Amônio afluente Amônio efluente Nitrito efluente nitrato efluente Tempo (dias) Figura 1. Variação temporal da concentração das formas nitrogenadas em Q1

5 Concentração (mg/l) Tempo (dias) Amônio afluente Amônio efluente Nitrito efluente Nitrato efluente Figura 2. Variação temporal da concentração das formas nitrogenadas em Q Concentração (mg/l) Amônio afluente Amônio efluente Nitrito efluente Nitrato efluente Tempo (dias) Figura 3. Variação temporal da concentração das formas nitrogenadas em Q3 Concentração N-NH4+ (mg/l) Operação (dias) Q1 afluente Q1 efluente Q2 afluente Q2 efluente Q3 afluente Q3 efluente Figura 4. Variação temporal da concentração das formas nitrogenadas em todos os quimiostatos

6 Quando os quimiostatos foram alimentados com 18mg N-NH + 4 /L afluente, os três apresentaram remoção média de 47,5%, 5,4% e 47,7%, para Q1, Q2 e Q3, respectivamente, e consideradas pela análise de variância estatisticamente iguais. Apesar de constatada diferença estatística entre os tratamentos, do ponto de vista biotecnológico esta diferença não foi significativa. Portanto, os quimiostatos foram reinoculados sob as mesmas condições, porém partindo inicialmente com concentrações de 18mg/L e, estes estudos estão em andamento. A concentração de sólidos inicial nos quimiostatos foi entre 1,57 e 1,67g STV/L. Pode-se observar que Q2 teve maior perda de sólidos totais voláteis (-49,3%) no final da operação. Enquanto Q1 e Q3 perderam entre 4 e 46% de sólidos. CONCLUSÕES Houve diferença significativa, do ponto de vista estatística, entre os tratamentos, Q1 igual a Q3 e diferente de Q2. Além disso, o quimiostato controle negativo (Q2) apresentou perda de 49,3% de sólidos totais voláteis em 19 dias de operação. O microelemento chave, nestas condições de nitrificação, é o ferro, pois os três quimiostatos foram suplementados com este mineral e a diferença estatística entre os tratamentos não se refletiu do ponto de vista biotecnológico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAMILLA, G; LENA, G; GUNNEL, D (1998), Comparison of inhibition assays using nitrogen removing bacteria: application to industrial wastewater. Water Res 32 (1): NOCKO, L & FORESTI, E (7), Influência dos micronutrientes na remoção de carbono e nitrogênio em reator de leito móvel operado sob aeração intermitente. Anais... II seminário do projeto temático desenvolvimento de sistemas combinados de tratamento de águas residuárias visando remoção de poluentes e a recuperação de energia e de produtos dos ciclos de carbono, nitrogênio e enxofre. NOWAK, O; SVARDAL, K; KROISS, H (1996), The impact of phosphorus deficiency on nitrification-case study of a biological pretreatment plant for rendering plant effluent. Water Sci Technol 34 (1 2): Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. (1995), 19 th ed. American Public Heath Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, USA. VAN DE GRAAF, AA; DE BRUIJN, P; ROBERTSON, LA; JETTEN, MSM & KUENEN, JG (1996), Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing micro-organisms in a fluidized bed reactor. Microbiology UK 142: