Prof. Benito Piropo Da-Rin

Transcrição

1 Prof. Benito Piropo Da-Rin

2 Microrganismos (conceito comum): Organismos demasiadamente pequenos para serem vistos a olho nu; ou Organismos unicelulares. Mas há exceções: Vírus (não são células);

3 Microrganismos de interesse sanitário: Protozoários Algas Fungos Bactérias Vírus

4 Reinos da natureza: Animalia: Pluricelulares, heterotróficos Plantae: Pluricelulares, autotróficos Protista: uni e pluricelulares, auto e heterotróficos Monera: unicelulares, auto e heterotróficos Fungi: uni ou pluricelulares, heterotróficos Domínios: Bactérias, Archaea, Eukarya.

5 Organismos superiores: Células e tecidos diferenciados cumprem funções especializadas (aparelho digestivo, respiratório, etc.). Protista, monera e fungi: Célula única (ou células não diferenciadas agrupadas em estruturas) cumpre todas as funções. Vírus: Não é célula (molécula de DNA ou RNA envolta em cápsula protéica); Não se nutre nem metaboliza, só se reproduz assumindo o comando de outras células.

6 Funções executadas pelos seres vivos: Proteger-se do ambiente (limite com o meio exterior); Capturar alimento; usar parte dele para produzir energia de forma biologicamente utilizável; usar parte remanescente para converter em material celular (metabolismo); Preservar e reproduzir informações genéticas (replicação).

7 Metabolismo: conjunto de reações bioquímicas (reações químicas que ocorrem no interior de um organismo) através das quais o alimento (matéria orgânica) e nutrientes capturados do meio ambiente são convertidos em energia vital e material celular. Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo

8 Metabolismo: Catabolismo: Conversão de alimento em energia vital (energia necessária para sustentar os processos vitais). Por via aeróbia: C 6 H 12 O O 2 6.CO H 2 O kcal Por via anaeróbia C 6 H 12 O 6 3.CO CH kcal

9 Metabolismo: Anabolismo: Conversão de alimento em material celular (ou seja, nos compostos que formam as células do organismo).

10 De onde vem tanta matéria orgânica? Organismos autotróficos: são capazes de sintetizar matéria orgânica a partir de substâncias minerais, consumindo energia disponível no ambiente. 6.CO H 2 O kcal C 6 H 12 O O 2 Fontes de energia: Luz (fotossíntese), calor (termossíntese), química (quimiossíntese), etc. Organismos: autotróficos x heterotróficos

11 Organismo unicelular típico (protozoário)

12 Núcleo

13 Nucleotídeo: Formado por cadeia de 3 moléculas: açúcar, ácido fosfórico e Purina ou Pirimidina. Componente básico tanto do DNA (ácido desoxirribonucléico) quanto do RNA (ácido ribonucléico).

14 RNA: cadeia em hélice simples de nucleotídeos. A coluna vertebral da cadeia é formada por um açúcar (ribose) ligado a um ácido fosfórico. Os ramos por Purinas (Adenina ou Guanina) e Pirimidinas (Citosina ou Uracil). Serve para transcrever o código genético. É a planta de execução. DNA: cadeia em dupla hélice de nucleotídeos onde o açúcar é a deoxiribose e a Thimina substitui o Uracil. É o conjunto de plantas do organismo. O código genético é único para cada espécie e depende exclusivamente da seqüência de nucleotídeos nas cadeias de DNA ou RNA.

15 Fungos: Uni ou multicelulares (nesse caso, células não diferenciadas); Heterotróficos; Estritamente aeróbios; Necessitam de pouco N e sobrevivem bem em ph baixo (eficazes no tratamento de alguns despejos industriais); Sobrevivem com pouca umidade: eficazes na compostagem de lixo.

16 Fungos filamentosos (hifas): Importantes para o processo de lodos ativados Provocam o fenômeno do intumescimento do lodo ( bulking )

17 Algas: Uni ou multicelulares (nesse caso, células não diferenciadas), Autotróficos (fotossíntese). Vivem na água mas sobrevivem em locais úmidos (solo, rochas). Em ambientes hostis a ambos, associam-se com fungos (liquens).

18 Algas aquáticas: Móveis ou não. Algumas são filamentosas. Produzem O2 (durante o dia), por isso são fundamentais no processo de tratamento Lagoas de Estabilização. Importância: Suprem demanda de O2 nas lagoas; Algumas espécies: dão gosto à água, colmatam filtros, produzem tóxicos; Se reproduzem indiscrimidamente em ambientes eutróficos.

19 Protozoários: Máximo grau possível de diferenciação em unicelulares. Célula complexa, organizada, têm organelas. Os de importância para o tratamento de esgotos incluem amebas, flagelados e ciliados; Importantes para manutenção do equilíbrio biológico em processos de tratamento de esgotos (Lodos Ativados). Alimentam-se de partículas e bactérias, alimentam rotíferos, crustáceos, etc. (Importante elo na cadeia alimentar). Alguns são patogênicos (Entamoeba histolytica, Giardia lamblia, Cryptosporidium sp. - Disenterias).

20 Vírus: Não são células. São uma molécula de DNA ou RNA (uma única molécula de um deles que carrega as informações genéticas envolta em uma cápsula de proteína). Vírus não têm enzimas, não usam nutrientes, não produzem energia (não metabolizam). ão parasitas obrigatórios e só podem se reproduzir no interior de uma célula. Não se reproduzem por cissiparidade: penetram em uma célula, se dividem em proteína e ácido nucléico (não mais existem como indivíduos), o ácido nucléico assume o controle da célula que passa a produzir a proteína e o ácido nucléico do vírus, montando novos vírus até romper a célula e liberá-los. São muito pequenos (de 20 a 200 nm, só visíveis em microscópio eletrônico). São patogênicos.

21 Bactérias: Unicelulares, heterotróficas; podem ser aeróbios,anaeróbios ou facultativos. Cerca de 10x menores que protozoários. Não apresentam núcleo nem organelas (funções das organelas não existem ou são cumpridas por estruturas mais simples). A utilização de material particulado é feita por adsorção / hidrólise (enzimas extracelulares) / absorção (por osmose, pois a membrana só deixa passar solutos). As mais numerosas (e importantes) no tratamento de esgotos;

22 BACTÉRIAS - Formas: Esférica (0,5 a 1µ); Cocos (isolados) Estreptococos (em linha) Estafilococos (em cacho ) Cilíndrica (φ 0,5 a 1µ; λ 1 a 10µ); Bacilos (retos) carbúnculo (antraz) Vibriões (curvos) - cólera Helicoidal (λ até 50µ): Espirilos

23 Bactérias: Nutrição: Apenas se nutrem de compostos solúveis (partículas: adsorvem, hidrolisam, absorvem); Composição: 80% - água dos 20% restantes: 90% matéria orgânica (SSV): C 5 H 7 O 2 N 10% compostos minerais: P; K; S; Na; Ca; Mg; Fe (todos eles: nutrientes limitantes) Reprodução: assexuada (cissiparidade) Crescimento bacteriano = aumento da população

24 Bactérias: Tempo de geração (conceito): varia de 20 min a alguns dias. Depende dos fatores limitantes: Tensão de Oxigênio: (inibe anaeróbios e desnitrificantes); Umidade: essencial (se alimentam por osmose, reproduzem em meio líquido); se seca: algumas espécies esporulam; Temperatura: seleciona espécies e apressa metabolismo; Lei de Arrhenius: velocidade de reação dobra a cada 10 o C. Tipo T Min T Ot. Min. T Ot. Max. T Max Psicrófilas 2 o C 12 o C 18 o C 20 o C Mesófilas 20 o C 28 o C 38 o C 45 o C Termófilas 45 o C 55 o C 65 o C 75 o C

25 Quemiostato: Crescimento Bacteriano (batelada)

26 Alimento => Energia + Biomassa (metabolismo)

27 Quemiostato: Reator contínuo

28 Crescimento bacteriano e consumo de substrato

29 Funciona como se a curva de crescimento parasse no tempo... Parar na Log Fase: LA Alta Capacidade LA Convencional FB Alta Capacidade Parar próximo a equilíbrio: LA Aeração Prolongada FB Baixa Capacidade Parar após equilíbrio: Impossível. Se não há crescimento é porque não há substrato disponível e não se estabelece o regime permanente

30 Como estabelecer modelo matemático? Determinar taxas de crescimento e utilização de substrato: 1. Operar diferentes reatores em diferentes pontos de equilíbrio. 2. Medir consumo de substrato e crescimento da biomassa. 3. Determinar taxas: ds / dt X a dx / dt a X a

31 Substrato é usado para gerar: energia + CO2+H2O ( desaparece do sistema); material celular (permanece no sistema): é o próprio crescimento bacteriano. A fração da massa de substrato transformada em material celular é constante: (dx a ) s = Y.dS (Y = Coeficiente de produção) Então: dx a X Y. Kˆ / a = dt µˆ = Y ds / dt X a = Y. Kˆ. S K + S s

32 Cinética de consumo de substrato e de crescimento bacteriano

33 Modelos simplificados Para S >> Ks: ds / X Para S << Ks: a dt = Kˆ ( Cte.) dx a / dt = ˆ µ = X a ds / dt X a dx a / dt X a = Kˆ K = s ˆ µ S = Y K Y. Kˆ ( Cte.) S = K. S s Kˆ K s = Y. K. S

34 Grande disponibilidade de substrato (cinética de ordem zero)

35 Pequena disponibilidade de substrato (Cinética de 1ª ordem; Modelo de Monod)

36 Pequena disponibilidade de substrato (Cinética de 1ª ordem; Modelo de Monod)

37 Essas equações apenas levam em conta a síntese de novo material celular (log fase). Ocorrem em condições ambientais ideais... Quando as condições não são ideais (mundo real), algumas células morrem o que causa uma tendência à redução da biomassa concomitante à tendência ao crescimento. O crescimento é proporcional a S. E a redução?

38 A redução é proporcional apenas à população; (a cada período, desaparece uma fração fixa da biomassa) Resultado: conceito taxa específica de respiração endógena b dx dt ( dx ) dt X a Portanto, no interior do reator: ( dx dt ) = b a e. ( dx dt ds Y ( dt a a s a e = =. ) ) b X a dx a / dt ds / dt Ou: = Y b Fazendo: X a =X v : X X a a dx v / dt X v = Y ds / dt X v b

39 Relação entre crescimento de biomassa (produção de lodo ou de biofilme) e consumo de substrato orgânico (redução da DBO no sistema) Base da modelagem matemática dos processos de tratamento biológico: dx v / dt = Y ds / dt b X v X v

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