MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

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1 MICROBIOLOGIA AMBIENTAL - Digestão anaeróbia PROF. GUSTAVO H. COUTO DIGESTÃO ANAERÓBICA - Conjunto de processos no qual microrganismos quebram materiais biodegradáveis na ausência de oxigênio. Japan and India, Asia s biggest energy consumers after China, are closer to unlocking natural gas deposits trapped in ice below the seabed that may prove bigger than the world s known fossil-fuel reserves. hidrato de metano 1

2 DIGESTÃO ANAERÓBICA - Grande aplicação biotecnológica na degradação de poluentes orgânicos tais como os encontrados nas estações de tratamento de efluentes animais, industriais e municipais. - Grande potencial com a concomitante geração de CH 4 - Uma das mais antigas tecnologias de tratamento de efluentes - Com o surgimente de novas tecnologias as reações anaeróbias no tratamento de efluentes foram otimizadas: Sistema Imhoff, tanque séptico Bioreatores com temperature controlada Reatores de alta taxa Tanque séptico Tanque séptico - Unidade que consiste em um tanque fechado onde ocorre a sedimentação, digestão anaerobia e adensamento do lodo - boa redução sólidos sedimentáveis, porém efluente com DBO alta e patogênicos 2

3 Tanque Imhoff lodo Tanque Imhoff - água proveniente do esgoto entra na camera - sólidos estão sedimentam lentamente e atingem o espaço F. - Reações anaeróbias (F) - O lodo depositado permanece até que eles são bem digeridos e são retirados periodicamente através do tubo inclinado levado para secagem. - As saídas de água através da saída (D) e passado para o tratamento seguinte. - Os gases ascendentes produtos da digestão são captados. PROCESSOS: DECANTAÇÃO, DIGESTÃO DO LODO (DIGESTÃO ANAERÓBICA) SAÍDA: ESGOTO TRATADO, GÁS, LODO Lagoa anaerobia - Unidade de tratamento geralmente integrante de um sistema de lagoas em série, do tipo lagoas anaeróbias, facultativas e de maturação. O tempo de detenção em lagoas anaeróbias é maior. Lagoa anaeróbia Neste caso, as lagoas são profundas, entre 3 e 5 metros, para reduzir a penetração de luz nas camadas inferiores. - é lançada uma grande carga de matéria orgânica, para que o oxigênio consumido seja várias vezes maior que o produzido. - O tratamento ocorre em duas etapas: moléculas da matéria orgânica são quebradas e transformadas em estruturas mais simples. Já na segunda, a matéria orgânica é convertida em metano, gás carbônico e água. 3

4 REATOR UASB - Possibilita o transporte das águas residuárias através de uma região que apresenta elevada concentração de organismos anaeróbios - Maior quantidade de logo fica retido no interior do reator devido as características hidráulicas de escoamento e natureza do lodo - Possui na parte superior um dispositivo separador de fases (sólida-líquida-gasosa) enquanto escoa em direção a superfície UASB - Reatores anaeróbios de manta de lodo Seus tempos de retenção variam de 15 a 60 dias REATOR UASB biomassa + esgoto biogás + biomassa Esquema de um Reator UASB 4

5 REATORES DE ALTA TAXA Convencional High rate (Alta taxa) - A intenção é estabilizar o lodo convertendo o máxima matéria orgânica em gás. - O reator é aquecido próximoa 35 graus Celsius para acelerar as reações anaeróbias - O lodo é misturado pela recirculação do gas formado em um tubo de sucção ou por bombeamento. - Altas cargas de material orgânico pode ser usado - Tempo de retenção é menos que o convencional (10-20 dias contra dias) - Devido a constant mistura a sedimentação ocorre em num tanque separado após a etapa de digestão FLUXO DE CARBONO NA METANOGÊNESE 5

6 1-bacterias fermentativas hidroliticas (primárias): secretam enzimas para converter materiais particulados complexos em substancias dissolvidas (extracelularmente) 2-bacterias fermentativas acidogênicas (secundárias): metabolizam as substancias da etapa anterior ate produtos mais simples, tais como acidos graxos, H 2, CO 2, ammonia 3-metabolização de alguns produtos da fase anterior pelas bacterias acetogenicas obtendo-se acetato, CO 2 e hidrogenio 4-bacterias metanogênicas uilizam esses ultimos para formar o CH 4, CO 2 e H 2 O *Presença de sulfatos: formação de H 2 S no meio pelas bactérias redutoras de sulfato que compete com as metanogênicas pelo mesmo acetato BIOQUÍMICA DOS METANOGÊNICOS - Arquéias metanogênicas são quimioautotrofas (usa compostos inorgânicos reduzidos e CO 2 como fonte primária de energia e carbono para a biossíntese) - Podem usar diferentes vias metabólicas para produzir metano: usando o acetato (etanoato) que pode ter origem por exemplo da decomposição de celulose: CH 3 COO + + H - CH 4 + CO kj mol -1 (metilotróficas: consomem o metil) Usando o hidrogênio e o CO 2 produzido por outros decompositores: 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O kj mol -1 (hidrogenotróficas: consomem o hidrogênio) 6

7 Via catabólica Arquéias metanogênicas utilizam um número limitado de substratos Dependem de outros anaeróbios para converter matéria orgânica complexa nos seus substratos 7

8 DIFERENÇAS COM OS HABITATS AERÓBIOS METABOLISMO AERÓBIO 1 ÚNICO MICRORGANISMO DEGRADA UM POLÍMERO ATÉ A SUA MINERALIZAÇÃO (CO 2, H 2 O) METABOLISMO ANAERÓBIO CONSÓRCIO? DE MICRORGANISMOS * Fluxo de elétrons e o fluxo de carbono é dinâmico SINTROFIA EM AMBIENTES ANAERÓBIOS - Sintrofia é uma relação metabólica específica entre dois microrganismos que viabiliza o crescimento do conjunto em substratos que não viabilizariam o crescimento separado dos organismos do consórcio em cultura pura; - é um fenômeno comum em ambientes anaeróbios, onde envolve, principalmente, a troca de fontes de energia entre organismos. - envolve a troca de H 2 entre organismos, sendo que a manutenção de uma baixa pressão parcial de hidrogênio viabiliza a degradação de um composto orgânico com baixo rendimento energético pelo organismo produtor de hidrogênio. 8

9 SINTROFIA EM AMBIENTES ANAERÓBIOS - A sintrofia viabiliza a sobrevivência de organismos no limite das possibilidades de geração de energia metabólica. 9

10 BIOGÁS - Conjunto de gases formado na degradação da matéria orgânica em meio anaeróbio - metanogênese HISTÓRIA DA GERAÇÃO DE GÁS COMBUSTÍVEL - Desde o império romano (Pliny) - Fantasmas de luz vistas por viajantes (will-o'-the-wisp) especialmente próximos a pantanos e regiões inundadas. The Will o' the Wisp and the Snake by Hermann Hendrich ( pântano - 1a associação entre plantas em decomposição e geração de ar combustível foi feita em 1776 pelo físico italiano Alessandro Volta (usando uma vela se mexer o pântano gera uma chama azul) 10

11 - Bechamp (aluno de Pasteur): 1o a estabelecer que a metanogênese é um processo realizado por microrganismos. - Pelo fato dos metanogênicos requererem uma condições totalmente anaerobias os primeiros isolados só foram reportados após Câmara anaeróbica glove box : surgimento da glove-box - Meio de cultivo: fervido (deoxigenação), N 2 ou CO 2 injetado até esfriar o meio, selamento, meio totalmente reduzido. METANOGÊNESE - Reação catalizada por células procarióticas do Domínio Archaea denominadas arquéias metanogênicas. - Metanogênese ocorre naturalmente em vários ambientes: 11

12 DIVERSIDADE E FILOGENIA DAS METANOGÊNICAS - Pertencem ao domínio Archaea, um dos 3 domínios propostos por Carl Woese que tem como base a sequência 16S rrna (componente da menor subunidade 30S do ribossomos dos procariotos) Carl Woese ( ) - Archaea parece com o domínio bactéria em algumas características (unicelular, sem membrana nuclear e compartimentalização), outras com Eucarya (proteínas que se ligam ao DNA semelhantes as histonas, RNA pol multicomponente, iniciação de transcrição parecido); porém com peculiaridades próprias (composição membrana celular por isoprenoides ligados ao glicerol ou carboidratos, ausência de peptidoglicano, enzimas únicas e cofatores enzimáticos únicos) - Característica marcante: condições extremas para crescimento: T, P, ph, ambientes altamente reduzidos (metanogên.) 12

13 IMPORTÂNCIA DA METANOGÊNESE? - Emissão de metano na atmosfera (efeito estufa) - Tratamento de efluentes, redução da poluição EMISSÃO GLOBAL DE METANO Global gridded methane emissions in the year 2005 (unit ton CH4 per grid cell) Pasto, Produção de arroz, criação de gado 13

14 Geração de energia elétrica a partir de biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando microturbina a gás A utilização de microturbinas movidas a gás natural é uma alternativa que se apresenta como fonte de suprimento para cargas de pequeno porte. Necessidade de purificação do biogás: presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, CO2) prejudica o processo de queima, gás sulfídrico causa corrosão do motor. Para isso são utilizados filtros e secadores. 14

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