II CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DE MICRORGANISMOS PRESENTES EM ESCUMA DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS

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1 II CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DE MICRORGANISMOS PRESENTES EM ESCUMA DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS Silvana de Queiroz Silva Bióloga (UFSCar). Mestre em Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). Doutora em Microbiologia Ambiental (University of Essex). Bolsista Pós-Doc (CNPq) no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Adriana Molina Zerbini Bióloga (PUC-MG). Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos (UFMG). Bolsista DTI (CNPq) no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Valéria Martins Godinho Bióloga (PUC-MG). Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos (UFMG). Professora de Parasitologia do Instituto de Educação Superior de Manhuaçu/MG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo (1) Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG; Av. do Contorno, nº 842 7º andar Centro Belo Horizonte MG Brasil CEP Tel: (31) calemos@desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho teve por objetivo caracterizar morfologicamente os microrganismos presentes em amostras de escumas formadas nos decantadores de três reatores UASB abertos, em escala piloto (R1, R2 e R3), tratando esgoto doméstico com DQO média de 400 mg/l. Visualmente dois tipos de escuma foram observados: uma escuma de superfície esverdeada e uma escuma de coloração acinzentada. Análises em microscopia de campo claro e de contraste de fase revelaram tipos morfológicos diversos incluindo cloroflagelados semelhantes aos gêneros Chlamydomonas e Euglena, filamentos de cianobactérias semelhantes ao gênero Oscillatoria, filamentos com grânulos intracelulares semelhantes ao gênero Beggiatoa, além de outros tipos morfológicos não identificados. Estes tipos morfológicos predominantes na escuma esverdeada não foram observados na escuma de coloração acinzentada. Neste caso foi observado o predomínio de bacilos longos e bacilos curvos, ambos com grânulos intracelulares, e bacilos formando aglomerados celulares. A caracterização microbiológica indicou que escumas dos decantadores dos reatores UASB apresentam uma diversidade de microrganismos os quais, possivelmente, desempenham um papel importante na remoção de compostos provenientes da digestão anaeróbia. PALAVRAS-CHAVE: Reator UASB, escuma, caracterização morfológica, microrganismos. INTRODUÇÃO Em estações de tratamento de águas residuárias um resíduo comumente gerado é a escuma, um subproduto sólido constituído geralmente de materiais flotáveis não degradados durante o tratamento. A escuma, além de gerar problemas operacionais no reator, ocasiona uma diminuição na eficiência do tratamento quando presente no efluente final. Os problemas causados pela formação de escuma em reatores anaeróbios, notadamente reatores UASB, são conhecidos embora não se saiba o papel dos microrganismos em sua formação. Em reatores UASB abertos, a incidência de luz na câmara de decantação e a disponibilidade de nutrientes provenientes da digestão anaeróbia possibilitam a proliferação de algas e outros microrganismos fotossintetizantes, o que pode contribuir para a formação de uma escuma estável e compacta, tal como ocorre comumente em águas estancadas de lagos eutrofizados. É possível que a atividade destes microrganismos na superfície do reator tenha efeitos positivos como a degradação da matéria orgânica residual ao tratamento anaeróbio e a oxidação de compostos reduzidos. A revisão da literatura mostra que não há estudos envolvendo a investigação dos microrganismos presentes em escumas geradas em reatores UASB, e por isso o presente trabalho tem por objetivo caracterizar, por meio de análises microscópicas, os microrganismos presentes em escumas formadas nos decantadores de reatores UASB alimentados com esgoto doméstico. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 MATERIAL E MÉTODOS Descrição dos reatores UASB Neste estudo foram utilizados três reatores UASB (Figura 1): os reatores R1 e R2, ambos em escala de demonstração, são idênticos, porém o R2 é precedido de uma unidade de peneiramento forçado que impede a entrada de sólidos com dimensões maiores que 1 mm. As principais características dos reatores R1 e R2 estão apresentadas na Tabela 1. O reator 3, também em escala de demonstração, apresenta um volume útil de 14,2 m 3 e vazão média de 40 m 3 /d (TDH = 8,5 h). Durante o período de caracterização microbiológica da escuma, o esgoto bruto que alimentava os reatores UASB apresentou as seguintes características médias principais: DQO = 400 mg/l, SST = 200 mg/l. Figura 1 - Vista dos reatores UASB. (a) reator R3. (b) reatores geminados R1 e R2 Tabela 1 - Características principais dos reatores R1 e R2 Característica Fase 1 Fase 2 Fase 3 Volume útil (m 3 ) 13,8 15,3 16,8 Vazão média (m 3 /d) 37 5,3 81 TDH médio (horas) Coleta de amostras e análise microscópica Para cada fase operacional, a escuma foi removida da superfície dos decantadores dos reatores UASB, sendo acondicionada em recipientes fechados e encaminhadas ao laboratório para análise imediata. As amostras de escuma foram levemente homogeneizadas com água destilada e submetidas a análises microscópicas de campo claro e de contraste de fase em um Microscópio Olympus BX50. RESULTADOS E DISCUSSÃO De acordo com o aspecto visual, foram observados dois tipos distintos de escuma durante as diferentes fases operacionais dos reatores: escuma de superfície esverdeada e escuma de superfície acinzentada (Figura 2). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 a b Figura 2 - Aspecto visual da escuma formada nos decantadores dos reatores UASB. (a) escuma de coloração esverdeada. (b) escuma de coloração acinzentada. Caracterização microbiológica da escuma esverdeada Este tipo de coloração foi observado na escuma produzida nos decantadores dos três reatores UASB durante o início do projeto (fase 1). Esta escuma apresentou uma grande quantidade de sólidos sobre o qual sustenta um biofilme de coloração esverdeada. A visualização microscópica das amostras dos três reatores revelou a presença de muitos microrganismos filamentosos, longos e entrelaçados, constituindo uma matriz biológica que provavelmente contribui para a formação compacta da escuma (Figura 3a). A coloração azul-esverdeada e o movimento oscilatório lento indicam que um tipo de filamento pertence ao grupo das cianobactérias, provavelmente do gênero Oscillatoria. Foi observado que alguns destes filamentos contém pequenas estruturas internas podendo ser gotas de óleo, grânulos de proteína ou pseudo-vacúolos para acúmulo de gás. O acúmulo de gás, característico de células mais velhas, contribui para a floração das cianobactérias, pois diminui sua densidade podendo dar origem à formação de verdadeiras massas ou ilhas flutuantes como observadas nas amostras. Além dos filamentos de cianobactérias, foram observados microrganismos unicelulares de coloração esverdeada nas amostras de escuma dos três reatores (Figura 3b). Um tipo morfológico apresentou características muito semelhantes àquelas descritas para algas do gênero Chlamydomonas: células esféricas, rígidas, dois flagelos polares de mesmo tamanho e mancha ocelar, um órgão fotossensível de coloração vermelha com função de orientar o microrganismo na procura da luz. Um outro grupo também apresentou mancha ocelar, porém, com células maiores, alongadas e flexíveis, mudando constantemente de forma, características típicas de membros do gênero Euglena. Uma espécie de diatomácea alongada (Figura 3c) foi observada constantemente nas amostras. Sabe-se que as diatomáceas acumulam gotas de óleo no interior das células permitindo que se movimentem verticalmente ocupando diferentes regiões no decantador. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 a b c Figura 3 - Microscopia de campo claro da escuma esverdeada. (a) filamentos de cianobactérias, aumento 400x. (b) microrganismos flagelados similares aos gêneros Chlamydomonas (célula menor) e Euglena (célula maior), aumento de 1000x. (c) diatomáceas com cloroplasto marrom, aumento 1000x. Dentre as várias morfologias bacterianas freqüentemente observadas na escuma de coloração esverdeada, destacou-se a presença de longos filamentos com grânulos internos e de movimento deslizante, muito semelhante ao gênero Beggiatoa do grupo das bactérias incolores do enxofre (Figura 4a). Este gênero bacteriano ocorre comumente em ambientes com elevadas concentrações de sulfeto, e utilizam este composto como fonte de elétrons durante a respiração aeróbia, acumulando internamente o sulfeto oxidado na forma de enxofre molecular. Os filamentos semelhantes a Beggiatoa foram freqüentemente visualizados na superfície externa da escuma, associados aos filamentos de Oscillatoria (Figura 4a), provavelmente para se beneficiar do oxigênio produzido durante a atividade fotossintética da cianobactéria. Tal associação seria uma vantagem para que a Beggiatoa realize seu metabolismo respiratório aeróbio em um ambiente com baixa concentração de oxigênio dissolvido (aproximadamente 0,30 mg/l). Também foram observados bacilos grandes, móveis, espiralados, com grânulos internos, predominantemente localizados no interior da escuma, cuja morfologia se assemelha à de bactérias anaeróbias do enxofre (Figura 4b). Este grupo bacteriano usa o H 2 S como doador de elétrons para a redução do CO 2 na fotossíntese, e acumula internamente enxofre elementar em forma de grânulos. Estas bactérias são típicas de ambientes iluminados, ricos em sulfeto e com baixo teor de oxigênio, condições semelhantes às encontradas na superfície do decantador. Outras morfologias microbianas também foram visualizadas, tais como cocos, bacilos retos e bacilos espiralados, algumas vezes formando aglomerados celulares, como apresentado na Figura 4c. a a bb c Figura 4 - Microscopia de contraste de fase da escuma esverdeada. (a) filamentos de Beggiatoa com grânulos refringentes e cianobactérias. (b) bacilos grandes com grânulos internos. (c) aglomerado de bacilos. Aumento de 1000x Caracterização microbiológica da escuma acinzentada A escuma de coloração predominantemente acinzentada foi observada nos decantadores dos reatores R1 e R2, principalmente após as mudanças operacionais relacionadas às fases 2 e 3, quando os reatores passaram a ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 operar com tempos de detenção hidráulica mais reduzidos que os da fase 1. Enquanto na fase 1 os reatores foram operados com TDH de 9,0 h, nas fases 2 e 3 os TDH foram de 7,0 e 5,0 h, respectivamente. Esta coloração se deve ao acúmulo predominante de lodo proveniente do interior dos reatores, provavelmente em resposta ao aumento da velocidade ascensional no interior dos reatores. A principal mudança com relação aos tipos morfológicos presentes na escuma dos reatores R1 e R2 e da escuma do reator R3 se refere à ausência de cianobactérias e de algas unicelulares nos primeiros. A ausência destes grupos pode estar relacionada à presença de lodo na escuma, resultando em condições desfavoráveis para o desenvolvimento dos microrganismos fotossintetizantes. Os tipos morfológicos visualizados predominantemente na superfície externa da escuma foram filamentos longos com grânulos internos, bacilos retos e bacilos curvos (Figuras 5a e 5b). O interior da escuma caracterizou-se pela presença de bacilos retos pequenos, vistos freqüentemente como aglomerados celulares semelhantes aos descritos para espécies formadoras de flocos (Figura 5c). Provavelmente estes bacilos constituem o lodo floculento do interior do reator que é arrastado à superfície do decantador. a b c a b c Figura 5 - Microscopia de contraste de fase da escuma acinzentada. (a) (b) bacilos e filamentos com grânulos internos. (c) bacilos aglomerados. Aumento de 1000x CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que a escuma formada nos decantadores dos reatores UASB apresenta uma diversidade de tipos morfológicos que parecem responder às condicionais operacionais impostas aos reatores em estudo. A escuma de coloração esverdeada presente no reator R3 e nos reatores R1 e R2 durante o início da fase 1 contém grande quantidade de microrganismos similares a cianobactérias do gênero Oscillatoria, cloroflagelados dos gêneros Chlamydomonas e Euglena, bactérias do enxofre do gênero Beggiatoa além de outros tipos microbianos não identificados. Esta dominância indica que estes grupos são pouco sensíveis ou especialmente adaptados ao alto teor de nutrientes e matéria orgânica neste sistema. A escuma de coloração acinzentada formada nos decantadores dos reatores UASB R1 e R2 apresenta uma diversidade menor de morfologias microbianas quando comparado ao reator R3, principalmente pela ausência de algas e cianobactérias. Provavelmente a ausência destes organismos fotossintetizantes seja resultado das condições anaeróbias na escuma, decorrentes da presença de grandes quantidades de lodo. Diversos bacilos retos, bacilos curvos e filamentos com grânulos intracelulares, provavelmente adaptados às condições de anaerobiose, constituem predominantemente a escuma acinzentada. A diversidade de microrganismos fotossintetizantes presentes na escuma pode ser um aspecto positivo para a operação dos reatores anaeróbios, uma vez que a produção de oxigênio pode auxiliar na oxidação dos compostos reduzidos, originalmente presentes na escuma e no efluente do reator anaeróbio. Ainda, pode favorecer o crescimento de bactérias aeróbias oxidadoras de sulfeto, cuja atividade contribui para a emanação de maus odores decorrentes dos compostos dissolvidos na fase líquida. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte recebido, às seguintes instituições: Companhia de Saneamento de Minas Gerais COPASA; Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq; Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES; Financiadora de Estudos e Projetos FINEP (PROSAB); Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais FAPEMIG. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANAGNOSTIDIS, K. & KOMÁREK, J. (1988). Modern approach to the classification system of cyanophytes 3. Oscillatoriales. Arch. Hydrobiol. Suppl Stuttgart. p LENS, P.N.L. & KUENEN, J.G (2001). The biological súlfur cycle: novel opportunities for environmental biotechnology. Water Sci. Technol. 44 (8) MADIGAN, M.T.; MARTINKO, J.M.; PARKER, J. (2003). Biology of Microorganisms, 10th edition. 4. OVERMANN, J. & van GEMERDEN, H. (2000). Microbial interactions involving sulfur bacteria: implications for the ecology and evoltuion of bacterial communities. FEMS Microbiol. Rev. v. 24 p SODDEL, J.A & SEVIOUR, R.J. (1995). Relationship between temperature and growth of organisms causing Nocardia foams in activated sludge plants. Water Research. v. 29 p ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6