MICROBIOLOGIA APLICADA AO SANEAMENTO

BÁSICO

Conceitos fundamentais e microbiologia de

sistemas anaeróbios

Joana Dias Bresolin

Sandra Protter Gouvêa

O que é Microbiologia?

http://www.cnpdia.embrapa.br/publicaco

es/download.php?file=BPD17_2006.pdf

Euglena sp., aumento 400x Sandra Gouvêa

Colônias de

coliformes totais Flávio Ubiali

Fungo em maçã

• Estudo de organismos que somente* podem ser visualizados ao microscópio

• Organismos de dimensões reduzidas, unicelulares ou agrupados em diferentes arranjos

• Organização da célula: procarióticos (bactérias e algas azuis) eucarióticos (algas, protozoários, fungos) seres acelulares (vírus)

* fungos: estudo das estruturas básicas: hifas, esporos, leveduras (unicelulares)

Dimensões dos micróbios

Dimensão Celular

http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/

Diversidade e classificação de organismos

Whittaker

(1969)

http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/index.htm

Objetivos da classificação: estimar a biodiversidade, o grau de

parentesco, prever aplicações biotecnológicas, entender a origem e

evolução das formas de vida

CLASSIFICAÇÃO ATUAL

3 domínios:

Archaea - bactérias antigas

Eubacteria - bactérias modernas

Eukaria - organismos com células com núcleo

Sistema de Linnaeus:

Reino

Filo

Classe

Ordem

Família

Gênero

Espécie

Classificação de seres vivos

+ abrangente

+ específico aumenta o grau de parentesco; semelhanças, ex. metabolismo

Bactérias - História

estima-se serem as

primeiras formas de

vida com estrutura

celular na Terra

um dos

organismos mais

antigos na

biosfera (fósseis

em rochas de 3,8

bi. anos)

primeiros grupos

que evoluem em

condições

atmosféricas sem

oxigênio

- Organismos unicelulares, procariontes (não possuem envoltório

nuclear, nem organelas envoltas por membrana ou internalização

de membranas);

- Podem ser encontradas na forma isolada (unicelulares) ou em

colônias;

Bactérias

- Pertencem aos Domínios

Archaea e Eubacteria;

- Podem formar cistos de

resistência (ao calor, ao

dessecamento etc)

Bactérias

• Microscópicas ou submicroscópicas (dimensões variam de 0,5 a 5

micrômetros);

• 1 micrômetro = 1 metro dividido por 1.000.000 ou

= 1 milímetro dividido por 1.000 frações

• São os organismos mais bem sucedidos do planeta em relação ao

número de indivíduos.

• *A quantidade de bactérias no intestino de uma pessoa é superior ao

número total de células do corpo humano, por exemplo*

http://learn.genetics.utah.edu/cont

ent/begin/cells/scale/

Bactérias

• Descobertas por Antoni van Leeuwenhoek em 1683 (negociante holandês que desenvolveu o 1º microscópio, como hobby) - "animálculos";

• A palavra bacterium foi introduzida pelo microbiologista alemão C.G. Ehrenberg, em 1828 – “βακτηριον”

• Louis Pasteur e Robert Koch foram os primeiros cientistas a descrever o papel das bactérias como vetores de várias doenças – final do século XIX (avanço em desenvolvimento de vacinas e antibióticos);

• Hoje, sabe-se que apenas uma minoria de bactérias é patogênica

Bactérias - Diversidade Forma

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Morfolog%C3%ADa_bacteriana.jpg Locomoção

Presença/ausência de flagelo(s)

Controle da flutuabilidade

Temperatura

Mesófilas

20-40°C

Psicrófilas

10°C

Termófilas

50-60°C

Bactérias - Diversidade

Respiração Fonte de energia

Aeróbicas obrigatórias (usam O2 e

não realizam fermentação);

Anaeróbicas obrigatórias restritas

(respiração por fermentação; são

mortas pelo O2);

Anaeróbicas obrigatórias

aerotolerantes (sobrevivem na

presença de O2 mas não se

duplicam);

Anaeróbicas facultativas (tanto

fermentam quanto respiram O2);

Luz: fazem fotossíntese (usam

energia solar)

Compostos químicos: bactérias

quimiotróficas

Compostos inorgânicos: litotróficas

Compostos orgânicos: organotróficas

Fonte de carbono

Autotróficas : usam apenas CO2

Heterotróficas : obtêm seus átomos

de carbono de moléculas

orgânicas do ambiente (ex.

açúcares)

Fermentação anaeróbia

Definição de fermentação

- forma de respiração anaeróbica, sem uso de oxigênio

- bactérias que fazem fermentação são anaeróbicas - facultativas ou

obrigatórias (aerotolerantes ou restritas)

envolve a transformação de compostos orgânicos complexos em

produtos orgânicos simples e compostos inorgânicos

fonte energética para seu metabolismo e crescimento

Fermentação anaeróbia

Algumas condições que afetam a fermentação

- comunidade bacteriana presente

- temperatura

- disponibilidade de nutrientes e compostos necessários à

fermentação, dependendo dos tipos de bactérias presentes e ativas

no processo

- pH ou concentração de íons H+ (define o ambiente como ácido,

neutro ou básico)

Mudanças nas condições do ambiente de fermentação: determinam

o balanço de reações de fermentação, e entre as comunidades

bacterianas.

Exemplo de fermentação anaeróbia

Fossa séptica biodigestora

- entrada de compostos orgânicos, inorgânicos, água, micro-

organismos, entre eles bactérias de vários grupos (aeróbias,

anaeróbias facultativas e obrigatórias)

- alteração gradual do ambiente (vertical e horizontal), com consumo

de oxigênio até sua escassez, e início do processo de fermentação

- mudanças nas comunidades bacterianas ao longo do sistema e do

processo de fermentação

- diminui a quantidade de alguns patógenos

Fonte: SILVA, W. T. L. da; FAUSTINO, A. S.; NOVAES, A. P. de. Eficiência do processo de biodigestão em fossa séptica biodigestora inoculada com esterco de ovino. São Carlos, SP: Embrapa

Instrumentação Agropecuária, 2007. 20 p. (Embrapa Instrumentação Agropecuária. Documentos, 34).

Métodos biológicos de tratamento de esgoto

• Mecanismo aeróbico

- oxidação/estabilização

- maioria dos sistemas de tratamento biológico

• Mecanismo anaeróbico

- fermentação

- aumento do uso pela melhor compreensão da

natureza da digestão anaeróbica - microbiologia

Digestão Anaeróbica

• Eventos bacterianos que convertem compostos

orgânicos em metano, dióxido de carbono e novas

células bacterianas em condições anaeróbicas.

• Os eventos envolvem diversos tipos de bactérias

com cada grupo realizando uma etapa específica.

• A digestão é um evento enzimático.

Digestão Anaeróbica

• A produção de metano sob condições anaeróbicas

ocorre naturalmente em diversos habitats.

• Há mais de 100 anos os digestores anaeróbicos

começaram a ser utilizados para degradação de

esgoto doméstico.

• Uma melhor compreensão da microbiologia dos

digestores permitiu o uso em maior quantidade e

em maior escala.

Digestão Anaeróbica

O processo de digestão é dividido em três etapas:

Hidrólise

Acidogênese

e acetogênese

Metanogênese

Digestão Anaeróbica - Hidrólise

• Hidrólise é a quebra (lise) de um composto com água (hidro)

• Hidrólise de sólidos, compostos insolúveis e/ou complexos (ex. celulose, proteínas, sacarose...)

• Realizado por bactérias hidrolíticas (anaeróbicas ou anaeróbicas facultativas)

• Produção de compostos orgânicos solúveis (ácidos e alcoóis) ou compostos mais simples de fácil absorção bacteriana (glicose)

Digestão Anaeróbica - Hidrólise

Hidrólise da celulose

• Realizada pela bactéria hidrolítica Cellulomonas sp.

• Produção da enzima celulase (exoenzima)

Celulose + H2O → glicose

Hidrólise de compostos complexos

Carboidratos → açúcares simples

Lipídeos → ácidos graxos

Proteínas → aminoácidos

Digestão Anaeróbica – Acidogênese

• Conversão dos produtos da hidrólise (compostos simples) em outros substratos (ácidos e alcoóis)

• Realizado por bactérias acidogênicas anaeróbicas ou anaeróbicas facultativas

• Produção de dióxido de carbono (CO2), gás hidrogênio (H2), alcoóis, ácidos orgânicos e também compostos nitrogenados e compostos orgânico sulfurosos.

Digestão Anaeróbica – Acidogênese

Produtos da acidogênese

Gerardi, M.H. 2003.

Digestão Anaeróbica – Acidogênese

Produção de Acetato

• Produzido diretamente a partir da hidrólise

• Produzido a partir de ácidos é alcoóis da acidogênese por bactérias acetogênicas

• Convertido a partir de CO2 e H2.

*Acetato é o composto produzido em maior abundância, por isso toda a etapa também pode ser

chamada de ACETOGÊNICA*

Digestão Anaeróbica - Metanogênese

• Produção de metano (CH4) a partir dos produtos da

acidogênese/acetogênese:

Acetato → CO2 + CH4

CO2 + H2 → CH4

Metanol → H2O + CH4

• Realizada por arqueobactérias metanogênicas

anaeróbicas

Bactérias Metanogênicas

• Várias espécies com alta diversidade morfológica

• Formas de vida livre

• Encontrada no rumem de bovinos, no fundo do mar,

geotermas, vulcões…

• Requerem condições extremamente anaeróbicas para

crescerem

*0,1mg/l de oxigênio dissolvido inibe o crescimento*

• Membrana celular de composição diferenciada –

sensível às variações do ambiente

• Arcabouço enzimático único – produção de metano

• Tempo de geração de 3 dias (35oC)

Bactérias Metanogênicas

Methanobacterium

thermoautotrophicus

Barra = 10um

Zeikus and Wolfe, 1972

Methanobacterium palustre

Cheng et. al., 2009

Methanobrevibacter smithii

National Research Council Canada

In Pena, S. 2007.

www.cienciahoje.uol.com.br

Considerações – Inter-relação das etapas

• O processo de digestão anaeróbica só é eficiente se

as taxas de degradação nos três estágios forem

similares.

*diferentes grupos de bactérias trabalham em

sequência – produtos de um grupo são substrato do

outro grupo*

Considerações - Temperatura

• A digestão é um evento enzimático e por isso

depende intimamente da temperatura.

• Ela é fraca a 10ºC e nula acima dos 75ºC.

• A opção por uma temperatura de trabalho terá de

resultar do compromisso entre o volume de gás a

produzir, o grau de fermentação e o tempo de

retenção.

Considerações – Relação C/N

• Em relação à matéria a fermentar, a relação

carbono/nitrogênio (C/N) deve ter um valor

compreendido entre 30 e 35.

• Acima deste valor, o processo é pouco eficaz, já que

as bactérias não têm possibilidade de utilizar todo o

carbono disponível.

• Para um valor baixo corre-se o perigo de aumentar a

quantidade de derivados de amônia, que pode

atingir os limites da toxicidade.

Considerações - pH

• Outro parâmetro que influencia a digestão

anaeróbica é o pH do meio.

• Em meio muito ácido ou muito básico, a atividade

enzimática das bactérias é anulada.

• A digestão pode efetuar-se entre os pH de 6,6 e 7,6,

encontrando-se o ótimo a pH=7.

Considerações – Agentes externos

• Produtos com cloro e o uso excessivo de

detergentes e sabões podem afetar o sistema

porque alteram a comunidade bacteriana.

Digestão anaeróbica - Vantagens

• Produção de gás

• Produção de fertilizante

• Controle da poluição

• Redução de patógenos

As altas temperaturas do processo e os longos

tempos de retenção em digestores anaeróbicos

promovem a redução significativa do número de

vírus, bactérias, fungos e vermes patogênicos.

Digestão anaeróbica - Vantagens

Digestão anaeróbica Digestão aeróbica

Influente Efluente % redução Influente Efluente % redução

3.9x104 1.1x104 80.4 4.86x105 1.23x105 75

Stafford et al., 1980

Destruição relativa de coliformes fecais por mililitros em sistemas

de digestão aeróbica e anaeróbica monitorados regularmente

durante um ano.

Indicadores do processo de sanitização

Bitton, 2005

Indicadores de Sanitização

Indicadores de Sanitização

Coliformes totais

“Bacilos gram-negativos, aeróbios ou anaeróbios

facultativos, não formadores de esporos, capazes

de crescer na presença de sais biliares, fermentam

a lactose com produção de aldeído, ácido e gás a

35ºC em 24-48 horas. O grupo inclui os seguintes

gêneros: Escherichia sp., Citrobacter sp.,

Enterobacter sp. e Klebisiela sp.”

Indicadores de Sanitização

Coliformes “fecais” ou termotolerantes

“São coliformes capazes de se desenvolver e

fermentar a lactose com produção de ácido e gás à

temperatura de 44,5 ± 0,2°C em 24 horas. O

principal componente deste grupo é Escherichia

coli, sendo que alguns coliformes do gênero

Klebisiela também apresentam essa capacidade.”

Indicadores de Sanitização

Coliformes totais indicam poluição, associado ao

risco potencial da presença de organismos

patogênicos. Estão presentes no trato intestinal, no

solo, água... Indica falha no tratamento ou

distribuição de água

Coliformes termotolerantes são indicadores de

poluição fecal, pois estão presentes no trato

intestinal de animais de sangue quente, sendo

eliminadas em grandes números pelas fezes.

Coliformes totais – 37oC

Escherichia sp., Citrobacter sp., Enterobacter sp. e Klebisiela sp.

Coliformes termotolerantes – 45oC

Escherichia coli

Wikipedia.com Wikipedia.com

Flávio Ubiali

Indicadores de Sanitização

Placas Petri Film

Kit Fluorocult

Filtros

Meios de cultura seletivos

Indicadores de Sanitização – Fossa e Jardim

Jardim Filtrante Fossa Séptica Biodigestora

Início Fim Início Fim

Coliforme total 3,6x105 5,6x104 1,5x104 3,3x102

Coliforme termotolerante 1,3x101 0 3,7x103 7,8x101

Resultado em UFC/ml – Unidades Formadoras de Colônia por 1 mililitro

Referências

• Bitton, G. Wastewater Microbiology. 3 ed. John Wiley & Sons, Inc. 765p. 2005.

• Cheng, S.; Xing, D.; Call, D.F. e Logan, B.E. Direct Biological Conversion of Electrical Current into Methane by Electromethanogenesis. Environ. Sci. Technol. 43 (10). 2009.

• Fernandes, C. Notas de aulas. Saneamento Básico – Engenharia Sanitária. Acessado em 05/2011. www.dec.efcg.edu.br/saneamento

• Gerardi, M. H. The Microbiology of Anaerobic Digesters. John Wiley & Sons, Inc. 188p. 2003.

• Senna, P.A.C.; Magrin, A.G.E. A importância da “boa” identificação dos organismos fitoplanctônicos para os estudos ecológicos. In: Pompêo, M.L.M. (ed.) Perspectiva da Limnologia no Brasil. São Luís: Gráfica e Editora União, 1999. p. 131-146.

• Stafford, D.A.; Hawkes,D.L. e Horton,R. Methane Production from Waste Organic Matter. CRC Press, Inc. 285p. 1980.

Obrigada!

Joana Dias Bresolin

joana.bresolin@embrapa.br