Resumo
A busca por estudos sobre a remoção biológica de fósforo em águas residuárias tem se expandido e favorecido um maior conhecimento dos grupos envolvidos nesse processo. Contudo a concepção de sistemas de remoção desse nutriente ainda necessita de novos estudos que o auxilie a uma consolidação de técnicas consideradas de baixo custo, porém eficazes. Para isso, operaram-se sistemas de lodo ativado com diferentes estratégias para estimular não apenas a predominância de PAO em alguns desses sistemas, mas também predominância de outros grupos bacterianos em outros sistemas. Estes outros grupos eram: acumuladores de glicogênio (GAO) e heterotróficos comuns (OHO), bem como populações mistas. Cinco ferramentas baseadas em análises físico-químicas e respirométricas foram testadas para avaliar o predomínio de diferentes populações com base em relações cinéticas e estequiométricas. Estas poderão ser utilizadas para concepção de projetos mais racionais e otimizados ou outras aplicações biotecnológicas. A estratégia predominante de PAO foi obtida sob condições de temperatura média de 25oC, e desnitrificação via nitrito usando propionato como substrato. A partir dos dados obtidos construiu-se uma matriz de predominância de PAO, utilizando também lodos mistos, OHO e GAO comparativamente.
Introdução
Nos últimos anos tem havido uma intensificação dos estudos sobre a remoção biológica de fósforo em águas residuárias e, consequentemente, o conhecimento dos grupos microbianos envolvidos neste processo tem aumentado. Isso foi possível devido à disponibilidade de diferentes técnicas laboratoriais para identificação e quantificação, muitas vezes associadas à biologia molecular e outras análises igualmente avançadas.
Entretanto, dentro da engenharia sanitária, a identificação de espécies desses organismos, apesar de sua inegável importância, não é suficiente para a concepção de sistemas de remoção de fósforo, e determinar parâmetros operacionais, sendo necessário que outras técnicas, a exemplo da respirometria, sejam aplicadas de forma combinada, conseguindo atingir um grau mais amplo de conhecimento da microbiologia do lodo do sistema de tratamento. Além disso, há falta de disponibilidade de equipamentos e mão-de-obra especializada para técnicas avançadas, o que resulta em limitada aplicabilidade em curto prazo, em países como o Brasil.
Portanto, a possibilidade de identificar a predominância de organismos acumuladores de fósforo (PAO), por meio de testes simples e de baixo custo, é bastante atrativa.
Em sistemas de lodo ativado, diferentes comunidades microbianas crescem de forma suspensa formando flocos dispersos ou grânulos autoimobilizados capazes de efetuar as conversões bioquímicas envolvidas nos processos de remoção de nutrientes, podendo-se destacar os organismos nitrificantes, heterotróficos ordinários (OHO), acumuladores de fósforo (PAO) e acumuladores de glicogênio (GAO). Os organismos acumuladores de fósforo, Polyphosphate Accumulating Organisms, PAO, conformados ou não em grânulos, têm alto poder de liberar fosfato em ambiente anaeróbio ao capturar e armazenar material orgânico solúvel do meio na forma de biopolímeros. Além disso, são capazes de recuperar polifosfatos liberados em ambiente aeróbio perfazendo a condição fenotípica oriunda da alternância de ambientes que provoca uma modificação ou adaptação metabólica desses microrganismos (DE KREUK; VAN LOOSDRECHT, 2005).
Bassin (2012) e Taya et al. (2013) afirmam que existem dois subgrupos de PAO (PAO I que utiliza nitrato e nitrito como aceptor de elétrons para a degradação da matéria orgânica e, PAO II que utiliza somente nitrito). Estes microrganismos também podem ser denominados de DPAO (Denitrifying Phosphorus Accumulating Organisms) I e II, respectivamente, e estudos indicam a possibilidade de apresentarem capacidade metabólica superior às PAO em condições aeróbias. Entretanto, ainda não há consenso se são bactérias facultativas ou estritas. O grupo DPAO atua no processo de remoção de material orgânico de forma especial, pois remove simultaneamente nitrogênio e fósforo e é capaz de reduzir custos com aeração e demanda por matéria orgânica que é acumulada em ambiente anaeróbio para ser metabolizada na etapa anóxica (BECK, 2011). Esses microrganismos crescem em diferentes condições com destaque à parte interna de lodo granular aeróbio, podendo coexistir diferentes grupos bacterianos e significativa diversidade microbiana em uma mesma matriz (BASSIN et al. 2012).
No entanto, há um tipo de bactéria que compete com PAO, que são as bactérias acumuladoras de glicogênio (GAO). Esses grupos demandam o mesmo material orgânico solúvel disponível em ambiente anaeróbio para PAO, porém não removem fósforo, sendo alguns subtipos apenas capazes de desnitrificar (LOPEZ-VÁZQUEZ et al., 2009).
Os estudos de Taya et al. (2013) mostraram, por meio de biologia molecular, que o nitrito não pode ser utilizado como aceptor final de elétrons por GAO quando o substrato solúvel disponível no meio líquido é o propionato, dessa forma não há desnitrificação via nitrito a partir de propionato, o que indica que o tipo de substrato influencia no processo. Isso é afirmado porque nesse estudo não foi identificado nenhum grupo GAO capaz de desnitrificar via nitrito sob estas condições, pois não apresentavam a enzima nitrito redutase.
Alguns pesquisadores notaram que o tipo de substrato é um fator significativo na competição entre PAO e GAO (OHEMEN, 2005; TAYA, et al. 2013). Os estudos de Ohemen et al. (2006; 2007; 20210) constataram que a alternância de substrato na fase de alimentação (anaeróbia), pode resultar em um novo mecanismo de minimização de bactérias competidoras pelo substrato solúvel. Isso ocorre, pois há um grupo GAO que utiliza apenas acetato como fonte de carbono (Candidatus Competibacter Phosphatis), e outro que utiliza propionato para o mesmo fim (Alphaproteobacteria), ao passo que PAO tem a mesma afinidade para ambos os substratos.
Oehmen et al. (2006) conseguiu de forma inédita um lodo com mais de 90% de predominância de PAO em estudos com alternância de substratos. Ressalta-se que as bactérias PAO por não terem preferência por nenhum desses substratos (segundo os autores), apresentam rápida substituição de um pelo outro, bastando para tanto, que uma fonte seja disponibilizada enquanto a outra não, sem influenciar negativamente no seu metabolismo, diferentemente do que possivelmente ocorra com GAO.
Outra configuração promotora dessa predominância é voltada para a remoção de fósforo a partir de lodo granular aeróbio, com base nos principais parâmetros referenciados na literatura internacional especializada (MORGENROTH et al. 1997; BEUN et al. 2002; LIU; TAY, 2004; DE KREUK; HEIJNEN; VAN LOOSDRECHT, 2005; WINKLER et al. 2011; BASSIN, 2012).
Dentre os principais parâmetros que precisam ser controlados nesse tipo de sistema destacam-se: o tempo maior para a alimentação anaeróbia com baixa turbulência (alimentação lenta e ascensional em pistão), respeito ao regime de fartura e ausência de substrato, fartura/fome (feast/famine), tempo de sedimentação curto, bem como aeração e mistura suficientemente capazes de provocar choque entre partículas com forças de cisalhamento bem definidas e constantes durante o período de aeração (VAN LOOSDRECHT et al. 2011).
A estratégia de predominância de PAO por meio de estratificação de lodo granular foi citada por Winkler et al. (2011) e Bassin (2012) como benéfica para o processo de granulação e principalmente para remoção de fósforo, visto que de acordo com seus estudos, GAO tende a permanecer no topo do reator, pois tem densidade menor que as PAO devido ao acúmulo que estas últimas tem de polifosfatos em sua constituição celular.
Por outro lado, para gerar a biomassa descrita na literatura como principal atuante na deterioração da remoção de fósforo em sistemas de lodo ativado (EBPR) a mesma condição operacional deve ser atendida, todavia sem a biodisponibilidade de fosfato no meio líquido. Essa biomassa, como anteriormente mencionado, conhecida por Candidatus Competibacter, é pertencente ao fenótipo GAO e utiliza acetato como fonte de carbono (PISCO, 2008). O grupo Alphaproteobacteria também responderia similarmente a esta estratégia operacional, contudo, utilizando propionato.
A essência da compreensão acerca da remoção de fósforo de águas residuárias encontra-se na elucidação do metabolismo dos organismos envolvidos no processo.
Autores: Rosilene Maria Leitão Melquiades; Elivânia V. M. Santos; Heraldo A. S. Filho; Adrianus C. Van Haandel e José T. Sousa.
