arqueias 2017

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
PPGEAS
Disciplina Microbiologia Ambiental
Domínio Archaea e Digestão
anaeróbia
Profa. Katia Saavedra Hoffmann
2017
Características
Classificação
Importância 
Digestão anaeróbia
CONTEÚDO
 Os organismos do Domínio Archaea são
considerados únicos, com propriedades
metabólicas extraordinárias e filogenia
particular.
 Compreendem organismos anaeróbios
sensíveis ao oxigênio, termófilos e
halófilos extremos.
Arquéias
 São organismos evolutivamente
distintos daqueles pertencentes ao
Domínio Bacteria em função das
características de organização do
genoma, composição celular e
filogenia.
Arquéias
 Alguns organismos pertencentes a este
Domínio, apresentam vias metabólicas
semelhantes àquelas encontradas em
organismos do Domínio Bacteria.
Arquéias
 Muitas características em comum com
Eukarya
 Genes que codificam para replicação,
transcrição, tradução.
 Características em comum com Bacteria
 Genes de metabolismo.
 Outros elementos são únicos a Archaea
 Estrutura de gene rRNA única.
 Capaz de realizar metanogênese.
Arquéias
 Porém, outros apresentam vias
metabólicas raras, como as arquéias
metanogênicas, que através de
sistemas enzimáticos únicos,
produzem gás metano.
Arquéias
 O metabolismo autotrófico é comum
em muitos metanogênicos e termófilos
extremos.
 Existem também, arquéias
quimiorganotróficas que utilizam
diferentes compostos orgânicos como
fonte de energia para o seu
crescimento.
Arquéias
Arquéias
 As espécies metanogênicas constituem
um grupo especial de microrganismos
com diferentes formas celulares e
filogeneticamente distintas dos
procariontes típicos.
 São microrganismos anaeróbios
estritos, que vivem em potenciais de
óxido-redução da ordem de -350 mW e
são capazes de utilizar poucas fontes
energéticas.
Arquéias
 São classificadas no Domínio
procarionte Archaea.
 Ausência do ácido murâmico,
constituinte do peptoglicano da parede
celular.
 Seqüências particulares do RNAr 16S
as tornam filogeneticamente distintas.
Arquéias
 Classificação taxonômica:
 Crenarchaeota: temperaturas extremas.
 Korarchaeota: hipertermófilos. Ainda
não cultivados em laboratório.
Arquéias
 Nanoarchaeota: hipertermófilas,
associadas com outras arquéias do
gênero Ignicoccus.
 Euryarchaeota: arquéias
metanogênicas.
Arquéias
Divididas em cinco ordens:
 Methanobacteriales
 Methanococcales
 Methanosarcinales
 Methanopyrales
 Methanomicrobiales
Arquéias metanogênicas
 Amplamente distribuídas em ambientes
anóxicos naturais: sedimentos
aquáticos profundos, pântanos, trato
digestivo de ruminantes, digestores
anaeróbios de tratamento de resíduos e
de efluentes e aterros sanitários.
Arquéias metanogênicas
Via metabólica Ordem
Acetoclástica Methanosarcinales (Methanosaeta, 
Methanosarcina)
Hidrogenotrófica Methanosarcinales
(Methanosarcina)
Methanobacteriales
Methanococcales
Methanomicrobiales
Methanopyrales
Metilotrófica Methanosarcinales
(Methanosarcina)
Arquéias metanogênicas
 Existem 83 espécies descritas,
separadas em três grupos nutricionais
dentro das cinco ordens referidas.
-56 espécies de hidrogenotróficas que
oxidam H2 e reduzem o CO2 para formar
metano, dentre as quais, 38 espécies
também oxidam o ácido fórmico e
metano.
Arquéias metanogênicas
 Inclui: Methanobacteriaceae e
Methanomicrobiaceae.
-19 espécies utilizam compostos
metilados, das quais 13 são
metilotróficas obrigatórias.
Arquéias metanogênicas
-8 espécies utilizam o ácido acético para
a formação de metano, das quais 2 são
metanogênicas acetotróficas
obrigatórias: Methanosaeta sp. e
Methanosarcina sp.
Arquéias metanogênicas
Gênero Morfologia
Methanobacterium Bacilos 
longos/filamentos
Methanobrevibacter Bacilos curtos/cadeias
Methanomicrobium Bacilos curtos/alguns
flagelados
Methanogenium Pequenos cocos 
irregulares
Methanospirillum Filamentos móveis
Methanoplanus Forma de prato
Methanothermus Bacilos
Methanococcus Cocos irregulares
Methanosarcina Cocos grandes
Methanosaeta Bacilos/filamentos
Arquéias metanogênicas
 As arquéias metanogênicas atuam na
etapa final da decomposição anaeróbia
dos compostos orgânicos complexos,
desempenhando importante papel na
mineralização da matéria orgânica.
Arquéias metanogênicas
 Os organismos metanogênicos
possuem representantes gram-positivos
e gram-negativos.
 Algumas arquéias metanogênicas tais
como Methanosarcina,
Methanobrevibacter, e
Methanobacterium apresentam
fluorescência sob uv (coenzima F420).
Arquéias metanogênicas
 Morfologia: cocos, sarcinas, filamentos
e bacilos de vários tamanhos.
 Compartilham a capacidade metabólica
comum de produzir metano a partir de
compostos de cadeia curta com um ou
dois carbonos.
Arquéias metanogênicas
 Os substratos utilizados pelas arquéias
metanogênicas são hidrogênio e
dióxido de carbono, monóxido de
carbono, formiato, metanol, 2-propanol,
metilaminas, dimetilsulfeto e acetato.
Arquéias metanogênicas
 Sob o ponto de vista ecológico, o
metabolismo metanogênico é
dependente da presença de outros
microrganismos, cuja atividade no
meio anaeróbio gera precursores para
a metanogênese.
Arquéias metanogênicas
 O processo de degradação anaeróbia
pode ser influenciado por uma série de
fatores:
-Temperatura
-pH
-Nutrientes
-Composição de substrato
Arquéias metanogênicas
Digestão anaeróbia
 Processo biológico no qual diferentes
microrganismos, na ausência de
oxigênio molecular, promovem a
transformação de compostos
orgânicos complexos em metano e gás
carbônico.
 Produzem quantidade significativa de
metano.
 Pode ser usado como energía combustível
limpa e como fonte de energía. 
 Pode contribuir para o efeito estufa e
aquecimento global.
 Pode oxidar o ferro
 Contribui significativamente para corrosão
de tubulação de ferro. 
MetanogêneseArquéias metanogênicas
Hidrólise
 Reduz material particulado e dissolvido
em compostos de menor peso
molecular.
 Exoenzimas excretadas por bactérias
fermentativas (bactérias hidrolíticas).
 Clostridium, Micrococcus,
Staphylococcus: degradam lipídeos.
 Bacteroides, Butyvibrio, Clostridium,
Fusobacterium, Selenomonas,
Streptococcus, Proteus, Peptococcus,
Bacillus: degradam proteínas.
 Clostridium, Staphylococcus,
Acetivibrio, Eubacterium: degradam
carboidratos.
Hidrólise
Acidogênese
 Os compostos dissolvidos, gerados na
hidrólise, são absorvidos e
metabolizados pelas bactérias
fermentativas acidogênicas.
 Excretam: ácidos graxos voláteis,
álcoois, ácido láctico e compostos
inorgânicos (CO2, H2, NH3, H2S, etc).
 Realizada por um grupo diversificado
de bactérias anaeróbias obrigatórias.
 Algumas espécies são facultativas.
 Clostridium, Bacteroides,
Ruminococcus, Butyribacterium,
Pseudomonas, Lactobacillus.
Acidogênese
Acetogênese
 Produção de acetato, CO2 e H2.
 Substratos que são metabolizados
pelas arquéias metanogênicas.
 Bactérias acetogênicas produtoras de
hidrogênio obrigatórias.
 Produzem ácido acético CO2 e H2 a
partir de propionato, butirato, álcoois,
valerato, isovalerato.
 Esses organismos crescem em baixas
pressões de hidrogênio.
Acetogênese
 Bactérias homoacetogênicas,
estritamente anaeróbias.
 Catalisam a formação de acetato apartir de CO2 e H2.
 Acetobacterium, Acetogenium,
Butribacterium, Clostridium,
Pelobacter.
Acetogênese
Metanogênese
 Metano é produzido pelas arquéias
metanogênicas.
 Vias metabólicas: hidrogenotrófica e
acetotrófica (ou acetoclástica).
 Arquéias hidrogenotróficas são
autótrofas, reduzindo o CO2 a metano e
usando H2 como doador de elétrons.
 Arquéias acetoclásticas são
heterótrofas, produzindo o metano e
CO2 a partir da redução do acetato
(fermentação).
Metanogênese
Methanosaeta sp.
Methanosarcina sp.
Características das arquéias
UASB
 Uso Brasil: início da década de 80.
 Brasil é o país que mais utiliza UASB.
 É líder (> 200 unidades).
 Outras nomenclaturas usadas no
Brasil:
 DAFA (Digestor Anaeróbio de Fluxo
Ascendente).
 RAFA (Reator Anaeróbio de Fluxo
Ascendente).
Reator anaeróbio de fluxo ascendente
 RALF (Reator Anaeróbio de Leito
Fluidizado).
 RAFAMAL (Reator Anaeróbio de Fluxo
Ascendente e Manta de Lodo).
 RAFAALL (Reator Anaeróbio de Fluxo
Ascendente através de Leito de Lodo).
UASB
Reator UASB
✓ A biomassa cresce dispersa no meio.
✓ A biomassa se aglutina formando grânulos.
✓ Fluxo de líquido ascendente.
✓ Formação de gases (CH4 e CO2).
✓ Baixa produção de lodo.
ETE - UFES 
Reator UASB
Filtro anaeróbio
✓ A biomassa cresce aderida a um meio suporte.
✓ Fluxo de líquido ascendente.
✓ O filtro trabalha afogado.
✓ A unidade é fechada.
✓ Baixa produção de lodo.
Filtro Biológico Anaeróbio (FBA)
 São tanques de grande profundidade (4,0 a
5,0m), a profundidade é importante no
sentido de reduzir a possibilidade de
penetração do oxigênio produzido na
superfície para as demais camadas.
 Carga orgânica aplicada deverá ser alta de
maneira que a taxa de consumo de oxigênio
seja várias vezes superior a taxa de
produção, criando condições estritamente
anaeróbias.
Lagoa Anaeróbia
 As lagoas anaeróbias removem de 50 a 60%
da DBO afluente, sendo assim o efluente
ainda possui altas taxas de matéria orgânica,
necessitando unidades posteriores de
tratamento.
Lagoa Anaeróbia
Lagoa anaeróbia – Padre Bernardo - GO
Vantagens
 Vantagens no uso de UASB comparado com
Lagoas de Estabilização Anaeróbia (LEA),
Tanque Séptico (TS) e Filtro Anaeróbio (FA):
• Maior facilidade no controle de mau odor que
LEA.
• Maior eficiência que TS.
• Não necessita de suporte para
microrganismos como os FA.
Desvantagens
 Desvantagens no uso de UASB comparado
com Lagoas de Estabilização Anaeróbia
(LEA), Tanque Séptico (TS) e Filtro
Anaeróbio (FA):
• Grande interferência de flutuações de vazões
quando comparado com LEA.
• Operação mais complexa.
• Geralmente o período de partida é maior.
Vantagens no uso de UASB comparado com
processos aeróbios convencionais
 Baixa produção de lodo;
 Baixa demanda de área;
 Baixo custo de implantação e operação;
 Baixo consumo de energia (apenas para a
estação elevatória);
 Produção de biogás metano (combustível);
 Boa desidratabilidade do lodo;
 Reinício de operação relativamente rápido;
 Elevada concentração do lodo excedente.
Desvantagens no uso de UASB comparado com
processos aeróbios convencionais
 Possibilidade de exalar maus odores
(H2S);
 Operação mais complexa;
 Elevado período de partida (3 a 6
meses sem inóculo);
 Necessidade de pós-tratamento
(eficiência 65% a 75% de remoção de
DBO e DQO).
Tratamento biológico
Bases para projeto tratamentos anaeróbios
• Concentração de biomassa (SSV)
• Taxa de carregamento ( KgDBO/m³ dia)
• Velocidade ascensional (m/h)
• Tempo de detenção da zona de
decantação (h)
• Alcalinidade (NaOH/dia)
• Necessidade de nutrientes
Fatores físicos
Estado físico
Líquida ST < 4 %
 Temperatutra
Faixa Mesofílica: 30ºC a 35ºC
Faixa Termofílica: 45ºC a 60ºC
 Grau de biodegradabilidade da matéria 
orgânica
 Nutrientes
 Nitrogênio
 Fósforo
 Minerais e micronutrientes orgânicos
 pH
 Metanogênicas: 6,8 a 7,2
 Acidogênicas: 5,5 a 6,0
 Fermentativas: 5,5 a 7,0
Fatores físicos
Potencial de Oxido-redução
Eh: 350 mV a 380 mV 
Alcalinidade
Tamponamento do meio
 Ácidos Voláteis
Abaixamento do pH do meio
Fatores físicos
 Grau de agitação ou grau de contato
 Metais Pesados
 Fração solúvel dos metais é tóxica
 Precipitação na forma de sulfetos ou carbonatos
 Inibidores e antibióticos
 Cianetos
 Nitrogênio Amoniacal
 Oxigênio
 Sulfetos e outros compostos de enxofre
 Surfactantes
Fatores físicos
Tecnologias Simplificadas: Sistemas Anaeróbios
Características dos
Sistemas Anaeróbios
Não há fornecimento de 
oxigênio (s/ aeração)
Baixa produção de lodo
Lodo mais concentrado e 
melhores características 
de desidratação
Vantagens
Menor Custo de Operação e Manutenção:
• Pouca dependência de equipamentos
• Menor consumo energético
• Menos inconvenientes com manuseio,
acondicionamento e transporte de lodo
Menor Custo de Implantação:
• Baixo requisito de área
• Pouca ou nenhuma demanda por equipamentos
p/ aeração ou desidratação
Maior Simplicidade Operacional:
• Pouca dependência de operadores qualificados
• Fluxograma simplificado, havendo poucas
unidades integrando a estação de tratamento
Aplicabilidade
Pequenas
Comunidades
Sistemas
Descentralizados
Grandes Centros 
Urbanos
Alternativas de Pós-Tratamento
1- Pós-tratamento por aplicação no solo
Vala de filtração, Infiltração rápida, Irrigação subsuperficial, Escoamento
superficial.
2- Pós-tratamento por lagoas
Lagoa de polimento, Lagoa de alta taxa de produção de algas.
3- Pós-tratamento por sistemas com biofilme
Biofiltro aerado submerso, Reator aeróbio radial de leito fixo, Reator de leito
granular expandido, Leito fluidizado aeróbio, Filtro biológico percolador, Filtro
anaeróbio.
4- Pós-tratamento por sistemas de lodos ativados
Sistema de lodos ativados convencional, Sistema de reatores sequenciais em
batelada.
5- Pós-tratamento por sistemas de flotação
Microaeração e flotação, Flotação por ar dissolvido.
6- Pós-tratamento por sistemas de filtração
Filtração ascendente em leito de pedregulho.
7- Pós-tratamento por sistemas de desinfecção
Fotorreator de radiação UV.
8- Desodorização do biogás em biofiltros
Biofiltro de turfa.
SISTEMAS COMBINADOS: 
Reator UASB + Lagoas de Polimento
SISTEMAS COMBINADOS: 
Reator UASB + Aplicação no Solo
Cinética
 A cinética dos processos biológicos é
sempre feita a partir de experimentos
com sólidos dissolvidos.
Curva de crescimento
Fase exponencial
 O substrato é variado, simples e complexo.
 A biomassa é heterogênea.
 Os produtos intermediários são variados e
complexos.
 As condições ambientais não são
homogêneas.
 A curva de crescimento dos microrganismos
 não acontece com o mesmo desenho do que em
cultura pura.
 Divisão binária.
 A população está crescendo em progressão
geométrica.
 As células se dividem em uma taxa constante
 Dependendo das condições do meio e das condições de
incubação
 Tempo de geração ou tempo de duplicação
 Taxa de crescimento exponencial de uma cultura
 Definição
 Tg = t/n
 n = número de gerações
Fase exponencial
 Os tempos de geração entre as bactérias variam de
doze minutos até 24 hora ou mais.
 Muitas autotróficas, como as nitrificantes tem um
tempo de geração mais longo.
 Uma cultura bacteriana pode ser mantida em
crescimento exponencial por um longo período de
tempo usando um sistema de cultura contínua. As
condições serão mantidasas mesmas que no final
da fase continua em batelada.
 A população cresce (formação de células) na mesma
medida em que as células bacterianas são
removidas do reator. A taxa de adição de novo
substrato determina a taxa de crescimento das
bactérias.
Fase exponencial
Quantificação das bactérias
 Microscopia direta
 Contagem globas de bactérias
 Turbidez.
 Medida de grande concentração de bactérias
em meio líquido claro
 Método rápido e não destrutivo
 Sensibilidade > 107 celulas.mL-1
 Medida de N total ou proteina
 Medida de atividade bioquímica
Sólidos suspensos voláteis
Centrifugação
Gravimetria
Considera todo o SSV como
biomassa
Expresso como mg.L-1
Quantificação das bactérias