4 Biotecnologia geral microbiana tratamento de efluentes

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Biotecnologia geral
TER 00101
Prof. Natalia Ribeiro
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
• Microrganismos – organização celular simples
(unicelulares e multicelulares)(unicelulares e multicelulares)
• Papel importante na reciclagem de nutrientes
no ambiente � processos biológicos de
tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
- Procariotos = região nuclear não é envolvida
por membrana e consiste de DNA na forma depor membrana e consiste de DNA na forma de
uma molécula circular (cromossomo). Muitos
podem conter em seu interior moléculas
menores de DNA, na forma circular,
denominadas de plasmídeos.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
- Eucariotos = núcleo envolto por uma
membrana. As moléculas de DNA se agregam
com proteínas formando cromossomos.com proteínas formando cromossomos.
Contém outras estruturas (organelas)
envolvidas por membranas como as
mitocôndrias e cloroplastos
(fotossintetizantes).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
- Microrganismos atualmente classificados em
três domínios: Bacteria (bactérias – células
procarióticas), Archaea (anaeróbios, muitosprocarióticas), Archaea (anaeróbios, muitos
deles extremófilos - células procarióticas) e
Eukarya (microalgas, fungos e protozoários –
células eucarióticas).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Bactérias
- Christian Gram: bactérias gram positivas
(parede celular simples, constituída de(parede celular simples, constituída de
camada de peptideoglicano), e bactérias gram
negativas (parede com estrutura mais
complexa constituída de camada de
peptideoglicano e uma membrana externa,
que contém polissacarídeos)
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Arqueas
- Microrganismos extremófilos (halófilos extremos,
hipertermófilos), bem como metanogênicos
(fundamentais para tratamento que segue a via
hipertermófilos), bem como metanogênicos
(fundamentais para tratamento que segue a via
anaeróbia). Parede celular constituída de
polissacarídeos, glicoproteínas, proteínas,
pseudopeptideoglicanos. A síntese proteica é
mais semelhante à dos eucariotos.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Arqueas
- Microrganismos extremófilos (halófilos
extremos, hipertermófilos)extremos, hipertermófilos)
Parque Nacional de Yellowstone - USA
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Algas (Eucariotos)
- Eucariotos fototróficos, que formam colônias ou
arranjos lineares (filamentosos). Algumas
produzem toxinas. Lançamento excessivo deproduzem toxinas. Lançamento excessivo de
nutrientes e poluentes provoca o desequilíbrio
dos ecossistemas e o crescimento preferencial de
certos tipos de algas (“marés vermelhas”, “bloom
de algas”). Nos sistemas de tratamento naturais
(lagoas aeróbias, estabilização) as algas fornecem
oxigênio para as bactérias degradadoras.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Fungos (Eucariotos)
- Apresentam com morfologia distinta. Fungos
filamentosos crescem formando miscélios (hifas)
e tem notável participação nos processos dee tem notável participação nos processos de
reciclagem de nutrientes e na biodegradação de
compostos orgânicos em ambientes naturais,
especialmente nos solos. Leveduras se
apresentam como células individuais, não
formando filamentos ou micélios. Papel pequeno
nos processos biológicos de tratamento de
efluentes (mais importante para indústria).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Fungos (Eucariotos)
- Apresentam com morfologia distinta. Fungos
filamentosos crescem formando miscélios (hifas)
e tem notável participação nos processos dee tem notável participação nos processos de
reciclagem de nutrientes e na biodegradação de
compostos orgânicos em ambientes naturais,
especialmente nos solos. Leveduras se
apresentam como células individuais, não
formando filamentos ou micélios. Papel pequeno
nos processos biológicos de tratamento de
efluentes (mais importante para indústria).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Protozoários (Eucariotos)
- Organismos unicelulares que não possuem parede
celular, e nutrem-se de outros organismos e de
material orgânico particulado. Presentes emmaterial orgânico particulado. Presentes em
comunidades microbianas típicas de processos
aeróbios de tratamento de efluentes (amebas,
flagelados e ciliados). Nos processos de
tratamento biológico de efluentes como de lodos
ativados, os protozoários predadores de
bactérias, têm importante papel para o
desempenho do processo.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Rotíferos (Eucariotos)
- Nos processos de tratamento biológico de efluentes
atuam na remoção de bactérias livres em suspensão
(não floculadas). Contribuem para formação dos flocos
microbianos.microbianos.
Nematódeos e anelídeos (Eucariotos)
- Aparecem com alguma frequência em sistemas
biológicos de tratamento de efluentes, mas não
desempenham papel relevante no processo de
tratamento de efluentes.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Principais interações nas comunidades microbianas
- Diversidade microbiana – fator de sucesso no
tratamento biológico de efluentes.
-Os poluentes contém inúmeras substâncias em-Os poluentes contém inúmeras substâncias em
variados níveis de concentração
- Os organismos estabelecem relações entre grupos de
modo a assegurar a sua sobrevivência em ambientes
abertos e de grande competição
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Principais interações nas comunidades microbianas
- Simbiose: relação entre duas espécies que pode ser
benéfica para ambas (mutualismo – lagoas facultativas)
ou benéficas para uma e sem efeito para outraou benéficas para uma e sem efeito para outra
(comensalismo – Nitrosomonas e Nitrobacter).
- Parasitismo: um organismo vive no interior ou em
conjunto com outro, denominado hospedeiro, havendo
benefício apenas para uma das espécies.
- Neutralismo: ocorre quando a presença de uma
espécie não afeta a outra.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Principais interações nas comunidades microbianas
- Predação: é uma forma muito comum nos sistemas de
tratamento aeróbio, e neste caso uma espécie se nutre
da outra. Protozoários e metazoários desempenhamda outra. Protozoários e metazoários desempenham
esse papel.
- Sintrofia: duas ou mais espécies cooperam para
operar uma transformação que nenhuma delas
isoladamente poderia realizar. Presentes nos sistemas
de tratamento anaeróbios.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Morfologia e características dos aglomerados
microbianos
Nos sistemas abertos e relativamente pobres em
nutrientes, muitas linhagens bacterianas produzemnutrientes, muitas linhagens bacterianas produzem
cápsulas de material polissacarídeo na superfície
externa das células. A excreção dessas substâncias
parece ser uma estratégia de sobrevivência em
ambientes adversos, pois confere a esses organismos a
capacidade de adesão e aglomeração (EPS –
substâncias poliméricas extracelulares)
Microrganismos de importância para os 
sistemas detratamento de efluentes
Morfologia e características dos aglomerados
microbianos
Sistemas aeróbios: flocos e biofilmes
-Esses sistemas se caracterizam por bactérias que-Esses sistemas se caracterizam por bactérias que
excretam grande quantidade de substâncias de alta
massa molar, que formam matrizes hidratadas.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Morfologia e características dos aglomerados
microbianos
Sistemas anaeróbios: flocos, biofilme e grânulos
- Como as velocidades de crescimento os- Como as velocidades de crescimento os
microrganismos anaeróbios são, em geral, menores do
que os sistemas aeróbios, o processo de formação
dessas estruturas é mais lento. Assim, os flocos não
adquirem mesmas dimensões, e sua separação da fase
líquida é dificultada (produção de gás).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Morfologia e características dos aglomerados
microbianos
Sistemas anaeróbios: flocos, biofilme e grânulos
- Uma possível causa da granulação é o estresse- Uma possível causa da granulação é o estresse
hidrodinâmico imposto à comunidade microbiana em
ambiente anaeróbio. Presença de microrganismos
filamentosos, constituindo uma entretela (alta
capacidade de retenção de microrganismos e outras
partículas)para enovelamento.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Principais interações nas comunidades microbianas
- Diversidade microbiana – fator de sucesso no
tratamento biológico de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
- Os poluentes são primeiramente adsorvidos nas
superfícies dos aglomerados microbianos. Essasuperfícies dos aglomerados microbianos. Essa
remoção é de natureza físico-química. A seguir
dependendo das características da molécula poluente,
ela poderá sofrer hidrólise ou outras transformações
catalisadas por enzimas excretadas pelos
microrganismos e que se encontram na matriz
constituinte dos aglomerados microbianos
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
- Somente quando as moléculas sofreram as
transformações pertinentes é que elas podem, játransformações pertinentes é que elas podem, já
modificadas, ser absorvidas pelas células.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Absorção dos poluentes 
nos flocos e ou biofilmes
Transformação de 
poluentes catalisadas por 
enzimas extracelulares
Transporte de substratos 
(transporte para o interior 
das células)
Absorção dos substratos 
(transporte para o interior 
da célula)
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
- Somente quando as moléculas sofreram as
transformações pertinentes é que elas podem, játransformações pertinentes é que elas podem, já
modificadas, ser absorvidas pelas células.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
- Degradação aeróbia = respiração aeróbia, no qual
moléculas de substrato (poluentes biodegradáveismoléculas de substrato (poluentes biodegradáveis
absorvidos pelas células) são oxidados a CO2, utilizando no
sistema de transporte de elétrons, o oxigênio como
receptor ou aceptor final. Neste tipo de metabolismo as
moléculas do substrato podem ser oxidadas
completamente a CO2 e um maior rendimento em ATP
pode ser obtido, o que permite disponibilizar energia para a
multiplicação celular.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
- Degradação anaeróbia = mais complexa, pois no processo
de biodegradação estão envolvidos diferentes gruposde biodegradação estão envolvidos diferentes grupos
microbianos. As substâncias orgânicas são transformadas
por via fermentativa, gerando produtos ácidos, que são
posteriormente transformados em substâncias orgânicas
com um ou dois átomos de carbono com geração de
hidrogênio. A mais significativa etapa de biodegradação é
quando esses compostos são transformados em metano e
CO2 (etapa metanogênica).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Processo de remoção e degradação de poluentes
orgânicos
-Degradação anaeróbia = A etapa metanogênica é
conduzida por um grupo específico de microrganismos, asconduzida por um grupo específico de microrganismos, as
arqueas hidrogenotróficas e acetotróficas, que utilizam o
CO2 como aceptor de elétrons e realizam a respiração
anaeróbia. Por conta da menor diferença potencial
disponível nas reações metabólicas, a energia disponível
para o crescimento microbiano é significativamente menor
do que aquela do metabolismo aeróbio. Por isso a taxe de
crescimento microbiano é menor (disposição final).
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Energia e metabolismo
Rotas empregadas pelos microrganismos para obtenção de
energia e para transformar substratos absorvidos. Os
processos de tratamento de efluentes (participaçãoprocessos de tratamento de efluentes (participação
preponderante de procariotos) diferem dos bioprocessos
conduzidos por culturas puras. Os organismos que
empregam substâncias químicas orgânicas como doadoras
de elétrons no metabolismo energético são denominadas
de quimiorganotróficos e os dois mecanismos para
conservação de energia são a fermentação e a respiração.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
� Fontes de Energia:
De acordo com a forma pela qual os microrganismos assimilam
energia, eles podem ser classificados em:
-Fototróficos: possuem pigmentos fotossintéticos que permitem
a utilização da luz como fonte de energia. Ex.: algas e bactériasa utilização da luz como fonte de energia. Ex.: algas e bactérias
fotossintetisantes.
- Quimiolitotróficos: obtêm energia a partir da oxidação de um
substrato inorgânico, geralmente específico para o
microrganismo em particular, como hidrogênio, enxofre, amônia,
nitritos e sais ferrosos. Ex.: bactérias dos gêneros Thiobacillus,
Nitrosomonas, Nitrobacter, Hydrogenomonas e Desulphovibrio.
� Fontes de Energia:
- Quimiorganotróficos: obtêm energia a partir do catabolismo de
substratos orgânicos, açúcares em particular. A este grupo
pertence a grande maioria dos microrganismos utilizados
industrialmente (Madigan et al., 2000).
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sistemas de tratamento de efluentes
industrialmente (Madigan et al., 2000).
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Energia e metabolismo
- Respiração aeróbia = as moléculas de substrato são
oxidadas a CO2, tendo-se o oxigênio molecular como
aceptor final de elétrons (ATP para crescimento). Noaceptor final de elétrons (ATP para crescimento). No
caso dos sistemas de tratamento de efluentes por
processos aeróbios a transformação do carbono
(poluentes) em CO2 e novas células é realizada por
bactérias, que são organismos majoritariamente
presentes nas comunidades microbianas destes
sistemas.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Energia e metabolismo
- Respiração aeróbia = cianetos, monóxido de carbono,
sulfeto de hidrogênio e azida de sódio (efluentes
industriais) são inibidores pois bloqueiam o fluxo deindustriais) são inibidores pois bloqueiam o fluxo de
elétronse consequentemente a síntese de ATP.
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Energia e metabolismo
- Fermentação = processo de oxirredução na ausência
qualquer aceptor final de elétrons suprido ao meio. O
substrato orgânico atua como doador e o produto dasubstrato orgânico atua como doador e o produto da
fermentação é o receptor final. Nas comunidades
microbianas dos sistemas de tratamento há um
expressivo número de bactérias fermentativas . Tem
papel importante nos processos anaeróbios.
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sistemas de tratamento de efluentes
Energia e metabolismo
- Respiração anaeróbia = modo alternativo de obtenção de
energia que emprega outros receptores de elétrons que
não o oxigênio. Os receptores podem ser nitrato, íonnão o oxigênio. Os receptores podem ser nitrato, íon
férrico, sulfato, carbonato, e até compostos orgânicos,
entretanto, menor quantidade de energia é disponibilizada
para as células. Nos consórcios anaeróbios as arqueas
metanogênicas utilizam o CO2 como aceptor de elétrons.
Ocorre também no processo de desnitrificação (bactérias
heterotróficas aeróbias facultativas)
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sistemas de tratamento de efluentes
Energia e metabolismo
- Quimiolitotrofia = uso de substâncias químicas
(sulfeto de hidrogênio, hidrogênio gasoso, amônia)
inorgânicas para obtenção de energia. Envolveinorgânicas para obtenção de energia. Envolve
respiração aeróbia, porém empregando fonte
inorgânica. A nitrificação, de grande relevância para o
tratamento de efluentes é conduzido por bactérias
autotróficas que obtêm energia da amônia e empregam
fonte inorgânica de carbono para síntese celular.
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sistemas de tratamento de efluentes
Energia e metabolismo
- Metabolismo fototrófico = utilizam a luz como fonte
de energia, que geram força próton motiva para síntese
de ATP. Importante para sistemas de tratamento dede ATP. Importante para sistemas de tratamento de
efluentes como lagoas aeróbias, as cianobactérias e as
microalgas exibem essa forma de metabolismo.
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Bioquímica do tratamento biológico
- As enzimas são proteínas globulares que catalizam as
reações bioquímicas. A maioria das reações
bioquímicas ocorrem através da atuação de enzimasbioquímicas ocorrem através da atuação de enzimas
que agem especificamente sobre determinados
substratos � catalisadores dos processos biológicos
(velocidade de reação).
- Fatores que afetam: temperatura, pH, cofatores,
inibidores.
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Bioquímica do tratamento biológico
- Classificação (tipo):
a) Endoenzimas = atuam no interior das células degradando
compostos orgânicos solúveis e gerando energia.compostos orgânicos solúveis e gerando energia.
b) Exoenzimas = atuam fora da célula transformando a matéria
particulada complexa em solúveis, através da hidrólise,
permitindo a assimilação.
Endoenzima
Exoenzima
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Bioquímica do tratamento biológico
Exoenzimas
Proteínas AminoácidosProteínas
Carboidratos
Lipídeos
Aminoácidos
Açúcares solúveis
Ácidos graxos
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Bioquímica do tratamento biológico
- Classificação (atuação):
a) Hidrolases = reações de hidrólise.
b) Oxiredutases = reações de oxi-redução
Principais na 
decomposição da 
matéria orgânica
b) Oxiredutases = reações de oxi-redução
c) Transferases = transferência de grupamentos funcionais com
grupo amina
d) Liases = remoção de moléculas de água, CO2, e amônia
e) Isomerases = isomeração – ligações cis e trans
f) Ligases = síntese de novos produtos produzindo energia
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Bioquímica do tratamento biológico
- Hidrólise enzimática = reação bioquímica catalisada por
enzimas que consiste na quebra da molécula pela água. Durante
o início do processo de tratamento biológico de águaso início do processo de tratamento biológico de águas
residuárias, a fase de aclimatação consiste na elaboração pelas
microrganismos das enzimas que atuam especificamente sobre
determinados substratos.
Microrganismos de importância para os 
sistemas de tratamento de efluentes
Bioquímica do tratamento biológico
Mecanismo “chave-fechadura”
Obrigada!