Aula 1 - Introdução

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João Paulo Bassin
COC750 – Fundamentos e aplicação em 
biotecnologia ambiental
COQ 832 – Processos biológicos avançados
Ementa
• Fundamentos dos processos biológicos de tratamento (aspectos de 
microbiologia, metabolismo microbiano, fontes de energia e carbono, 
principais grupos funcionais em sistemas de tratamento, modelos de 
crescimento celular, tipos de crescimento em reatores biológicos)
• Princípios da remoção de matéria orgânica 
• Princípios da remoção de nitrogênio (nitrificação, desnitrificação) 
• Novos processos para remoção biológica de nitrogênio (anammox e 
variantes)
• Princípios da remoção de fósforo
• Processos biológicos aeróbios com biomassa suspensa e aderida
• Processos biológicos anaeróbios com biomassa suspensa e aderida
• Avaliação de comunidades microbianas em sistemas de tratamento 
biológico
• Tratamento de resíduos e efluentes aliado à geração de subprodutos e 
recursos
1. Chen, G.-H., van Loosdrecht, M.C.M., Ekama, G.A., Brdjanovic, D.
Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design.
IWA Publishing, 2nd edition, 2020.
2. Grady Jr., C.P.L., Daigger, G.T., Love, N.G., Filipe, C.D.M.
Biological wastewater treatment. CRC Press, 2011.
3. van Haandel, A., van der Lubbe, J. Handbook of Biological
Wastewater Treatment. Design and Optimisation of Activated
Sludge Systems. IWA Publishing, 2nd edition, 2012.
4. Von Sperling, M. Basic principles of wastewater treatment.
Biological Wastewater Treatment Series, IWA Publishing, 2007.
5. Dezotti, M., Lippel, G., Bassin, J.P. Advanced Biological Processes
for Wastewater Treatment. Emerging, Consolidated Technologies
and Introduction to Molecular Techniques. Springer, 2018.
Material bibliográfico
Aulas
• Sextas-feiras, das 9 às 12 hs
• Google meet: meet.google.com/pcr-xygn-mxm
• Avaliação:
• Trabalhos e listas de exercícios ao longo da disciplina (30%)
• Trabalho final envolvendo um estudo dirigido (70%)
• Dúvidas: E-mail
Introdução à biotecnologia ambiental
O que é biotecnologia ambiental?
Qual o seu objetivo?
• A biotecnologia ambiental é o ramo da biotecnologia que trata de
problemas ambientais, como a eliminação da poluição, geração de
energia renovável ou produção de biomassa, por meio da
exploração de processos biológicos
• Faz uso e aplica diferentes técnicas biológicas para prevenção
ou resolução/remediação de problemas de poluição ambiental
• Baseia-se no uso de microrganismos e seus produtos na
prevenção da poluição ambiental por meio do tratamento biológico
(biotratamento) de resíduos sólidos, líquidos e gasosos, e
biorremediação de ambientes poluídos
• Aplicação de processos biotecnológicos para a proteção e
restauração da qualidade do meio ambiente, revertendo a
degradação ambiental, combinados ou não com outras tecnologias
Biotecnologia ambiental
• O uso da biotecnologia para tratar problemas de poluição não é
uma ideia nova
• Certas bactérias se desenvolvem nos componentes químicos dos
produtos residuais (esgotos, efluentes, resíduos sólidos).
• Alguns microrganismos se alimentam de materiais tóxicos para
outros e geram produtos inofensivos ao meio ambiente.
A biotecnologia ambiental é vital no desenvolvimento de soluções 
eficazes para mitigar, prevenir e reverter os danos ambientais com a 
ajuda desses microrganismos
Complexas de microrganismos de 
ocorrência natural para o tratamento 
de esgoto há mais de um século
• Meio ambiente é ameaçado todos os dias pela atividades do
homem
• Aumento contínuo do uso de produtos químicos, energia e
recursos não renováveis por uma população global em expansão
→ agravamento dos problemas ambientais
• Resíduos sólidos, líquidos e gasosos podem ser modificados:
• Reciclagem ou processos de conversão → fazer novos
produtos
• Purificação → produto final seja menos prejudicial ao meio
ambiente.
Biotecnologia ambiental
• Substituir materiais e processos químicos por tecnologias
biológicas pode reduzir os danos ambientais.
Biotecnologia ambiental
Contribuição significativa para o desenvolvimento sustentável
Menor requisito de 
energia e produtos 
químicos
Menor geração de 
resíduos
Biodegradação de um 
amplo espectro de 
substâncias perigosas por 
organismos naturais em 
diversas condições
Disponibilidade de vários 
métodos biotecnológicos 
para degradação 
completa de resíduos
• A biotecnologia ambiental é um dos campos científicos de mais
rápido crescimento e mais úteis na prática da atualidade.
Pesquisas em genética, bioquímica e microrganismos exploráveis 
Rapidamente traduzida em tecnologias biotecnológicas disponíveis 
comercialmente para reverter e prevenir a deterioração do meio 
ambiente, tratando resíduos perigosos e controlando a poluição
Principais agentes biotecnológicos usados em
biotecnologia ambiental
• Bactérias
• Fungos
• Protozoários
• Algas
• Arqueas
Organismos mais relevantes na 
degradação de poluentes
Usados em tratamento de resíduos sólidos 
(compostagem) e biorremediação de solos
Usados na remoção de nutrientes quando 
expostos à luz
Digerem matéria orgânica, se alimentam de 
bactérias, mantendo a concentração 
bacteriana adequada
v
v
Aplicações da biotecnologia 
ambiental
• Biorremediação, biotratamento, biorecuperação, biorestauração
• Biorremediação se refere ao uso de microrganismos (na grande
maioria os que ocorrem naturalmente) para remover ou desintoxicar
poluentes (contaminantes de solos, água ou sedimentos) que
prejudicam a saúde humana e outros seres vivos, afetando todo o
ecossistema.
• Pode ser aplicada para remoção de poluentes antes de serem
introduzidos no meio ambiente ou para reverter os problemas de
poluição existentes
• A biorremediação pode ser realizada in situ ou ex situ (em
biorreatores).
Biodegradabilidade dos compostos pode ser medida pela taxa de formação 
de CO2 (taxa de mineralização), taxa de consumo de oxigênio (teste de 
respirometria), razão DBO/DQO (oxigênio usado para oxidação biológica ou 
química) e produtos intermediários de biodegradação
Tratamento biológico de águas residuárias
Tratamento de solo contaminado
Tratamento de ar e gases residuais 
Restauração da qualidade da água em 
reservatórios, lagos e rios
Restauração de aquíferos 
(água subterrânea)
• Tipo de tratamento biológico é baseado no tipo de microrganismos:
• Anaeróbios fermentativos
• Anaeróbios (respiração anaeróbia)
• Microaerofílicos
• Aeróbios (respiração aeróbia)
• Todos os tipos de tratamento biotecnológico de resíduos pode
ser intensificado empregando condições ótimas:
• Disponibilidade de contaminantes e nutrientes
• Condições ambientais como pH, temperatura, oxigênio dissolvido
• Adição de estirpes selecionadas → Bioaumentação → Acelera a
partida do biotratamento quando:
• os microrganismos necessários para a degradação de um poluente
específico não está presente
• taxa de degradação por microrganismos indígenas é insuficiente
para atingir os objetivos do tratamento
• necessário direcionar a biodegradação para a melhor rota
metabólica
Aplicações de enzimas (catalisadores biológicos)
• A disponibilidade limitada de recursos está mudando o foco de como
se trata os resíduos e águas residuárias na direção de recuperação de
recursos
• Processos biotecnológicos oferecem uma forma econômica e versátil
para concentrar e transformar recursos de resíduos/águas residuárias
em produtos com maior valor agregado → Economia baseada em Bio
(Bio-Based Economy)
• Tecnologias emergentes que permitem recuperação de recursos a
partir do tratamento de águas residuárias e outros resíduos
Nova geração de plantas de tratamento de águas residuárias e 
unidades de tratamento de resíduos impulsionadas por 
tecnologias de recuperação biológica
Busca da auto-sustentabilidade energética e recuperação de 
recursos
Geração de energia e subprodutos 
a partir de resíduos sólidos e líquidos
Tratamento
Matéria orgânica
Nutrientes
Efluente para reúso
BiometanoBiohidrogênio
Biopolímeros
Biossólidos
Compostos
removidos
Subprodutos
recuperados
Poluentes
• Bioenergia na forma de biohidrogênio (processos de foto-fermentação
e fermentação no escuro) e biogás (processo de digestão anaeróbia) →
Biocombustíveis
• Transformação de biomassa lipídica em biodiesel (organismos
oleaginosos que acumulam mais de 20% do seu peso seco como óleo; ex:
microalgas, fungos, levedura e bactérias) → Produção de biocombustíveis de
terceira geração e outros recursos a partir de biomassa residual
• Produção de biopolímeros de alto valor agregado (bioplástico - PHA) a
partir de ácidos orgânicos
• Recuperação de carbono e nutrientes pela produção de fertilizantes
orgânicos ou geração de proteína de célula única que podem ser
usados como alimento ou aditivo alimentar
• Oxidação-redução química e sistemas bioeletroquímicos podem permitir a
recuperação de produtos inorgânicos ou orgânicos além do
metabolismo microbiano natural
• Células combustíveis microbianas → Sistemas bioeletroquímicos que
produzem eletricidade a partir de águas residuárias
Esquema das linhas comuns de recuperação de recursos e energia em 
uma planta de tratamento de águas residuárias
• Exemplos de produtos que podem ser recuperados a partir
de águas residuárias
Tarefa
• Buscar na literatura outras formas de uso de processos biotecnológicos que
buscam a minimização da poluição ambiental com produção associada de
recursos/subprodutos de valor agregado