Resolvi inserir esse tópico sobre Respirometria, saindo um pouco da área de Química Analítica e tentando chamar a atenção para a importância de um olhar Multidisciplinar quando se está preocupado com a qualidade das Águas.
Incluí nesta seção alguns fundamentos teóricos sobre a técnica de Respirometria para o monitoramento da atividade biológica em sistemas de “Tratamento Biológico de Efluentes”.
A Respirometria é uma técnica relativamente simples de ser implementada mas que pode fornecer informações muito úteis sobre as condições operacionais de estações de tratamento de efluentes.
Mas apesar disso é uma técnica ainda pouco utilizada.
Mas afinal o que é “Respirometria”?
Respirometria pode ser definida como “a medição e interpretação da taxa de consumo de oxigênio por unidade de tempo e de volume”(Pinto SPSB, 2010).
Mas qual a aplicação da Respirometria no Tratamento Biológico de Efluentes?
Para responder a essa pergunta vamos fazer um breve resumo sobre Tratamento Biológico de Efluentes utilizando o artigo .(Fonte: The Biological Basis of Wastewater Treatment)
Dica
Organizamos mais algumas informações sobre Tratamento de Efluentes na seção: Efluentes - Como Tratar?.
Os efluentes vêm de duas fontes principais: esgoto sanitário (doméstico) e industrial.
Quando os efluentes são lançados, sem “tratamento”, diretamente no meio ambiente os corpos hídricos receptores ficam poluídos e tornam-se meios de disseminação de doenças de veiculação hídrica.
Os processos de tratamento (purificação) de efluentes são divididos em dois grandes grupos, “Biológicos” e “Físico-Químicos”.
A escolha do melhor método de tratamento, ou a combinação de ambos, vai depender de vários fatores, tais como: composição do efluente, recursos físicos e financeiros disponíveis e a composição final que se deseja atingir. (Fonte: http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/esgotos.pdf)
Os processos biológicos para o tratamento dos efluentes podem ser subdivididos em dois grandes tipos:
aeróbio - ocorre na presença de oxigênio e utilizam microrganismos aeróbios
anaeróbio - ocorre na ausência de oxigênio e utilizam microrganismos anaeróbios, gerando metano (CH4) e compostos inorgânicos como CO2, H2, H2S, e outros metabólitos.
O tratamento biológico de efluentes consiste basicamente no uso de tanques que contêm altas concentrações de bactérias, que ocorrem naturalmente no meio ambiente.
Essas bactérias, juntamente com protozoários e outros microrganismos formam o “Lodo” (“Biomassa”) dos sistemas de tratamento biológico.
O princípio do tratamento é muito simples. As bactérias “comem” (assimilam) as moléculas orgânicas pequenas presentes no esgoto. Como consequência as bactérias crescem e o efluente é purificado. O esgoto tratado, ou efluente, pode então ser lançado em um corpo hídrico receptor, normalmente um rio, lago ou mar.
O conceito é simples mas o controle do processo de tratamento é complexo, devido ao grande número de variáveis envolvidas.
Dentre estas variáveis podemos citar as modificações na composição da flora bacteriana dos tanques de tratamento, e as mudanças na composição do esgoto que entra no sistema de tratamento (afluente).
O afluente pode mostrar variações na vazão, na composição química, no pH e na temperatura. Muitos sistemas de tratamento também precisam estar preparados para lidar com os fluxos de águas pluviais que entram no sistema depois das chuvas.
Os sistemas de tratamento de efluentes precisam também estar preparados para lidar com substâncias químicas “persistentes” que as bactérias degradam “muito lentamente” (ou seja, com uma velocidade de degradação menor do que o tempo de residência do efluente no sistema de tratamento), e com produtos químicos tóxicos que inibem a atividade das bactérias presentes no Lodo Ativado.
Altas concentrações de produtos químicos tóxicos podem produzir um choque tóxico suficiente para matar as bactérias. Quando isso acontece, o sistema de tratamento deixa passar efluente não tratado diretamente para o meio ambiente, até que uma nova população tenha condição de se desenvolver e reiniciar o processo.
Nesse contexto, a técnica de Respirometria é uma ferramenta muito útil para o monitoramento desses eventos e para o adequado controle das condições operacionais de um sistema de tratamento biológico.
Dentre as tecnologias de tratamento biológico podemos citar: lodo tivado, filtro biológico (biomassa fixa), biorreatores a membrana (MBR), lagoa aerada e lagoas de estabilização.
A tecnologia de “Lodos Ativados” é uma tecnologia aeróbia que foi proposta em 1914 pelos pesquisadores ingleses Edward Ardern e W. Lockett e se tornou uma tecnologia muito utilizada em todo o mundo. (Fonte: www.iwa100as.org/history.php)
Agora vamos conhecer um pouco o “ambiente químico” onde esses processos usualmente acontecem, ou seja, os “Esgotos”.
O esgoto doméstico é composto em grande parte de carbono orgânico, aproximadamente 40% está em solução e o restante (~60%) está em suspensão, na forma de partículas suspensas.
Um pouco menos da metade da matéria carbonácea que está em suspensão é capaz de sedimentar em condições de repouso. Partículas de 1 nm a 100 μm permanecem em suspensão coloidal e se adsorvem aos flocos de lodo.
A maior parte da matéria orgânica, composta de proteínas, aminoácidos, carbohidratos, óleos e gorduras, e ácidos gordos, é rapidamente biodegradável.
No esgoto doméstico a razão entre Carbono, Nitrogênio e Fósforo (C:N:P) está, em média, na faixa de 100:17:5 a 100:19:6. Relativamento próximo da relação recomendada para o desenvolvimento dos microrganismos do lodo (100:5:1)(Marcos von Sperling, 2005).
Os efluentes industriais, por outro lado, têm uma composição muito mais variada dependendo do setor. Por exemplo a indústria de cerveja, papel e celulose gera um efluente com pouco nitrogênio e fosfato, e por isso é necessário adicionar esses nutrientes para obter uma relação de nutrientes adequada para o crescimento microbiano e o tratamento adequado do efluente.
Para o controle do processo de tratamento biológico é muito importante monitorar a “carga orgânica” do afluente.
Conforme descrito na seção anterior, Reações Redox em Água, existem três parâmetros analíticos que quantificam a “carga orgânica”: Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), Demanda Química de Oxigênio (DQO) e o Carbono Orgânico Total (COT).
O COT é medido pela oxidação da matéria carbonácea através da combustão em alta temperatura ou pela oxidação química e/ou fotoquímica (UV), e quantificação do CO2 liberado, o qual é expresso usualmente em miligramas de Carbono por litro (mgC/L).
A DQO é determinada pela reação de oxidação da matéria orgânica e inorgânica contida em uma amostra de efluente usando uma mistura fortemente oxidante contendo o íon dicromato. E é expressa como miligramas de Oxigênio por litro (mgO2/L).
E a DBO5 é a medida do consumo de O2 durante 5 dias em uma amostra do efluente inoculada com bactérias e incubada em temperatura controlada em frasco fechado na ausência de luz. Também é expressa como miligramas de Oxigênio por litro, assim como a DQO.
A DBO5 não é uma análise viável para o controle operacional de uma estação de tratamento de efluentes pois o resultado só é obtido após “5 dias”.
Tanto o COT como a DQO podem ser usadas para estimar a carga orgânica afluente em uma ETE (Estação de Tratamento de Esgoto). O único problema com a análise de DQO é a geração de um resíduo problemático contendo cromo, prata e mercúrio.
O COT inclui o teor de Carbono Orgânico oxidável e não oxidável pelas bactérias e a DQO inclui no seu resultado os compostos biodegradáveis e não biodegradáveis (recalcitrantes) presentes na amostra.
Portanto a DQO é geralmente maior do que a DBO por dois motivos:
Os microorganismos não são capazes de oxidar alguns dos compostos que são oxidados na análise de DQO
Alguns compostos são incorporados como biomassa microbiana e portanto não são oxidados. E a DBO quantifica o oxigênio consumido nos processos oxidativos.
Com relação ao Carbono Orgânico, os três parâmetros analíticos estão relacionados da seguinte forma:
Figura 45. Relação entre COT, DQO e DBO com relação às frações de Carbono Orgânico presentes no esgoto.
Em um sistema de Lodo Ativado as bactérias se organizam preferencialmente em “comunidades” de diferentes graus de complexidade, formando “flocos bacterianos” com dimensões que podem variar de 10 μm até 1000 μm (1 mm).
Figura 46. Micrografia de um floco bacteriano em um sistema de Lodo Ativado. As regiões escuras indicam altas concentrações de bactérias no interior do floco.(Fonte: The Biological Basis of Wastewater Treatment)
Os flocos são compostos por uma fração inorgânica e uma fração orgânica. E dependendo das condições operacionais, a fração inorgânica do lodo é composta por argilas, silt, areia e sais inorgânicos formados durante o tratamento biológico.
A fração orgânica é composta por microrganismos, substâncias orgânicas em suspensão e substâncias secretadas pelas bactérias e chamadas genericamente de EPS (Extracellular Polymeric Substance). O EPS é composto basicamente de polissacarídeos, proteínas, DNA extracelular dentre outras substâncias.
Essas frações (Inorgânica e Orgânica) podem ser determinadas de forma semiquantitativa pelo ensaio da Série de Sólidos.
O teor de Sólidos Suspensos Totais (SST) é uma medida da concentração total de lodo, e é obtida experimentalmente pela filtração da amostra através de membrana, com tamanho de poro de <=2 μm, seguida de secagem em estufa (103-105 °C), até peso constante, e pesagem.
Esses flocos possuem uma estrutura porosa e dependendo da sua resistência mecânica podem, ou não, suportar as forças de cisalhamento criadas pela movimentação da água durante a aeração dos tanques.
As bactérias se fixam na parte externa e interna do floco, e um floco de tamanho mediano pode conter milhões de bactérias.
Além das bactérias os flocos permitem a fixação de partículas em suspensão, partículas coloidais e moléculas grandes facilitando o contato das enzimas extracelulares com os substratos que serão “digeridos”.
A concentração de Oxigênio Dissolvido (OD) é menor no interior do que na superfície do floco porque o oxigênio precisa se difundir da superfície até o interior. Portanto dependendo da concentração de OD no meio externo podem existir condições anaeróbias no interior do floco favorecendo o crescimento das bactérias anaeróbias.
Um sistema de tratamento biológico é um ecossistema complexo formado por organismos pertencentes a diversos Reinos do Mundo Vivo.
Figura 47. Os 6 Reinos do Mundo Vivo.(Fonte: http://uoitbio2013.wordpress.com/taxonomy/kingdoms-and-domains/)
A superfície externa do floco é frequentemente colonizada por microrganismos de níveis tróficos superiores, incluindo “protozoários” e “rotíferos” que se alimentam das bactérias e material particulado no efluente.
Figura 48. Microrganismos comumente presentes no “ecossistema” de um floco.(Fonte: www.engitech.com/asm.htm)
10.1.2.2. Protozoários (Fonte: Water/Wastewater Courses)
Protozoário é uma palavra de origem grega que significa “animal primitivo”. São organismos unicelulares, eucarióticos [7] e heterotróficos, muitos dos quais apresentam mobilidade. Eles não têm uma parede celular, embora a membrana é frequentemente rodeada por uma película de protecção. Alguns protozoários podem produzir conchas de carbonato de cálcio ou de silício.
Os protozoários são importantes na água de abastecimento pois são os responsáveis por várias doenças transmitidas pela água. E colaboram no tratamento biológico de efluentes degradando a matéria orgânica.
Atenção
Sua classificação é controversa, mas para simplificar vamos citar o critério de classificação baseado na mobilidade.
Amebas: são protozoários que se movem através da formação de projeções do citoplasma, semelhantes a dedos, chamadas de “pseudópodos” (Grego, pseudo = falso; podos = pé). Os pseudópodos também podem ser usados para “engolir” (englobar) uma partícula alimentar num processo conhecido como “endocitose”, trazendo os alimentos para o interior da célula, onde podem ser digeridos. Embora a maioria das amebas são de vida livre, uma espécie é a causa da disenteria amebiana.
Figura 49. Ameba: gênero de protozoários que se locomovem com auxílio de “pseudópodos” (Fonte: http://water.me.vccs.edu/courses/ENV108/lesson2_3.htm)
Flagelados: são protozoários que se movem com o uso de “flagelos”. A Giárdia é um exemplo de flagelado encontrado em muitas águas naturais e que provoca a giardíase, quando ingerida.
Ciliados: são protozoários que usam o movimento de minúsculos pêlos, chamados de “cílios”, para impulsioná-los através da água. São normalmente encontrados em grandes números em águas naturais e no esgoto, onde eles atuam como predadores se alimentando de outros organismos menores como bactérias, algas e outros protozoários, e também detritos orgânicos. Algumas espécies são parasitas vivendo dentro dos seus hospedeiros.
Figura 51. Ilustração e microscopia eletrônica de um Paramécio, um protozoário ciliado típico com comprimento de 100-350 μm.(Fonte: www.sobiologia.com.br/conteudos/Reinos/Protista.phpWikipedia)
Esporozoários: última categoria de protozoários que deslizam ao longo de superfícies flexionando seus corpos. A célula de um esporozoário não possui flagelos, cílios ou pseudópodos. Todos os Esporozoários são parasitas, e se reproduzem por “corpos germinativos” chamados de esporos. O Plasmodium, que causa a malária, é um exemplo de um esporozoário.
Os fungos são organismos heterotróficos, uni ou multicelulares, que normalmente não podem se locomover. Possuem parede celular rígida que pode ser composta de celulose, glicanas, mananas ou quitina.
Embora alguns fungos vivem em água doce ou salgada, a maioria dos fungos são terrestres. Muitas espécies são “saprófitas” (decompositores) e outras são parasitas de animais ou plantas.
Assim como as bactérias, os fungos são fundamentais na reciclagem de matéria no planeta.
São aeróbios em sua grande maioria, mas alguns fungos anaeróbicos estritos e facultativos são conhecidos.
Participam ativamente nos processos de degradação em sistemas de tratamente de efluentes. E recentemente muitos estudos têm sido feitos com o uso de fungos na degradação de efluentes específicos: efluentes da indústria de castanha de caju, efluentes da indústria de corantes e efluentes contendo metais tóxicos dentre outros.
A classificação dos fungos é baseada principalmente nas estruturas reprodutivas formadas durante os ciclos de vida desses organismos. Sendo que todos os fungos aquáticos são classificados no grupo Mastigomycota (mastigo=flagelo; mycoya=fungo).
Comumente se usam vários nomes para se referir a grupos de fungos, mas estes agrupamentos se referem apenas à morfologia e não à classificação científica (taxonômica).
Leveduras são fungos unicelulares
Bolores são fungos filamentosos que consiste em várias células filamentosas conhecidas como hifas
Cogumelos são os corpos de frutificação de fungos filamentosos
Figura 52. Classificação geral de diferentes fungos com base na morfologia(Fonte: http://water.me.vccs.edu/courses/ENV108/changes/fungi.jpg)
O termo “alga” não tem valor taxonômico mas se refere a um grupo de organismos fotossintetizantes que possuem clorofila a, não possuem um talo diferenciado em raiz, caule e folhas, possuem hábitos aquáticos e são eucariontes heterotróficos, autotróficos ou mixotróficos.(Fonte: http://www.infoescola.com/biologia/algas/).
As algas formam um grupo distinto de organismos pela sua capacidade de fazer o seu próprio alimento através da fotossíntese e são distintos de plantas por sua relativa simplicidade estrutural. Não possuem vasos condutores de seiva, mas todas contêm o pigmento verde clorofila e os cloroplastos que são organelas essenciais para a fotossíntese.
Apesar de todas as algas conterem clorofila, existem também algas pardas, vermelhas e douradas. Isso se deve à presença de outros pigmentos que mascaram o verde da clorofila. As algas vermelhas ou rodofíceas (do grego “rhodos”=vermelho) possuem ficoeritrina, um pigmento vermelho, e ficocianina, um pigmento azul.(Fonte: http://www.klickeducacao.com.br.
Algumas apresentam tecidos difereniados, mas não possuem raízes, caules e folhas verdadeiras.
A classificação das algas se baseia em três critérios: (Fonte: http://www.klickeducacao.com.br)
pigmentos presentes no plasto
tipo de substância de reserva
componentes da parede celular
As algas podem ser unicelulares, e nesse caso são chamadas de “fitoplâncton”, ou multicelulares. As algas unicelulares são classificadas no reino Protista, mas existe uma polêmica sobre a classificação das algas multicelulares. Alguns autores incluem as algas “multicelulares” no reino das Plantas enquanto outros incluem no reito Protista[6].
As algas que são importantes para o tratamento da água são geralmente unicelulares. Todas as algas contêm uma parede celular rígida e algumas possuem também bainha (revestimento gelatinoso fino) do lado de fora da parede celular. Algas podem ser não-móveis, mas muitas são capazes de se mover através de um flagelo, e são conhecidas como flagelados (um termo baseado na morfologia ao invés da taxonomia).
A maioria das algas são aquáticas (água doce ou salgada), embora algumas vivem no solo ou na casca de árvores. Em águas naturais, as algas são uma importante fonte de alimento para outros organismos e por isso são a base da cadeia alimentar aquática. Elas também produzem oxigênio durante a fotossíntese, aumentando o teor de oxigênio dissolvido (OD) durante o dia.
Como as algas necessitam de luz para o seu crescimento, elas se localizam principalmente na superfície dos filtros biológicos e lagoas.
As algas podem se tornar um problema em águas com altas concentrações de nutrientes, principalmente fósforo. Nestes casos as algas (microscópicas ou macroscópicas) se reproduzem rapidamente causando aumento na turbidez, produzindo cores, odores e sabores nas águas. Esse fenômeno é conhecido por: eflorescência, florescência, floração ou bloom de algas.
Um dos principais parâmetros que é alterado durante o bloom de algas é a concentração de Oxigênio Dissolvido (OD). Durante o dia, a biomassa de algas produz tanto oxigênio que a água se torna supersaturada. E à noite, as algas consomem o OD na água levando a concentrações tão baixas que podem causar a morte de peixes e outros organismos que dependem do OD.
O florescimento de algas também pode aumentar significativamente o pH da água (9,5) devido ao consumo de CO2 durante a fotossíntese. Esse aumento do pH pode influenciar vários processos naturais que ocorrem na água.
O crescimento da biomassa de algas aumenta o consumo dos nutrientes que podem se esgotar e provocar a morte das algas. A grande quantidade de matéria orgânica liberada pela morte das algas favorece a reprodução de bactérias e o consequente consumo de OD, podendo tornar o meio anaeróbio.
A melhor alternativa para evitar o bloom de algas é limitar os níveis de nutrientes, principalmente nitrogênio e fósforo, nos efluentes lançados no corpor hídricos receptores.
Além dos microrganismos também existem alguns organismos multicelulares que são importantes nos sistemas de tratamento de efluentes. Vamos citar dois importantes organismos multicelulares: rotíferos e vermes.
Os rotíferos são animais multicelulares que podem ser encontrados em águas salgadas, salobras e doces, mas a maioria vive em água doce. Quando adultos são formados por um número fixo de células, entre 900 e 1000, e podem medir entre 0,04 e 2 mm de comprimento, pouco maiores do que os protozoários ciliados.
Os rotíferos podem ser identificados pela coroa (roda) de cílios que rodeiam a “boca” destes animais e que se movem rapidamente para captar as partículas de alimento para a sua “boca”.
Algumas espécies nadam livremente na água, mas outras são “sésseis”, agarrando-se a um substrato.
Os rotíferos são muito comuns em sistemas aeróbio de tratamento de efluentes, principalmente nas etapas finais do tratamento quando a maior parte da carga orgânica já foi degradada.
Desempenham um papel importante na clarificação dos efluentes pois são responsáveis pelo controle das comunidades microbiológicas através da predação de bactérias e protozoários, reduzindo a quantidade de partículas em suspensão.
O termo “verme” se refere a um grupo taxonômico obsoleto. Na classificação original de Lineu, ele designava verme como sendo todo invertebrado que não pertencia ao grupo dos artrópodes. É uma palavra que continua sendo usado informalmente, para todo animal alongado e/ou achatado, sem esqueleto interno ou externo, e sem membros. O grupo inclui uma grande variedade de animais que têm estes traços em comum, mas pertencem a filos completamente distintos. (Fonte: http://www.planetainvertebrados.com.br)
Atualmente, se entende como verme o animal com o corpo alongado e/ou achatado e sem esqueleto interno ou externo. Não possuem membros, embora possam ter apêndices reduzidos na superfície para a locomoção. Os dois tipos de vermes comumente encontrados na água são nematóides e platelmintos.
Nematóides ou Nematelmintos: podem ser distinguidos de outros vermes aquáticos pelo seu corpo cilíndrico e pelo seu movimento típico, em forma de S, que usam para se deslocar na água.
O tamanho é muito variável. Os nematóides que vivem no solo e nas águas, ditos de vida livre (comedores de algas, fungos e bactérias), bem como os que se especializaram em parasitar as plantas, ocorrendo principalmente associados às raízes destas, medem de 0,3 a 3,0 mm de comprimento; os que se especializaram no parasitismo de animais, vertebrados ou invertebrados, podem medir desde 0,3 mm até vários centímetros (cerca de 15, como na lombriga intestinal do homem, Ascaris lumbricoides), havendo alguns que chegam a atingir até 8 metros, como por exemplo a Placentonema gigantissima, parasito da baleia Cachalote.(Fonte: http://docentes.esalq.usp.br/sbn/nemata.htm)
Os nematóides aquáticos de vida livre se alimentam de bactérias, rotíferos e outros vermes e podem ser muito importantes no tratamento de efluentes. Nematóides são abundantes no lodo e são especialmente comuns em filtros de percolação. Eles ajudam a estabilizar o lodo, e controlam o crescimento de biofilme em filtros de percolação. Em geral, os nematóides apresentam uma razoável tolerância a poluição moderada.
Figura 56. Nematóides - filo de animais cilíndricos e alongados (Fonte: http://water.me.vccs.edu/courses/ENV108/lesson2_3.htm)
Platelmintos: são vermes com corpos achatados que deslizam ao longo de superfícies usando minúsculos cílios. Platelmintos são geralmente encontradas nas profundezas das lagoas. Variam em tamanho desde uma fração de milímetro até vários centímetros de comprimento. Alguns platelmintos vivem como parasitas, enquanto outros são de vida livre, alimentando-se principalmente de algas.
Figura 57. Planária - um plateminto típico que mede cerca de 1,5 cm de comprimento e podem ser encontradas em córregos, lagos e lugares úmidos. (Fonte: http://water.me.vccs.edu/courses/ENV108/lesson2_3.htm)
A disposição final dos resíduos dos sistemas de tratamento de água e esgoto representa um grande problema de âmbito mundial, por razões técnicas e econômicas. A disposição desses resíduos é uma operação complexa que geralmente ultrapassa os limites da estação e exige a interface com outras áreas de conhecimento. Sua gestão, normalmente representa 20 a 60 % dos custos operacionais de uma ETE/ETA. No Brasil a coleta de esgotos atende a 40,12% da população urbana. Do volume coletado, apenas 40% atualmente recebe tratamento adequado, gerando perspectivas significativas de crescimento e de geração de lodo. Grande parte deste resíduo até recentemente era lançada indiscriminadamente em rios. No entanto, com a evolução da legislação ambiental, as operadoras vêm sendo obrigadas a destinar adequadamente estes resíduos.(Fonte: Prosab)
E os vermes podem ser uma das possíveis alternativas para a redução do volume de lodo conforme os seguintes estudos: Sludge reduction by aquatic worms in wastewater treatment e Sludge reduction with a novel combined worm-reactor.
Nos sistemas de tratamento biológico de efluentes, aeróbio ou anaeróbio, existem ecossistemas complexos formados por organismos competitivos nos quais predominam as bactérias. Nos sistemas de lodo ativado a diversidade bacteriana pode chegar à ordem de 300 espécies diferentes.
As bactérias são microorganismos “procariontes” [7] e estão presentes em quase todos os nichos ecológicos da Biosfera, com capacidade para utilizar praticamente todos os tipos de compostos orgânicos como fonte de matéria e energia.
As bactérias “fotossintetizantes” utilizam a luz solar para produzir carbohidratos e todos os demais constituintes celulares, os quais servem como alimento para outras formas de vida.
Figura 58. Uma célula bacteriana típica, bacilo com flagelo. (Fonte: Jacquelyn G. Black e Laura J. Black, 2012)
Podem apresentar 4 tipos básicos de geometria, com tamanhos que variam em média de 0,5 a 2 μ:(Fonte: http://materiais.dbio.uevora.pt/jaraujo/biocel/celulas.procarioticas.htm
Os cocos (coccus, cocci) são relativamente esféricos e formam, frequentemente, agrupamentos (esfilococos, em forma de cacho de uvas; estreptococos, em cadeia linear; sarcinas, em grupos compactos de oito; os diplococos (grupos de dois);
Os bacilos (bacillus, bacilli) são ligeiramente alongados, com extremidades hemisféricas, podendo dispor ou não de flagelos;
Os vibriões (vibrio) são encurvados, em forma de arco ou de vírgula, com um flagelo numa das extremidades;
As espiroquetas são alongadas e helicoidais, podendo dispor de vários flagelos.
Existem também as bactérias “filamentosas” que, em grande número, podem provocar o fenômeno de “Bulking Filamentoso” e comprometer o desempenho dos sistemas de lodo ativado.
As bactérias filamentosas compreendem longas cadeias de pequenas células bacterianas, cada qual com a sua própria membrana celular, e podendo atingir comprimentos de 100 μm.
Uma célula bacteriana é delimitada, na parte externa, por uma membrana que regula o fluxo de íons e moléculas entre o citoplasma e o meio externo. Além da membrana celular, elas possuem também uma parede celular rígida, formada por uma estrutura reticulada de peptideoglicanos.
Na parte mais externa existe ainda a “cápsula”, uma camada de substância gelatinosa que serve para fixação em superfícies e também como proteção.
O citoplasma, contido pela membrana e parede celular, é um fluido aquoso amorfo no qual se encontra uma grande variedade de substâncias dissolvidas ou em suspensão: enzimas, íons, ribossomos, plasmídeos e grânulos de armazenamento.
É também no citoplasma que se encontra uma massa fibrosa chamada de “nucleóide” que é composto de DNA densamente empacotado, associado com RNA e proteínas.
São unicelulares em sua grande maioria (a exceção é a Magnetoglobus multicellularis) mas podem se associar em colônias formando “Biofilmes” [8]
A forma mais comum de reprodução é assexuadamente por fissão binária.(Fonte: Wikipedia).
Algumas bactérias possuem na superfície da parede celular estruturas chamadas de “fímbrias”. Há dois tipos de “fímbrias”, as mais curtas auxiliam na fixação das bactérias em superfícies e a mais longa e oca (também chamada de “pili”) é usada para a troca de material genético durante a “conjugação” entre duas bactérias.
Uma bactéria é um sistema que necessita, para o seu normal funcionamento realizar trocas de matéria com o meio externo. A matéria assimilada é usada para criar novas estruturas celulares (biomassa) e para a produção de energia.
A entrada e a saída de matéria através da membrana (barreira física seletiva) depende de diferentes mecanismos com diversos níveis de complexidade e diferentes demandas de energia.
Algumas moléculas como a água, CO2 e O2 transitam com facilidade através de mecanismos de difusão, mas outras moléculas, maiores e com diferentes graus de solubilidade, dependem de mecanismos específicos.
As espécies com capacidade de produzir as enzimas necessárias para metabolizar uma nova fonte de alimento se multiplicam mais rapidamente em relação às demais espécies. Este processo é conhecido como Adaptação ou Aclimatação.
Como em todos os ecossistemas, os organismos constituintes estão em um estado de Equilíbrio Dinâmico (Steady State), ou seja, a espécie bacteriana dominante pode ser substituída por uma outra espécie, em apenas um dia, dependendo das modificações no meio (Ex: composição do efluente, temperatura).
Metabolismo é a soma de todos os processos químicos realizados pelos organismos vivos. Esses processos podem ser divididos em 2 tipos:
anabolismo - todas as reações que necessitam de energia para sintetizar moléculas complexas a partir de moléculas mais simples
catabolismo - todas as reações que liberam energia pela quebra de moléculas complexas em outras mais simples
Figura 59. Metabolismo, a soma dos processos anabólicos e catabólicos.(Adaptado de Jacquelyn G. Black e Laura J. Black, 2012)
O anabolismo, também chamado de biossíntese, é necessário para o crescimento, reprodução e reparação das estruturas celulares. Enquanto que o catabolismo fornece energia para os processos vitais, mobilidade, transporte e síntese de moléculas mais complexas.
Ou seja, anabolismo e catabolismo são processos complementares, e simultâneos, que garantem a manutenção dos processos vitais na célula.
Os processos catabólicos capturam e armazenam energia para uso posterior pela célula. E os processos anabólicos formam estruturas celulares, enzimas e outras moléculas que controlam o funcionamento da célula.
Esses processos utilizam “blocos moleculares de construção” (building blocks) tais como:
açúcares - para a produção de carbohidratos
glicerol e ácidos graxos - para a produção de lipídeos
amino ácidos - para a produção de proteínas
nucleotídeos - para a produção de ácidos nucleicos
Essas moléculas com uma estrutura intermediária são combinadas para a síntese de estruturas mais complexas:
glicolipídeos - carbohidratos + lipídeos
glicoproteínas - carbohidratos + proteínas
lipoproteínas - lipídeos + proteínas
nucleoproteínas - ácidos nucleicos + proteínas
Figura 60. Diagrama simplificado do metabolismo indicando a variação relativa da complexidade molecular. (Adpatado de Cowan, M. Kelly., 2011)
A energia liberada nas reações catabólicas é armazenada nas ligações das moléculas de ATP e posteriormente liberada para as reações anabólicas de síntese. Portanto as moléculas de ATP fazem o “acoplamento” entre os processos catabólicos e anabólicos.
O metabolismo dispõe de mecanismos de controle para reduzir ou interromper um determinado processo bem como controlar o armazenamento do excesso de nutrientes.
Nota
Os processos metabólicos são intrincados e complexos e ao mesmo tempo elegantes e eficientes.
Os diversos microorganismos são muito versáteis quanto às diferentes fontes de Carbono e de Energia que utilizam para atender aos seus requisitos nutricionais.
E com base diferentes fontes de Carbono e de Energia que utilizam podem ser classificados em:
Quimio-heterotróficos: utilizam “Energia Química” como fonte de energia e “Compostos Orgânicos” como fonte de carbono.
A “Energia Química” é obtida a partir de reações de oxiredução de compostos inorgânicos e orgânicos.
Quimioautotróficos: utilizam “Energia Química” como fonte de energia e “CO2” como fonte de carbono.
Foto-heterotróficos: utilizam “Luz” como fonte de energia e “Compostos Orgânicos” como fonte de carbono.
Fotoautotróficos: utilizam “Luz” como fonte de energia e “CO2” como fonte de carbono.
Figura 61. Classificação nutricional dos organismos quanto às fontes de energia e fontes de carbono para os processos metabólicos. (Fonte: Tortora, Funke & Case)
Mas as reações químicas envolvidas nos processos metabólicos não poderiam ocorrer sem a participação de um grupo especial de proteínas chamadas de Enzimas.
Nota
Devido à grande energia de algumas moléculas, na ausência das enzimas, as reações metabólicas levariam muito tempo para acontecer (cinética lenta). Para se ter uma idéia, a enzima urease acelera a velocidade de quebra da uréia por um fator de “100 trillhões”!
Por isso as enzimas são tão importantes para os processos vitais.
Em uma reação química os reagentes são convertidos nos produtos pela quebra ou formação de ligações. Mas para que uma reação ocorra é necessário que a “colisão” entre os reagentes tenha uma orientação geométrica adequada e também uma quantidade de energia suficiente para que a quebra e/ou formação de uma nova ligação oconteça. Essa “quantidade mínima de energia” em uma colisão é chamada de Energia de Ativação.
Quando essas condições são atendidas (geometria adequada e energia suficiente) forma-se um “estado intermediário” que ainda não é produto mas também não é mais reagente. Este “estado intermediário” também é chamado de complexo ativado ou estado de transição.
Mas a Energia de Ativação pode ser reduzida pela ação de um Catalisador.
Figura 64. Diagrama de energia para a reação de decomposição do HI na ausência e na presença de um Catalisador (Fonte: Steven L. Hoenig)
Catalisador é uma substância que acelera a velocidade de uma reação sem ser consumida ou quimicamente modificada. O catalisador participa da reação fornecendo uma rota alternativa para a formação dos produtos.
A reação catalizada tem uma energia de ativação menor e nessas condições exite um percentual maior de moléculas com energia suficiente para reagir e por isso a velocidade da reação é alterada.
O uso do catalisador permite o aumento da velocidade da reação sem o aumento da temperatura.
O catalisador pode ser:
homogêneo - quando o catalisador e os reagentes estão na mesma fase, formando um intermediário reativo
heterogêneo - quando catalisador e reagentes estão em fases diferentes (Ex: reagentes líquidos e catalisador sólido). Neste caso os reagentes se adsorvem na superfície do catalisador para a reação ocorrer.
As Enzimas são, portanto, catalisadores biológicos fundamentais para o funcionamento do maquinário bioquímico que sustenta a vida no plano físico.
As enzimas formam uma classe especial de proteínas que ao reduzirem a energia de ativação das várias reações que fazem parte dos processos bioquímicos permitem que essas mesmas reações aconteçam em condições brandas de temperatura.
Como a maioria da enzimas são proteínas [9] vamos ver como é a estrutura das proteínas.
As proteínas possuem vários níveis estruturais.
A “estrutura primária” consiste na sequência dos aminoácidos que formam a cadeia polipeptídica.
A “estrutura secundária” de uma proteína é formada pelas dobras ou enrolamento das cadeia de aminoácidos seguindo um padrão específico (Ex: hélice).
A A “estrutura terciária” é formada pela flexão ou dobra da “estrutura secundária” formando estruturas globulares ou fibrosas.
Figura 65. Três níveis de estrutura da proteína. A “estrutura primária” é a seqüência de aminoácidos (A1, A2, etc) em uma cadeia polipeptídica, e pode ser visualizada como o cabo de telefone esticado. Essa cadeia de aminoácidos, especialmente nas proteínas estruturais, tendem a se enrolar ou dobrar em alguns padrões simples, regulares e tridimensionais chamados de “estrutura secundária”. A “estrutura secundária” pode ser visualizada como o cabo do telefone em uma espiral. Além disso as “estruturas secundárias” tendem a dobrar-se em formas complexas, globulares, que constituem a “estrutura terciária” assim como o cabo telefônico emaranhado. (Fonte: Jacquelyn G. Black e Laura J. Black, 2012)
Algumas proteínas grandes, tais como a hemoglobina também apresentam uma “estrutura quaternária” formada pela associação de várias estruturas terciárias.
Estruturas terciárias e quaternárias são mantidas por ligações dissulfureto, ligações de hidrogénio e outras forças entre os grupos R dos aminoácidos. As formas tridimensionais de moléculas de proteína e a natureza dos sítios em que se podem ligar outras moléculas que lhes são extremamente importantes na determinação de como funcionam as proteínas nos organismos vivos. http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/cfb/enzymes.htm http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/cfb/proteins.htm http://www.johnkyrk.com/er.htmlAs bactérias transferem aproximadamente 40% da energia contida em uma molécula de glicose para moléculas de ATP durante o metabolismo aeróbico e apenas 5% durante os processos de fermentação anaeróbia. Os
[6] Com as novos conhecimentos da Biologia Molecular a divisão dos organismos vivos tem sofrido constantes revisões. O reino Protista, por exemplo, que originalmente incluía apenas organismos unicelulares atualmente também inclui organismos pluricelulares.
[7] Todas as células vivas podem ser classificados em dois grandes grupos:
procariota (ou procarionte) - das palavras gregas pro (antes) e karyon (núcleo)
eucariota (ou eucarionte) - do Grego eu (verdadeiro) e karyon (núcleo)
As células procariotas não possuem um núcleo e outras estruturas com paredes de membrana, enquanto que as células eucarióticas possuem tais estruturas.
Fazem parte do grupo dos procariontes as Bactérias e as Arquéias.
Nas células eucarióticas, o DNA está localizado em um núcleo envolvido por uma membrana, mas nas células procarióticas, o DNA se localiza em uma região chamada nucleóide que não está delimitada por uma membrana.
[8] Os biofilmes são comunidades de microorganismos que se formam em superfícies nas quais os microorganismos, bactérias na sua maioria, formam um verdadeiro ecossistema altamente organizado e eficiente.
Elas se fixam no substrato com o auxílio de substâncias secretadas por elas e chamada genericamente de EPS (Extracellular Polymeric Substance). O EPS é composto basicamente de polissacarídeos, proteínas, DNA extracelular dentre outras substâncias.
Esses biofilmes oferecem várias vantagens para os microorganismos pois oferecem uma proteção contra as adversidades do meio e nos quais se estabelecem relações simbióticas entre as bactérias garantindo melhores condições de sobrevivência.
Os biofilmes são úteis na formação da biomassa nos sistemas de tratamento biológico, mas são um problema nos sistemas de estocagem e transporte de água tratada para abastecimento. Também desempenham um papel importante nos processos corrosivos catalisados por bactérias (biocorrosão).
Mais informações: http://microbiologiabrasil.blogspot.com.br/2008/12/formao-do-biofilme-bacteriano.html.
[9] Até cerca de 20 anos atrás, todas as enzimas conhecidas eram proteínas. Mas descobriu-se que algumas moléculas de RNA podem atuar como enzimas; isto é, catalisar alterações covalentes na estrutura dos substratos (a maioria dos quais são também moléculas de RNA). Moléculas de RNA catalíticas são chamadas de “Ribozimas”.(Fonte: http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/R/Ribozymes.html