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Universidade Federal do Tocantins Câmpus de Gurupi Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal GILSON ARAUJO DE FREITAS ATIVAÇÃO MICROBIANA EM COMPOSTAGEM DE RESÍDUO RUMINAL BOVINO GURUPI - TO 2016

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Universidade Federal do Tocantins

Câmpus de Gurupi Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal

GILSON ARAUJO DE FREITAS

ATIVAÇÃO MICROBIANA EM COMPOSTAGEM DE RESÍDUO RUMINAL BOVINO

GURUPI - TO 2016

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Universidade Federal do Tocantins

Câmpus de Gurupi Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal

GILSON ARAUJO DE FREITAS

ATIVAÇÃO MICROBIANA EM COMPOSTAGEM DE RESÍDUO

RUMINAL BOVINO

Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Produção Vegetal da Universidade Federal do Tocantins como parte dos requisitos para a obtenção do título de Doutor em Produção Vegetal.

Orientador: Prof. Dr. Rubens Ribeiro da Silva

Co-orientador: Prof. Dr. Alex Fernando de Almeida

GURUPI - TO 2016

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca da Universidade Federal do Tocantins

Campus Universitário de Gurupi

F866a Freitas, Gilson Araujo de Ativação microbiana em compostagem de resíduo ruminal bovino /

Gilson Araujo de Freitas - Gurupi, 2016. 88f.

Tese de Doutorado – Universidade Federal do Tocantins, Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal, 2016. Linha de pesquisa: Manejo do Solo e Água. Orientador: Prof. Dr. Rubens Ribeiro da Silva.

1. fungos celulolíticos. 2. resíduo ruminal bovino. 3. farinha de carne e osso. 4. cultura mista. I. Silva, Rubens Ribeiro da II. Universidade Federal do Tocantins. III. Título.

CDD 635

TODOS OS DIREITOS RESERVADOS – A reprodução total ou parcial, de qualquer forma ou por qualquer meio deste documento é autorizado desde que citada a fonte. A violação dos direitos do autor (Lei nº 9.610/98) é crime estabelecido pelo artigo 184 do Código Penal.

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Universidade Federal do Tocantins Câmpus de Gurupi Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal

Defesa nº 4

ATA DA DEFESA PÚBLICA DA TESE DE DOUTORADO DE GILSON ARAUJO DE FREITAS, DISCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM PRODUÇÃO

VEGETAL DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO TOCANTINS

Aos 28 dias do mês de março do ano de 2016, às 8:00 horas, na Sala 15 do Bloco BALA II, reuniu-se a Comissão Examinadora da Defesa Pública, composta pelos seguintes membros: Prof. Orientador Dr.Rubens Ribeiro da Silva do Câmpus Universitário de Gurupi/ Universidade Federal do Tocantins, Prof. Dr. Alex Fernando de Almeida do Câmpus Universitário de Gurupi/ Universidade Federal do Tocantins, Prof. Dr. Rodrigo Ribeiro Fidelis do Câmpus Universitário de Gurupi/ Universidade Federal do Tocantins, Prof. Dr. Aloísio Freitas Chagas Júnior do Câmpus Universitário de Gurupi/ Universidade Federal do Tocantins, Prof. Dr. Antônio Clementino dos Santos do Câmpus Universitário de Araguaína/ Universidade Federal do Tocantins, sob a presidência do primeiro, a fim de proceder a arguição pública da TESE DE DOUTORADO de GILSON ARAUJO DE FREITAS , intitulada

" Ativação microbiana em compostagem de resíduo ruminal bovino ". Após a

exposição, o discente foi arguido oralmente pelos membros da Comissão Examinadora, tendo parecer favorável à aprovação, habilitando-o ao título de Doutor em Produção Vegetal. Nada mais havendo, foi lavrada a presente ata, que, após lida e aprovada, foi assinada pelos membros da Comissão Examinadora.

Dr. Alex Fernando de Almeida

Primeiro examinador

Dr. Rodrigo Ribeiro Fidelis

Segundo examinador

Dr. Aloísio Freitas Chagas Júnior Terceiro examinador

Dr. Antônio Clementino dos Santos Quarto examinador

Dr. Rubens Ribeiro da Silva

Universidade Federal do Tocantins Orientador e presidente da banca examinadora

Gurupi, 28 de março de 2016.

Dr. Rodrigo Ribeiro Fidelis

Coordenador do Programa de Pós-graduação em Produção Vegetal

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DEDICATÓRIA

Dedico esta Tese de Doutorado a Deus Pai, Filho e Espírito Santo, à minha

esposa Miréia Aparecida Bezerra Pereira de Freitas, à minha filha Isabela Bezerra

de Freitas e aos meus pais Raimundo Nonato de Freitas e Maria Antônia de Araujo.

Salmos 126

1 Quando o SENHOR trouxe do cativeiro os que voltaram a Sião, estávamos

como os que sonham.

2 Então a nossa boca se encheu de riso e a nossa língua de cântico; então

se dizia entre as nações: Grandes coisas fez o Senhor a estes.

3 Grandes coisas fez o Senhor por nós, pelas quais estamos alegres.

5 Os que semeiam em lágrimas segarão com alegria.

6 Aquele que leva a preciosa semente, andando e chorando, voltará, sem

dúvida, com alegria, trazendo consigo os seus molhos.

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AGRADECIMENTOS

À DEUS, o criador do céu e da terra, que conduz minha vida com infinita

bondade e amor;

Ao meu orientador Rubens Ribeiro da Silva, que é o responsável pela minha

permanência na pesquisa, pela amizade, agradável convívio e paciência em todos

os momentos. Pela confiança, apoio, ajuda e ensinamentos durante a minha vida

acadêmica e que servirão para a minha vida profissional. A você, meus sinceros

agradecimentos!

Ao meu co-orientador Alex Fernando de Oliveira, pela atenção dispensada,

apoio, ajuda e valiosas sugestões neste trabalho;

À banca examinadora composta pelos professores Rodrigo Ribeiro Fidelis,

Aloísio Freitas Chagas Júnior e Antônio Clementino dos Santos, por prontamente

aceitar ao convite;

À Universidade Federal do Tocantins, pela oportunidade para a realização

do curso e por minha formação profissional;

Ao Programa de Pós-Graduação em Produção Vegetal da UFT de Gurupi,

pelo apoio institucional. À secretária da Pós-Graduação Érika;

Ao CNPq, pela concessão da bolsa de estudos;

Ao Laboratório de Microbiologia na pessoa do professor Aloísio Freitas

Chagas Júnior e ao Laboratório de Análise de Alimentos e Purificação dos

Bioprodutos na pessoa do professor Alex Fernando de Oliveira;

Aos meus pais Raimundo Nonato de Freitas e Maria Antônia de Araújo, que

com muito amor se empenharam para que eu alcançasse meus objetivos. Aos meus

irmãos James, Mayane, Dayane, Jailson e João;

À minha esposa, Miréia Aparecida, agradeço pelo companheirismo,

paciência e carinho. Que contribuiu tanto neste trabalho, você sabe disso, eu só

tenho a agradecer a Deus pela sua vida, que você continue sendo essa pessoa tão

amável.

Aos colegas do grupo de pesquisa, Antônio Carlos, Jefferson, Rubson,

Álvaro, Paulo, Moisés, Ângela, Andrei, Mohamede, Bruno, pela ajuda na condução

deste trabalho;

Aos técnicos do laboratório de solos Túlio Teixeira e Ângela pelo apoio.

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RESUMO GERAL

O estudo foi dividido em três capítulos, dos quais o primeiro é uma revisão de literatura sobre fungos com potencial celulolítico, metodologias para isolamento, triagem e desenvolvimento de inóculo. Aborda os fungos com potencial de degradação da celulose, como os gêneros Aspergillus e Trichoderma, bem como os procedimentos para o isolamento, purificação e triagem dos fungos com potencial celulolítico e de suas respectivas atividades enzimáticas. O segundo capítulo objetivou avaliar efeito ativador da farinha de carne e osso na sucessão microbiana e decomposição de resíduo ruminal bovino. Os tratamentos foram obtidos em um arranjo fatorial (4 x 6), sendo o fator um composto por quatro épocas sucessionais de amostragens ao longo do processo de compostagem, aos 7, 21, 39 e 62 dias e o fator dois por seis doses de farinha de carne e osso (FCO). Durante o processo de compostagem foram isoladas e purificadas 263 bactérias e 116 fungos. O efeito ativador pelo uso de doses crescentes da FCO a partir dos 39 dias passa a ser significativamente positivo em função do aumento das doses de FCO e também indicaram aumento na degradação do resíduo ruminal bovino com a alteração nos indicadores temperatura, umidade, açúcares redutores totais, condutividade elétrica, pH e proteína. O terceiro capítulo teve como objetivo avaliar a compatibilidade de cultura mista de fungos celulolíticos para bioconversão de resíduos ruminal em pilhas de compostagem. A triagem dos fungos celulolíticos aos 7, 21, 39 e 62 dias foi realizada em meio de Vogel, suplementado com 1% da fonte de carbono carboximetilcelulose e os isolados com potencial enzimático foram testados em cultivos submersos para a produção das enzimas FPase, endoglicanase, exoglicanase e xilanase. Os fungos com as maiores produções enzimáticas foram testados em cultura mista por fermentação em estado sólido. Dos 116 fungos isolados ao longo da compostagem, 41% apresentaram halo indicador da degradação da carboximetilcelulose. A triagem desses fungos revelou que 50% dos maiores índices enzimáticos e 78,12% dos halos de degradação foram obtidos aos 7 dias. Os fungos (1T5501 - 0,203 U ml-1), (1T5501 - 42,563 U mL-1) e (2T5501 - 20,122 U mL-1) apresentam potencial para produção das enzimas FPase,

endoglucanase e xilanase e quando em cultura mista, ocorrem interações mutualísticas em três combinações. Diante disso, o enriquecimento do resíduo ruminal com a farinha de carne e osso potencializa a decomposição e a sucessão microbiana e a obtenção de combinações mutualísticas de fungos celulolíticos o que tornar-se possível fonte de inóculo para futuros processos de compostagem.

Palavras-chave: fungos celulolíticos; biotransformação; farinha de carne e osso; cultura mista.

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GENERAL ABSTRACT

The study was divided into three sections, the first of which is a review of literature on lifting with cellulolytic fungi potential methodologies for the isolation, screening and development of inoculum. Addresses fungi with pulp degradation potential as the genera Aspergillus and Trichoderma, as well as procedures for isolation, purification and screening of cellulolytic fungi with potential and their respective enzymatic activities. The second chapter aimed to evaluate activating effect of meat and bone meal in microbial succession and decomposition of bovine rumen waste. The treatments were obtained in a factorial arrangement (4 x 6), the one factor comprises four successional sampling dates over the composting process, after 7, 21, 39 and 62 days and the two factor of six flour doses meat and bone (FCO). During the composting process were isolated and purified 263 and 116 bacteria fungi. The activating effect by using increasing doses of FCO from 39 days happens to be significantly positive in terms of increased FCO doses and also indicated an increase in the degradation of rumen bovine residue with the change in indicators temperature, humidity, total reducing sugars , electrical conductivity, pH and protein. The third chapter aimed to evaluate the mixed culture compatibility cellulolytic fungi for bioconversion rumen waste in compost piles. The screening of cellulolytic fungi at 7, 21, 39 and 62 days was conducted in the middle of Vogel, supplemented with 1% carboxymethylcellulose carbon source and isolated by enzymatic potential were tested in submerged culture for the production of FPase enzymes, endoglucanase, exoglicanase and xylanase. Fungi with the highest enzyme productions were tested in mixed culture by solid state fermentation. Of the 116 fungi isolated over compost, 41% showed halo indicator of carboxymethyl cellulose degradation. The screening of these fungi showed that 50% of the largest indices and 78.12% enzymatic degradation halos were obtained after 7 days. Fungi (1T5501 - 0.203 U ml-1) (1T5501 - 42.563 U mL-1) and (2T5501 - 20.122 U mL-1) have potential for the production of FPase enzymes, endoglucanase and xylanase and when in mixed culture, mutualistic interactions occur in three combinations. Thus, the enrichment of ruminal residue with meat and bone meal enhances decomposition and microbial succession and achieving mutualistic combinations of cellulolytic fungi which become possible source of inoculum for future composting processes. Key words: cellulolytic fungi; biotransformation; meat and bone meal; mixed culture.

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SUMÁRIO

Introdução Geral......................................................................................................15

Capítulo 1 - Fungos com potencial celulolítico, metodologias para isolamento,

triagem e desenvolvimento de inóculo: revisão...................................................18

Resumo................................................................................................................18

Abstract................................................................................................................18

1. Introdução.....................................................................................................19

2. Fungos celulolíticos......................................................................................20

3. Isolamento e triagem de fungos com potencial celulolítico.....................27

3.1. Isolamento de microrganismos celulolíticos ........................................27

3.2. Triagem de microrganismos celulolíticos .............................................28

3.3. Avaliação da produção da atividade celulolítica...................................29

3.4. Cálculo do índice enzimático (IE).........................................................29

3.5. Determinação do potencial enzimático................................................29

3.6. Avaliação da atividade enzimática em fermentação submersa...........30

3.7. Avaliação da atividade enzimática por fermentação estado

sólido...............................................................................................................31

3.8. Atividade de celulases totais (FPase)..................................................31

3.9. Atividade de endoglicanase, exoglicanase e xilanase.........................31

3.10. Microrganismos celulolíticos como fonte de inóculo.............................32

4. Considerações finais.....................................................................................33

5. Referências Bibliográficas ..........................................................................33

Capítulo 2 - Efeito ativador da farinha de carne e osso na sucessão microbiana

e decomposição de resíduo ruminal bovino.........................................................40

Resumo .............................................................................................................40

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Abstract..............................................................................................................40

1. Introdução............................................................................................41

2. Material e Métodos..............................................................................42

2.1 Caracterização do experimento...........................................................42

2.2 Características físico-química da biomassa.........................................43

2.3. Dinâmica físico-química no processo de compostagem do resíduo

ruminal...............................................................................................................44

2.4. Dinâmica microbiana do processo de compostagem do conteúdo

ruminal...........................................................................................................45

2.5 Estatística................................................................................................46

3. Resultados e Discussão.....................................................................46

3.1. Dinâmica físico-química no processo de compostagem do resíduo

ruminal...............................................................................................................46

3.2. Dinâmica microbiana do processo de compostagem do conteúdo

ruminal...............................................................................................................52

3.2.1. Número de colônias........................................................52

3.2.2. Diversidade de colônias..................................................55

4. Conclusões..........................................................................................58

5. Referências..........................................................................................58

Capítulo 3 - Compatibilidade de cultura mista com fungos celulolíticos para

degradação de resíduo ruminal em pilhas de compostagem..............................64

Resumo...............................................................................................................64

Abstract…………………………………………………………...............................64

1. Introdução......................................................................................................65

2. Material e Métodos.........................................................................................67

2.1 Seleção de Microrganismos Produtores de Enzimas Extracelulares....67

2.2. Isolamento dos microrganismos...........................................................68

2.3. 1ª Triagem: microrganismos celulolíticos..............................................68

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2.4. Seleção de fungos filamentosos celulolíticos.......................................69

2.4.1. 2ª Triagem: cultivo submerso.........................................69

2.5. Análise enzimática................................................................................69

2.5.1. Atividade de celulases totais (FPase).............................69

2.5.2. Atividade de endoglucanase, exoglucanase e

xilanase.............................................................................................70

2.5.3. Desenvolvimento de cultura mista..................................70

2.5.4. Desenho experimental para os testes de

compatibilidade.................................................................................71

2.5.5. Teste de compatibilidade entre fungos filamentosos em

cultivos em estado sólido..................................................................72

2.6 Estatística..............................................................................................72

3. Resultados e Discussão..............................................................................72

3.1. Etapa 1: Seleção de microrganismos produtores de enzimas

extracelulares..................................................................................................72

3.2. Etapa 2: Seleção de fungos celulolíticos em cultivo submerso..........74

3.3. Desenvolvimento de cultura mista para produção de enzimas............76

3.4. Cultivo de fungos filamentosos em conteúdo ruminal bovino..............80

4. Conclusões.........................................................................................82

5. Referências.........................................................................................82

Considerações finais...............................................................................................87

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LISTA DE TABELAS

Capitulo 3 - Compatibilidade de cultura mista com fungos celulolíticos para

degradação de resíduo ruminal em pilhas de compostagem

Tabela 1. Modelos de interação entre fungos filamentosos. Gurupi – TO,

2016............................................................................................................................70

Tabela 2. Atividade celulase de fungos filamentosos isolados da compostagem de

resíduos de frigorifico, cultivados em meios sintéticos com carboximetilcelulose por 5

dias a 30°C. Gurupi – TO, 2016.................................................................................73

Tabela 3. Produção de FPase, endoglicanase, exoglicanase e xilanase por fungos

filamentosos provenientes de conteúdo ruminal bovino em fonte de carbono farelo

de trigo. Gurupi – TO, 2016........................................................................................75

Tabela 4. Tipos de interações entre quatro fungos obtidos pra FPase e entre quatro

fungos obtidos pra xilanase em meio BDA. Gurupi – TO, 2016.................................77

Tabela 5. Tipos de interação entre fungos FPase x xilanase em meio BDA. Gurupi –

TO, 2016.....................................................................................................................78

Tabela 6. Diâmetro máximo das colônias de fungos com interações mutualísticas no

2º e 6º dia. Gurupi – TO, 2016...................................................................................79

Tabela 7. Produção de FPase e xilanase por fungos filamentosos em substrato de

conteúdo ruminal bovino enriquecido com farinha de carne e osso. Gurupi – TO,

2016............................................................................................................................81

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LISTA DE FIGURAS

Capítulo 1- Fungos com potencial celulolítico, metodologias para isolamento,

triagem e desenvolvimento de inóculo: revisão

Figura 1. Estrutura da parede celular vegetal...........................................................20

Figura 2. Representação esquemática de alongamento e ramificação das hifas em

resíduos .....................................................................................................................21

Figura 3. Representação da estrutura linear da celulose, formada pelas unidades de

celobiose....................................................................................................................22

Figura 4. Micrografia eletrônica do Trichoderma reesei............................................23

Figura 5. Micrografia eletrônica do Aspergillus Níger.................................................24

Figura 6. Micrografia eletrônica do Penicillium echinulatum......................................25

Figura 7. Micrografia eletrônica do micélio do Phanerochaete chrysosporium..........26

Figura 8. Micrografia eletrônica do micélio do Ganoderma lucidum..........................27

Capítulo 2 - Efeito ativador da farinha de carne e osso na sucessão microbiana

e decomposição de resíduo ruminal bovino

Figura 1. Pilhas de compostagem com conteúdo ruminal bovino enriquecido com

farinha de carne e osso em diferentes concentrações (1A) e pontos de amostragem

(1B) ao longo do processo de compostagem. Gurupi – TO, 2016.............................43

Figura 2. Dinâmica da temperatura (ºC) durante o período de compostagem em

função dos diferentes tratamentos. Gurupi – TO, 2016.............................................47

Figura 3. Dinâmica da umidade durante o processo de compostagem. Gurupi – TO,

2016...........................................................................................................................48

Figura 4. Teores de açúcares redutores totais durante período de compostagem.

Gurupi – TO, 2016......................................................................................................49

Figura 5. Condutividade elétrica durante período de compostagem. Gurupi – TO,

2016............................................................................................................................50

Figura 6. pH durante período de compostagem. Gurupi – TO, 2016.........................51

Figura 7. Teores de proteína durante período de compostagem. Gurupi – TO,

2016............................................................................................................................52

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Figura 8. Número de colônias de bactérias (log UFC ml-1) em função de diferentes

compostos (tratamentos) e épocas de coleta do material em compostagem para

isolamento de microrganismos, Gurupi – TO, 2015...................................................53

Figura 9. Número de colônias de fungos (log UFC ml-1) em função de diferentes

compostos (tratamentos) e épocas de coleta do material em compostagem para

isolamento de microrganismos, Gurupi – TO, 2015...................................................54

Figura 10. Diversidade de colônias de bactérias em função de diferentes compostos

(tratamentos) e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de

microrganismos, Gurupi – TO, 2016..........................................................................55

Figura 11. Diversidade de colônias de fungos em função de diferentes compostos

(tratamentos) e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de

microrganismos, Gurupi – TO, 2016..........................................................................57

Capitulo 3 - Compatibilidade de cultura mista com fungos celulolíticos para

degradação de resíduo ruminal em pilhas de compostagem

Figura 1. Pontos de amostragens em pilhas de compostagem de conteúdo ruminal

bovino. Gurupi – TO, 2016.........................................................................................67

Figura 2. Diagrama esquemático das interações entre duas linhagens diferentes de

fungos filamentosos crescidos em ágar batata dextrose (Modificado de Stahl e

Cristensen, 1992).......................................................................................................71

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INTRODUÇÃO GERAL

O interesse na utilização adequada e eficiente dos resíduos agroindustriais

tem sido crescente. Dentre os resíduos destaca-se o resíduo ruminal bovino. É o

resíduo de maior relevância nas indústrias frigoríficas, requerendo assim, especial

atenção no que se refere a seu gerenciamento, devido à elevada umidade do

material e dificuldade de destino. A produção mundial de resíduo ruminal em

frigoríficos e abatedouros bovinos é entorno de 5,9 bilhões de toneladas por ano e o

Brasil contribui com 847 milhões de toneladas desse resíduo (USDA, 2013; IBGE,

2015).

A transformação desse resíduo ocorre na sua maioria por processo de

compostagem que é controlado por fatores abióticos e bióticos. Durante o processo

de compostagem, a matéria orgânica passa por três diferentes fases (mesofílica,

termofílica e de maturação do composto) realizadas principalmente pela ação de

bactérias e fungos. Os fungos são os organismos mais importantes durante a fase

termofílica da compostagem aeróbica (BIALOBRZEWSKI et al., 2015).

Apesar da elevada carga microbiológica presente na matéria orgânica

destinada à compostagem, o processo total pode demorar até 120 dias, o que,

acrescido aos custos de instalações, máquinas e mão de obra, tornam o processo

desinteressante economicamente. Dessa forma, o conhecimento e seleção da

biomassa microbiana e de sua atuação permite induzir alterações na dinâmica do

processo de transformação dos resíduos e aumentar a eficiência e redução no

tempo da compostagem (SILVA, 2010).

Para a degradação desses compostos é necessária a ação de

microrganismos que desempenham um papel essencial como fontes de novas

biomoléculas devido à diversidade química e estrutural de seus produtos, além de

serem manipulados geneticamente e suas enzimas apresentarem alta estabilidade

em processos de hidrólise enzimática (ANBU et al., 2013). O processo de

compostagem é regido por variedade de enzimas hidrolíticas que controlam a

velocidade em que os vários substratos são degradados (SHI et al., 2011). A

bioconversão da celulose do resíduo ruminal pode ser conseguida principalmente

através das ações sinérgicas de conjunto de enzimas hidrolases denominadas

celulases (SADHU e MAITI, 2013). A hidrólise enzimática de material celulósico em

glicose envolve a ação sinérgica de pelo menos três enzimas diferentes:

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Endoglucanase, exoglucanase e glicosidase (LI et al., 2013). O sinergismo entre

estes três tipos de enzimas é que torna possível a efetiva degradação da celulose.

Para que possa haver uma redução nos custos e uma maior aceitação da

técnica de compostagem, é necessário uma aceleração do processo, que poderia

ser obtido pela adição de fontes de resíduos ricos em nutrientes de modo a reduzir a

chamada fase de atraso inicial da compostagem e também na fase termofílica, para

aumentar a taxa de degradação da matéria orgânica complexa, que normalmente

ocorre nessa fase (ZHANG et al., 2014).

Com base nessa problemática, foi proposto esse trabalho cujo objetivo foi

conhecer a comunidade microbiana das diferentes fases da compostagem, isola-los,

realizar triagem dos fungos celulolíticos, atividade enzimática e testes de

compatibilidade para fins de produção de inoculantes.

REFERÊNCIAS

ANBU, P. Characterization of solvent stable extracellular protease from Bacillus

koreensis (BK-P21A). International journal of biological macromolecules,

Elsevier, v. 56, n.1, p. 162–168, 2013.

BIALOBRZEWSKI, I.; MIKŠ-KRAJNIK, M.; DACH, J.; MARKOWSKI, M.; CZEKAŁA,

W.; GŁUCHOWSKA, K. Model of the sewage sludge-straw composting process

integrating different heat generation capacities of mesophilic and thermophilic

microorganisms. Waste Management, Houston, v.43, n.9, p.72–83, 2015.

IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Indicadores ibge: Estatística

da Produção Pecuária. 2015, 80 p. Disponível

em:<http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/agropecuaria/producaoagro

pecuaria/abate-leite-couro-ovos_201404_publ_completa.pdf> Acesso em:

29/05/2015.

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CAPITULO 1

FUNGOS COM POTENCIAL CELULOLÍTICO, METODOLOGIAS PARA

ISOLAMENTO, TRIAGEM E DESENVOLVIMENTO DE INÓCULO: REVISÃO

RESUMO

O isolamento de fungos com suas enzimas correspondentes têm recebido atenção

especial, pois, são os principais responsáveis pela degradação de substâncias de

difícil decomposição durante o processo de compostagem. Objetivou-se realizar

levantamento dos fungos com potencial celulolítico, metodologias para isolamento,

triagem e desenvolvimento de inóculo. Os fungos que decompõem resíduos ricos de

celulose são os principais agentes decompositores de resíduo ruminal, possuem

diversidade de enzimas com capacidade de degradação de compostos orgânicos

complexos, tais como: celulose, hemicelulose, ácidos aromáticos e algumas

proteínas. A seleção de microrganismos com maior potencial decompositor

possibilita aumentar a eficiência e reduzir o tempo do processo de compostagem e o

desenvolvimento de inóculos específicos para a transformação desse tipo de

resíduo.

Palavras chave: atividade enzimática; celulases; cultivo misto.

FUNGI LIFTING WITH POTENTIAL CELLULOLYTIC, METHODOLOGIES FOR ISOLATION, SCREENING AND INOCULUM DEVELOPMENT: REVIEW

ABSTRACT

Isolation and characterization of fungi with their corresponding enzymes have

received special attention because they are the main responsible for the degradation

of substances difficult to decompose during the composting process. Thus in the

present study aimed to carry out a survey of fungi with cellulolytic potential, methods

for isolation, screening and development of inoculum. In general, the fungi which

break down cellulose-rich waste are the main decomposers of ruminal residue

agents since they are enzymes with a diversity of degradability of complex organic

compounds such as cellulose, hemicellulose, aromatic acids and some protein. Thus,

the selection of microorganisms with greater potential decomposer enables

increasing efficiency and reducing the time of the composting process and the

development of specific inocula for processing this type of waste.

Key words: enzymatic activity; cellulases; mixed cropping.

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1. INTRODUÇÃO

Os resíduos orgânicos são considerados um dos principais habitats para

população de microrganismos e dentre estes, encontram-se os fungos. São

encontrados em comunidades que variam de 104 a 106 organismos por grama,

participando ativamente dos processos de biodegradação, contribuindo para

ciclagem de nutrientes e consequentemente, para a manutenção dos ecossistemas

(SELLE, 2007).

Os setores agroindustriais produzem grande quantidade de resíduos, que, se

não aproveitados, representam perdas de biomassa e nutrientes de alto valor, além

de elevar os preços dos produtos finais, uma vez que o tratamento, transporte e a

disposição final dos resíduos influencia diretamente o custo do processo.

Atualmente, conceitos de recuperação, aproveitamento de subprodutos e

bioconversão de resíduos são cada vez mais difundidos e necessários para garantir

a viabilidade econômica e biocompatibilidade das cadeias agroindustriais, assim

como reduzir o impacto ambiental que o acúmulo destes resíduos provoca (WANG

et al., 2012).

A grande disponibilidade de resíduo, como resíduo ruminal bovino, estimula a

busca por microrganismos mais eficientes na transformação. A transformação de

resíduos de celulose municipais ou agropecuários pode ser realizada através dos

fungos celulolíticos, que são os organismos mais importantes durante a fase

termofílica da compostagem aeróbica (ROY et al., 2013). A bioconversão dos

polímeros lignocelulósicos pode ser realizada pela compostagem (BIALOBRZEWSKI

et al., 2015), através de microrganismos e suas enzimas correspondentes (KUHAD,

2011; KHOKHAR, 2013). O processo envolve a ação sinérgica de um complexo

celulolítico de fungos, formado por endoglucanases, exoglucanases e

β‑D‑glicosidases (VRIES e VISSER, 2001).

Os principais fungos celulolíticos incluem: os gêneros Trichoderma e

Aspergillus (CHUNDAWAT et al., 2011), como Trichoderma reesei, Trichoderma

koningii, Trichoderma lignorum, Aspergillus níger e outros como Sporotrichum

pulverulentum, Penicillium funiculosum, Penicillium iriensis, , Schizophyllumm sp,

Chaetomium sp e Humicola sp (DA SILVA et al., 1994). A reutilização de resíduos

pela ação de fungos converte em diferentes produtos de alto valor agregado como

os biocombustíveis, produtos químicos, produção de enzimas, inoculantes,

biofertilizantes, entre outros (ANWAR et al., 2014).

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O interesse nos fungos se deve a sua capacidade de decompor diferentes

substratos, o que pode gerar produtos ou processos, como o isolamento,

purificação, caracterização e clonagem de enzimas capazes de degradar compostos

constituídos por celulose, hemicelulose e lignina, além da biodegradação de

resíduos (AMORE et al., 2013). Diante disso o objetivo foi realizar revisão

bibliográfica das espécies de fungos com potencial celulolíticos, o isolamento e

triagem de fungos com esse potencial e a determinação do potencial enzimático.

2. FUNGOS CELULOLÍTICOS

Os fungos que decompõem substâncias celulósicas ocorrem no solo e

coloniza os vegetais, as raízes e seus resíduos, com importante função de

reciclagem de nutrientes. A atividade fúngica depende do conteúdo de matéria

orgânica no solo, a qual determina sobremaneira a ocorrência e a distribuição

desses organismos (RUEGGER e TAUK-TORNISIELO, 2004). Eles são os principais

agentes decompositores do material vegetal, visto que possuem um arsenal

enzimático com capacidade de degradação de compostos orgânicos complexos,

celulose, hemicelulose, ácidos aromáticos e algumas proteínas (Figura 1).

Figura 1. Estrutura da parede celular vegetal (fonte: www.ceres.net , 2011)

Os fungos apresentam uma série de características que os tornam

interessantes para aplicação em sistemas de transformação de resíduos. Eles são

capazes de crescer sob as condições de estresse ambiental que limitam o

crescimento bacteriano. E ainda, o modo de crescimento dos fungos, induzido

quimiostaticamente em direção à fonte de carbono orgânico, através do

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alongamento e ramificação das hifas, permite a colonização de grandes áreas. São

considerados os microrganismos mais adaptados para transformação de resíduos,

pois suas hifas podem crescer na superfície das partículas e penetrar nos espaços

intra-partículas (HOLKER e LENZ, 2005). Após a germinação de esporos, a hifa do

fungo se desenvolve em um emaranhado micelial, este por sua vez, projeta-se

formando hifas aéreas que penetra o resíduo (Figura 2).

Figura 2. Representação esquemática de alongamento e ramificação das hifas em

resíduos (Legenda no texto) (HÖLKER e LENZ, 2005).

Os espaços vazios entre as hifas aéreas são frequentemente preenchidos

por ar (g), enquanto que os espaços vazios entre o emaranhado micelial ou

partículas são preenchidos por água (l). A atividade metabólica ocorre

principalmente próxima à superfície do substrato e entre os poros, contudo regiões

expostas do micélio (hifas aéreas), também mostram metabolismo e servem como

transportadores de substâncias para as hifas penetrativas. Enzimas hidrolíticas

(azul) são produzidas pelo micélio, difundem para a matriz sólida e catalisam a

degradação de macromoléculas em unidades menores (verde). O O2 é consumido e

CO2, H2O, calor e metabólitos bioquímicos são produzidos durante o cultivo.

Portanto, gradientes se desenvolvem dentro de biofilmes que, por exemplo, forçam o

O2 difundir para a fase gasosa em regiões profundas do biofilme (lilás) e o CO2

difunde para regiões gasosas (vermelha). O desenvolvimento de calor (Q) faz com

que ocorra rapidamente um aumento na temperatura (T), que é um sério problema

durante a FES. O calor é removido do substrato via condução e evaporação da água

(azul escuro). O sistema de equilíbrio da H2O também inclui a H2O que passa

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lentamente pelo micélio. Outro importante fator é o pH local, que é alterado devido a

liberação de ácidos carbônicos e troca de amônia (cinza) (HÖLKER e LENZ, 2005).

Além da secreção de enzimas, que são críticas à decomposição da celulose,

o crescimento fúngico é realizado pela formação de micélio e têm capacidade de

romper a superfície cutinizada da planta, penetrando no mesófilo (LEE et al., 2014).

Os fungos filamentosos têm sido usados há algum tempo como fonte de produção

de muitos metabólicos e enzimas. Muitos deles secretam naturalmente proteínas e

tem sido explorados comercialmente como “fábricas” de enzimas.

Os fungos lignocelulolíticos são classificados como de degradação Branca e

de degradação Marrom. Os fungos de degradação branca decompõem todos os

polímeros de madeira e inclui a lignina. Nesta degradação a madeira fica com

aspecto branco e fibroso. Eles degradam a lignina graças à habilidade

lignocelulolítica conferida por enzimas extracelulares contendo a lignina peroxidase,

manganês peroxidase e lacase, definidas como fenoloxidases. Estas enzimas estão

envolvidas na oxidação da lignina presente nas madeiras (LEE et al., 2014). Dentre

os fungos de degradação branca temos: Phanerochaete chrysosporium, Ganoderma

lucidum, Irpex lacteus, Pleurotus sapidus, Phanerochaete carnosa e outros.

Quanto aos fungos de degradação marrom, que degradam preferencialmente

a celulose (Figura 3) e provoca um rápido decréscimo no grau de polimerização

(MONRROY et al., 2011). A hidrólise enzimática de material celulósico em glicose

envolve a ação sinérgica de pelo menos três enzimas diferentes: Endoglucanase,

exoglucanase e glicosidase (LI et al., 2013). As endoglucanases clivam

randomicamente os sítios internos amorfos da cadeia polissacarídica da celulose,

originando oligossacarídeos de vários comprimentos; as exoglucanases atuam nos

terminais redutores ou não-redutores das cadeias de celulose, liberando glicose ou

celobiose; e as glicosidase hidrolisam celobiose e oligossacarídeos solúveis em

glicose (NURKANTO, 2009). O sinergismo entre estes três tipos de enzimas é que

torna possível a efetiva degradação da celulose (VRIES e VISSER, 2001).

Figura 3. Representação da estrutura linear da celulose, formada pelas unidades de

celobiose. Fonte: MARTINS, 2005.

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Como resultado do ataque inicial pelo fungo de degradação marrom

provocado pela despolimerização da celulase a rigidez da madeira decai

rapidamente (MONRROY et al., 2010). Dentre os fungos de degradação marrom

mais citados na produção de celulase estão Aspergillus niger e Trichoderma reesei.

A maioria das celulases comerciais são produzida por fungos, principalmente

os pertencentes aos gêneros Trichoderma e Aspergillus.

2.1. Trichoderma reesei

O gênero Trichoderma possui espécies capazes de produzir enzimas e/ou

atacar e inibir outros fungos e atrai grande atenção em diversas áreas de pesquisa.

Dentre elas, temos o controle biológico de doenças de plantas, produção de

enzimas, assim como estudos genéticos e manipulação em fungos filamentosos

(SAMUELS, 1996). O gênero de fungos filamentosos geralmente são encontrados

em solos e em madeiras em decomposição (SAMUELS, 1996). Muitas espécies

deste gênero são micoparasitas. Trichoderma predomina na microbiota do solo de

diferentes ecossistemas, como os campos, pastos, florestas e até desertos,

adaptado a sobreviver em várias zonas climáticas. Na Figura 4 tem-se micrografia

eletrônica das hifas miceliais do fungo Trichoderma reesei.

Figura 4. Micrografia eletrônica do Trichoderma reesei.

Fonte:http://www.20minutes.fr/sciences/231265-champignon-sauver-4x4

Trichoderma reesei é um dos principais produtores de celulases, e o

microrganismo cujo sistema de celulases tem sido mais estudado. Ele produz pelo

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menos seis endoglucanases e duas celobiohidrolases ativas em diferentes fontes de

celulose, cristalinas ou amorfas (KARLSSON et al., 2002).

Dos sistemas celulásicos melhor estudados, as celobiohidrolases,

particularmente as CBH I, têm sido consideradas como enzimas essenciais à

sacarificação eficiente da celulose. Evidências experimentais indicam que a remoção

do gene que codifica para a produção CBH I reduz em 70% a atividade do complexo

sobre a celulose cristalina. Além disso, as celobiohidrolases apresentam grande

interação sinergística com outras celulases, principalmente aquelas de atividade

reconhecidamente endoglucanásica (BELDMAN et al., 1988).

2.2. Aspergillus níger

O gênero Aspergillus são altamente aeróbicos e compreende várias centenas

de espécies encontradas em todo o mundo (GUPTA et al., 2012). Em relação à

influência da temperatura e atividade de água, eles são capazes de crescer na faixa

de temperatura, de 6 a 47 ᵒC, com temperatura ótima entre 35-37 ᵒC (SCHUSTER et

al., 2002).

Aspergillus niger é um fungo muito usado na produção de ácido cítrico, e

também na produção de enzimas. A habilidade destes fungos na produção de

enzimas é relacionada à capacidade de utilizar variedades de substratos graças ao

seu sistema enzimático bem desenvolvido (SHAHLAEI et al., 2013). Eles secretam

grandes quantidades de enzimas celulolíticas e junto com o Trichoderma reesei têm

sido extensivamente estudado para a produção industrial destas enzimas (SALIU e

SANI, 2012). Na Figura 5 pode-se observar micrografia eletrônica do Aspergillus

niger.

Figura 5. Micrografia eletrônica do Aspergillus níger. Fonte:

https://www.inspq.qc.ca/en/moulds/fact-sheets/aspergillus-niger

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2.3. Penicillium echinulatum

Penicillium echinulatum (Figura 6) está entre os microrganismos com grande

potencial para a produção de celulases (DILLON et al., 2011). As linhagens

mutantes utilizadas em estudos para a produção de celulases são provenientes da

linhagem selvagem denominada 2HH.

A importância do complexo enzimático de Penicillium echinulatum deve-se

também ao fato deste apresentar uma proporção equilibrada de atividades de FPA e

β-glicosidase, fato relevante para a hidrólise da celulose. Adicionalmente, FPA e β-

glicosidases de P. echinulatum são importantes para hidrólise de celulose, pois as

celulases produzidas apresentam estabilidade térmica entre 50 ºC e 55 ºC,

respectivamente (MARTINS et al., 2007).

Schneider et al. (2014) estudaram o efeito de seis diferentes fontes de

carbono sobre a morfogênese e produção enzimática da linhagem S1M29 de P.

echinulatum. Entre as seis fontes de carbono estudadas, celulose e bagaço de cana-

de-açúcar foram as mais adequadas para FPA, endoglicanases, xilanases e β-

glucosidases. No que se refere à morfologia de crescimento de Penicillium

echinulatum, observou-se maiores atividades enzimáticas quando o micélio crescia

numa forma dispersa, correlação possivelmente explicada devido a uma maior

interação entre o substrato e as hifas.

Figura 6. Micrografia eletrônica do Penicillium echinulatum. Fonte: Camassola,

2008.

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2.3. Phanerochaete sp.

O gênero Phanerochaete pertence aos basidiomicetos. Os fungos

filamentosos, especialmente Basidiomycetes, são os mais utilizados para a

produção das enzimas celulolíticas (PANDEY et al., 2000). Por volta de cem

espécies de Phanerochaete têm sido descritas (WU et al., 2010).

O Phanerochaete chrysosporium tem sido o fungo de degradação branca

mais estudado. Secreta um conjunto de peroxidases e oxidases que agem não

especificamente, via geração de radicais livres a partir da lignina, que se quebra

através de reações espontâneas (JOINT GENOME INSTITUTE, 2014). A maior

parte dos estudos tem interesse na habilidade deste fungo de degradar lignina.

Esforços extensivos e sucessivos têm sido feitos para aumentar o rendimento

de diferentes cepas deste microrganismo (SZAB, 1996). Na figura 7 pode-se

observar micrografia do micélio do Phanerochaete chrysosporium.

Figura 7. Micrografia eletrônica do micélio do Phanerochaete chrysosporium. Fonte:

http://commtechlab.msu.edu/sites/dlc-me/zoo/microbes/p_chryso.html

2.4. Ganoderma sp.

É um fungo que está presente em habitats naturais em todo o mundo. Mais de

250 espécies já foram relatadas. Com relação à produção de enzimas

lignocelulolíticas, Manavalan et al. (2012), verificaram as proteínas produzidas pelo

fungo Ganoderma lucidum, com 24% que corresponde a celulases e 5% a

hemicelulases, além de 24 % de enzimas degradadoras de lignina, indica esse fungo

como produtor de enzimas lignocelulolíticas. Além disso, eles verificaram que o

Ganoderma lucidum produz o conjunto completo de celulases. Na Figura 8 pode-se

observar micrografia do micélio de Ganoderma lucidum.

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Figura 8. Micrografia eletrônica do micélio do Ganoderma lucidum. Fonte:

http://bioweb.uwlax.edu/bio203/2011/mestelle_zach/reproduction.htm

O microorganismo a ser considerado ideal para processo de produção

enzimática de acordo com Bon et al. (2008), deve apresentar as seguintes

características:

- Ser seguro sob o ponto de vista biológico, ou seja, não ser patogênico

- Apresentar elevada capacidade de síntese e excreção da enzima;

- Suportar condições ambientais adversas, relacionadas com a pressão osmótica e a

temperatura;

- Ser tolerante a presença de substâncias tóxicas, que podem ser geradas no

processo de tratamento da matéria-prima ou pelo próprio metabolismo celular.

Outros fungos celulolíticos incluem as espécies Aspergillus terreus,

Neurospora crassa, Arthrographis cellulolyticum, Fusarium solani, Mucor

circinelloides, Penicillium funiculosum e Sporotrichium pruinosum (RABINOVICH et

al., 2002; SAHA, 2004).

3. ISOLAMENTO E TRIAGEM DE FUNGOS COM POTENCIAL CELULOLÍTICO

3.1. Isolamento de microrganismos celulolíticos

O isolamento dos microrganismos é realizado pelas diluições seriadas

conforme proposto por Clark (1965). Inicialmente, 10 g do composto orgânico foi

adicionado em 90 mL de solução salina peptonada estéril, composta por 0,85% (p/v)

de cloreto de sódio e 0,1% (p/v) de peptona bacteriológica (SILVA e JUNQUEIRA,

1995). A amostra é homogeneizada e mantida sob agitação em mesa agitadora

orbital a 127 rpm, por 15 min. Posteriormente, sucessivas diluições seriadas são

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realizadas e 100 μL de amostra são transferidas em placas de Petri contendo meio

de cultura e espalhadas com auxílio de alça de Drigalsky.

Os meios utilizados para o crescimento são: Yeast extract peptone glucose

(YEPG), composto por (g L-1): extrato de levedura, 10; peptona bacteriológica, 20;

glicose, 20; ágar bacteriológico, 35,5, acrescido de antibiótico cloranfenicol 0,1%

para crescimento de leveduras; Ágar nutriente (AN) (g L-1): extrato de levedura, 3;

peptona bacteriológica, 5; cloreto de sódio, 3; ágar bacteriológico, 13, acrescido de

antibiótico nistatina (1 mL para 250 mL de meio de cultura) para crescimento de

bactérias; Ágar batata dextrose (BDA) (g L-1) preparado de acordo com fabricante

acrescido de antibiótico cloranfenicol 0,1% para crescimento de fungos. As placas

inoculadas são incubadas a 28±2 °C por até 5 dias.

As bactérias são purificadas pela técnica de esgotamento para obtenção de

colônias isoladas. Essa técnica consiste em fazer estrias, com auxílio de alça de

platina, em meio sólido, onde, por esgotamento, se obtêm colônias isoladas no final

das estrias. Quanto à purificação dos fungos, após surgirem as colônias, as mesmas

são separadas com base no aspecto do micélio, cor dos esporos e em outras

características do anverso e reverso das colônias. Estas colônias são reinoculadas,

através de estrias, em meio de seleção até a obtenção de culturas puras. Após o

período de incubação, a contagem total dos morfotipos encontrados é realizada e

caracterizadas de acordo com sua morfologia, incluindo tamanho, forma, cor, borda,

aparência, brilho e elevação de acordo com a metodologia de Yarrow (1998). As

colônias puras dos fungos são preservadas seguindo o método de Castellani (1967).

Todos os tubos/placas são guardados em geladeira, a temperatura de

aproximadamente 4°C.

3.2. Triagem de microrganismos celulolíticos

Os fungos isolados são avaliados quanto às suas atividades celulolíticas em

placas contendo ágar e meio mínimo sais de Vogel (VOGEL,1956), contendo (g L-1):

Na3C6H5O7.5H2O, 150; KH2PO4, 250; NH4NO3, 100; MgSO4.7H2O, 10; CaCl2.2H2O,

5, solução de biotina (0,1 mg Ml-1) 5; clorofórmio 0,2 mL, solução de elementos

traços (g L-1), 5 mL [C6H8O7.H2O, 50; ZnSO4.7H2O, 50; Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O,10;

CuSO4.5H2O, 2,5; MnSO4.H2O, 0,05; H3BO3, 0,05; Na2MoO4.2H2O, 0,05], diluído 50

vezes em água destilada, suplementado com 0,2% de extrato de levedura,

suplementado com 1% (m/v) da fonte de carbono, com o carboximetilcelulose

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(CMC), e 1,5% (m/v) de ágar. Os isolados são previamente ativados em meio BDA e

inoculados no centro da placa de Petri, incubados à temperatura de 30°C. A

revelação para detecção de atividade enzimática depende do fungo e pode ser do

terceiro ao sexto após o repique.

3.3. Avaliação da atividade celulolítica

A revelação para a determinação de atividade celulolítica é realizada pela

adição da solução de vermelho congo 0,25% (m/v) em tampão Tris-HCl 0,1 M pH

8,0, conforme o método proposto por Hankin e Anagnostakis (1975). A lavagem da

superfície do meio é conduzida com uma solução de NaCl 1M no mesmo tampão e

observado halo transparente em contraste com meio opaco.

3.4. Cálculo do índice enzimático (IE)

Os cultivos em que são possíveis observar a formação de halo ao redor da

colônia tem sua atividade avaliada através do índice enzimático (IE), ou seja, o

diâmetro do halo dividido pelo diâmetro da colônia (HANKIN e ANAGNOSTAKIS,

1977).

3.5. Determinação do potencial enzimático

O cultivo industrial de microrganismos com a finalidade de obter enzimas,

resultantes do seu metabolismo, é atividade biotecnológica em ampla expansão. As

duas principais estratégias para determinação do potencial de enzimas são os

processos de fermentação submersa e fermentação em estado sólido (CASTRO e

PEREIRA JUNIOR, 2010).

A fermentação submersa é a técnica majoritariamente utilizada em processos

industriais devido à facilidade de crescimento dos microrganismos em condições

controladas de pH e temperatura, além de tornar fácil a recuperação das enzimas

extracelulares. Este processo utiliza meio fermentativo, onde as fontes de nutrientes

utilizadas são solúveis e o desenvolvimento do microorganismo se dá em presença

de água livre. O conteúdo de água nesse processo é superior a 95% (ORLANDELLI

et al., 2012). É um sistema capaz de gerar variedade de metabólitos em que os

fungos filamentosos são de grande importância (GIBBS et al., 2000). Em relação ao

cultivo em estado sólido, o cultivo submerso tem como vantagem a possibilidade de

ter melhor racionalização e padronização do processo, o que é fundamental para a

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indústria (HOLKER e LENZ, 2005) além de permitir um sistema de cultura

homogêneo (AGUILAR et al., 2004).

Com relação a fermentação em estado sólido (FES), o meio de cultura é

composto de substratos sólidos, atuando como fonte de carbono, sem água livre, o

que faz com que essa condição de crescimento tente se aproximar do habitat

natural. É um sistema de cultivo alternativo para a produção de produtos de valor

agregado a partir de microrganismos, especialmente enzimas (PARANTHAMAN et

al., 2008). Produtos ou subprodutos oriundos da agroindústria, na forma de resíduos

não processados, são empregados na FES como substratos para servirem de matriz

sólida e fornecerem carbono para o crescimento do microorganismo, além de

apresentarem custo baixo (ORLANDELLI et al., 2012). A FES é adequada para

fungos filamentosos, pois estes podem se desenvolver em ambientes que

apresentam baixos níveis de umidade relativa. Além disso, os fungos filamentosos

apresentam hifas aéreas propícias para a colonização de substratos sólidos

(SUBRAMANIYAM e VIMALA, 2012).

Comparado com fermentação submersa, o uso de FES apresenta vantagens,

como menor necessidade de energia, menor volume do reator e alta produtividade,

baixo investimento de capital, baixo desperdício de água, maior concentração de

metabólitos obtidos e menor custo de processamento (PARANTHAMAN et al.,

2008). Contudo, FES também apresenta algumas limitações, como a dificuldade de

dissipação de calor gerado pelo metabolismo microbiano, transferência de oxigênio

limitada depende da granulometria do substrato, dificuldade no controle de

temperatura e além dessas variáveis, há uma maior dificuldade de coleta de

amostras representativas durante o processo, devido à não homogeneidade da

massa em fermentação (SANTOS et al., 2006).

3.6. Avaliação da atividade enzimática em fermentação submersa

Os cultivos submersos são preparados em frascos Erlenmeyer de 125 mL,

contendo 30 mL de meio líquido de Vogel (VOGEL, 1956), suplementado com 1% da

fonte de carbono (exemplo: farelo de trigo) e esterilizados a 121ºC por 15 minutos

para a produção das enzimas FPase, endoglicanase, exoglicanase e xilanase . Os

cultivos são inoculados com 1 mL de uma suspensão de 107 esporos mL-1. Os

cultivos são mantidos por 5 dias a 100 rpm, 30°C. Os caldos fermentados são

filtrados em banho de gelo e congelados para avaliação da atividade enzimática.

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31

3.7. Avaliação da atividade enzimática por fermentação estado sólido

Os cultivos em substratos sólidos podem ser realizados em sacos plásticos de

polipropileno ou Erlenmeyer contendo a matéria prima acrescidos de água destilada

e então autoclavados a 121oC durante 20 min. A inoculação do substrato é realizada

com 1 mL de suspensão de esporos padronizada a 106 esporos mL-1, devidamente

homogeneizados. Em cultivos mistos, a inoculação é realizada com 1 mL de

suspensão de esporos padronizada a 106 esporos mL-1 para cada fungo utilizado.

Os cultivos são mantidos à 30°C durante 5 dias.

A extração das enzimas pode ser realizada adicionando-se 100 mL de água

destilada gelada ao meio fermentado ao qual, posteriormente, é submetido a

agitação orbital à 8000 rpm, por 20 min. O meio é então filtrado a vácuo, em banho

de gelo e o extrato acondicionado em tubos de ensaio no congelador,

posteriormente utilizado para avaliação da atividade enzimática.

3.8. Atividade de celulases totais (FPase)

A atividade de celulases totais (FPase) é determinada de acordo com as

recomendações da IUPAC empregando papel de filtro (Whatmann N° 1) medindo

1,0 x 6,0 cm, equivalente a 50 mg, como substrato (GHOSE, 1987). O meio

reacional consiste de mistura de tampão citrato de sódio 0,05 M pH 4,8 e uma tira de

papel filtro. A reação é iniciada com a adição do extrato enzimático, mantendo-se

por 60 min, à 50°C. A reação é interrompida pela adição de 3 mL de DNS e

mantidas a 100oC por 5 minutos. Após o resfriamento das amostras são adicionados

20 mL de água destilada. As leituras são realizadas em espectrofotômetro a 540 ƞm.

A liberação de açúcares redutores é determinada de acordo com Miller (1959),

utilizando-se glicose como padrão, a partir do método do ácido dinitrossalicilico

(DNS). Uma unidade de atividade enzima é definida como a quantidade de enzima

necessária para liberar 1 µmol glicose por minuto por mL.

3.9. Atividade de endoglicanase, exoglicanase e xilanase

As atividades de endoglicanase, exoglicanase e xilanase são determinadas

utilizando 1% de solução, carboximetilcelulose (CMC), Avicel e xilana,

respectivamente em tampão acetato de sódio 0,05 M, pH 5,5. O meio reacional

consiste de 400 µL do substrato e 400 µL do extrato enzimático, mantidos a 60oC.

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Após intervalos de tempos 0 (controle), 5 e 10 min, alíquotas de 200 μL são retiradas

do meio reacional e a reação interrompida pela adição de 200 μL de DNS e fervidas

por 5 minutos. As amostras são resfriadas e adiciona-se 2 mL de água destilada. As

leituras são realizadas em espectrofotômetro a 540 ƞm. A liberação de açúcares

redutores é determinada de acordo com Miller (1959), utilizando-se glicose ou xilose

como padrão (coeficiente de extinção molarε: glicose 80,54 M-1 cm-1 ou xilose 74,27

M-1 cm-1), a partir do método do ácido dinitrossalicilico (DNS). Uma unidade de

enzima é definida com a quantidade de enzima necessária para liberar l μmol de

glicose ou xilose por minuto por mililitro.

3.10. Microrganismos celulolíticos como fonte de inóculo

O processo de compostagem pode ocorrer naturalmente com o envolvimento

de microrganismos presentes nos resíduos orgânicos. Contudo, quantidade

insuficiente ou baixa biodegradabilidade da comunidade microbiana nativa pode

levar à baixa eficiência da compostagem e qualidade indesejável do composto (XI et

al., 2007). Para que se consiga redução no tempo de transformação dos resíduos,

aponta-se a inoculação como uma técnica eficiente, pois introduz população de

microrganismos para iniciar e acelerado processo de decomposição do resíduo

orgânico (KIEHL, 2002). O inóculo seria, portanto, uma forma de aumentar em

número e diversidade a comunidade microbiana das leiras de compostagem, além

de poder direcionar para a degradação de um resíduo específico e/ou assegurar

degradação mais completa dos componentes da compostagem (GHAFFARI et al.,

2011).

A inoculação consiste na adição de microrganismos provenientes de cultura

pura, ou inoculação em massa que consiste de grande quantidade de organismos,

geralmente relacionados ao material ao qual o inóculo será aplicado (XI et al., 2012).

A compostagem pode ser acelerada pela adição de inóculo tanto na fase mesofílica

quanto na fase termofílica, entretanto, vários estudos tem indicado que a inoculação

de populações microbianas exógenas e naturais ao longo de todo o processo é mais

eficiente do que o inóculo em apenas uma das fases (WEI et al., 2007; XI et al.,

2012).

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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A busca no desenvolvimento e descoberta de novos microorganismos deve ser

aumentada nos próximos anos. Conforme foi observado, há grande interesse na

obtenção de microorganismos celulolíticos devido a sua ampla aplicação em

processos agrobiotecnológicos, abrangendo diversas áreas, como produção de

inoculantes, entre outros. A fermentação em estado sólido vem ganhando atenção

pelos pesquisadores devido às vantagens econômicas que oferece e a utilização de

substratos simples, como os resíduos agroindustriais de natureza lignocelulósica,

abundante e de baixo valor comercial.

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CAPÍTULO 2

EFEITO ATIVADOR DA FARINHA DE CARNE E OSSO NA SUCESSÃO

MICROBIANA E DECOMPOSIÇÃO DE RESÍDUO RUMINAL BOVINO

RESUMO

A compostagem de resíduo orgânico ruminal bovino é dependente da atividade microbiana, e essa por sua vez é controlada pela labilidade do resíduo disponível. Assim, a adição de outros resíduos com elevados teores de nutrientes e baixos teores de componentes recalcitrantes como ligninas e compostos fenólicos podem funcionar como efeito ativador na sucessão microbiana e na decomposição e humificação do resíduo. O objetivo foi avaliar efeito ativador da farinha de carne e osso na sucessão microbiana e decomposição de resíduo ruminal bovino. Os tratamentos foram arranjados em esquema fatorial 4 x 6, sendo quatro épocas sucessionais de amostragens ao longo do processo de compostagem (7, 21, 39 e 62 dias) e seis doses de farinha de carne e osso (0; 14,2; 30,4; 42,6; 56,8 e 71 kg/ m3 de resíduo ruminal bovino). Foram avaliados os indicadores temperatura, condutividade elétrica, pH, proteína, número e diversidade de colônias de fungos e bactérias. O efeito ativador pelo uso de doses crescentes de farinha tende a ser negativo para a quantidade de bactérias e fungos no início do processo de decomposição e a partir dos 39 dias o efeito passa a ser significativamente positivo em função do aumento das doses da farinha. A alteração nos indicadores temperatura, umidade, açúcares redutores totais, condutividade elétrica, pH e proteína indicaram aumento na degradação do resíduo ruminal bovino em função do efeito ativador com o uso de doses crescentes da farinha. Palavras chave: compostagem, transformação de resíduos, fungos, bactérias.

EFFECT ATIVADORE OF FLESH AND BONE MEAL IN SUCCESSION MICROBIAL AND BREAKDOWN OF WASTE RUMINAL VEAL

ABSTRACT

The composting organic waste bovine rumen is dependent on microbial activity, and this in turn is controlled by the lability of the available waste. Thus, the addition of other waste with a high content of nutrients and low levels of recalcitrant components as lignans and phenolic compounds can act as ativador effect on the microbial succession and decomposition residue and humification. The ativador objective was to evaluate the effect of meat and bone meal in microbial succession and decomposition of bovine rumen waste. The treatments were arranged in a factorial 4 x 6, four successional sampling dates during the composting process (7, 21, 39 and 62 days) and six meat meal and bone doses (0, 14.2, 30 , 4, 42.6, 56.8 and 71 kg / m3 of bovine rumen waste). They evaluated the indicators temperature, electrical conductivity, pH, protein, number and diversity of fungi and bacteria colonies. The activating effect by the use of escalating doses of flour tends to be negative for the amount of bacteria and fungi in the early decomposition process, and from 39 days the effect becomes significantly positive in terms of increased doses of flour. The

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indicators change in temperature, moisture, reducing sugar, electrical conductivity, pH and protein showed an increase in the bovine rumen degradation due to the waste press effect using increasing doses of flour. Key words: composting, processing waste, fungi, bacteria.

1. INTRODUÇÃO

O resíduo ruminal bovino é composto por forrageiras parcialmente digeridas no

momento do abate dos animais. A produção mundial segundo USDA (2013) é na

ordem de 5,975 bilhões de toneladas. Em 2014, o Brasil abateu aproximadamente

34 milhões de bovinos (IBGE, 2015), e resultou em produção de aproximadamente

847 milhões de toneladas de resíduo ruminal. Esse resíduo é gerado em

matadouros e frigoríficos bovinos e requer atenção especial no que se refere ao seu

gerenciamento e destinação devido ao volume, composição e difícil degradação

(SILVA, 2010). A destinação no Brasil e no mundo tem sido de forma inadequada

em pátios de deposição ao redor dos frigoríficos ou dispostos em propriedades

vizinhas, alterando as características do solo, tornando-se potenciais poluidores dos

recursos hídricos e outros problemas ambientais (SHERESTHA et al., 2011).

A dificuldade encontrada na transformação do resíduo ruminal bovino por meio

da compostagem ocorre em função dos elevados teores de lignina, celulose e

compostos fenólicos ainda presentes, além de baixa composição de estruturas

bioquímicas de maior labilidade para os microrganismos. Essa inversão da

disponibilidade de componentes de fácil ataque por microrganismos torna esse

resíduo potencialmente mais recalcitrante para o processo de compostagem (SILVA,

2010).

Fatores como aeração, umidade, pH, temperatura e composição nutricional

influenciam na sucessão de microrganismos e, por conseguinte, a qualidade do

produto da transformação dos resíduos (WANG et al., 2015). As propriedades

nutricionais da matéria prima são os principais responsáveis pela identidade das

comunidades microbianas, uma vez que afetam seletivamente sua composição e,

consequentemente, as capacidades metabólicas (SONG et al., 2014).

Dentre os microrganismos que atuam na transformação de resíduos

orgânicos as bactérias e os fungos são os mais abundantes (MACCREADY et al.,

2013; NEHER et al., 2013). As bactérias têm recebido maior atenção por dominarem

os processos de transformação em função de sua maior tolerância térmica (BONITO

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42

et al., 2010). No entanto, os fungos também desempenham papel importante, não só

por causa das enzimas extracelulares que produzem (DE GANNES et al., 2013),

como também pela capacidade de algumas espécies crescerem em condições

ambientais difíceis (LANGARICA-FUENTES et al., 2014). A utilização de resíduos

ricos e de fácil disponibilidade dos nutrientes ocasiona ativação da comunidade

microbiana e na capacidade de decompor resíduos mais recalcitrantes (FRANKE-

WHITE et al., 2014).

A atividade microbiana pode ser estimulada pelo uso de fontes de carbono

com maior labilidade para ativar as etapas iniciais de um processo de compostagem.

Dentre as fontes encontra-se a farinha de carne e osso, com alto teor de proteína

bruta entre 35 e 60% e importante fonte de nitrogênio, cálcio e fósforo (SIMÃO et al.,

2008). Segundo Lesson e Summers (1997), para cada tonelada de carne preparada

para o consumo humano, cerca de 300 kg são descartados como produtos não

comestíveis, e desses, aproximadamente 200 kg se transformam em farinha de

carne. A farinha de carne e osso é um subproduto de frigoríficos e abatedouros e

tem tido sua produção incrementada nos últimos anos, devido ao aumento da

produção pecuária.

Frente à complexidade de um processo que envolve a transformação de

resíduos orgânicos, tanto físico-química como nutricionais, bem como as interações

entre elas, faz cada processo único em termos de populações microbianas e sua

distribuição de acordo com a cronologia de compostagem (LÓPEZ GONZALEZ et

al., 2014). Uma compreensão da dinâmica da comunidade microbiana frente a

alteração na disponibilidade de nutrientes como efeito ativador dos microrganismos,

torna-se importante e útil como parte de uma tentativa em melhorar a eficiência da

compostagem (BROWN et al., 2008). Diante disso, o objetivo foi avaliar efeito

ativador da farinha de carne e osso na sucessão microbiana e decomposição de

resíduo ruminal bovino.

2. MATERIAL E MÉTODOS

2.1 Caracterização do experimento

O trabalho foi conduzido na Universidade Federal do Tocantins (UFT), Campus

Universitário de Gurupi, coordenadas de 11°44’44,16” de latitude sul e 49°03’04,17”

de longitude oeste, a 280 m de altitude no sul do estado do Tocantins. O

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43

experimento foi realizado em duas fases, a primeira realizada em galpão de

compostagem localizado no setor de olericultura, de propriedade do grupo de

pesquisa em resíduos orgânicos e a segunda no Laboratório de Microbiologia

(MICRO BIO) e Laboratório de Biotecnologia/Análise de Alimentos e Purificação dos

Bioprodutos (LABAP), ambos nas dependências da Universidade Federal do

Tocantins, campus universitário de Gurupi.

O processo de compostagem foi realizado sob proteção de galpão com

cobertura de aço zincado com dimensões de 7 x 20 m de largura e comprimento,

respectivamente. A compostagem foi produzida a partir do resíduo ruminal bovino

(RRB) enriquecido com diferentes doses de farinha de carne e osso (FCO).

O experimento foi instalado em delineamento de blocos casualizados. Os

tratamentos foram arranjados em esquema fatorial (4 x 6), sendo quatro épocas

sucessionais de amostragens ao longo do processo de compostagem (7, 21, 39 e 62

dias) e seis doses de farinha de carne e osso (FCO) (0; 14,2; 30,4; 42,6; 56,8 e 71

kg/m³ de resíduo ruminal bovino (RRB), resultando nos seguintes tratamentos: 1 m³

de RRB + 0 kg de FCO; 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO; 1 m³ de RRB + 30,4 kg de

FCO; 1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO; 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO; 1 m³ de RRB

+ 71 kg de FCO (Figura 1A)

Figura 1. Pilhas de compostagem com conteúdo ruminal bovino enriquecido com

farinha de carne e osso em diferentes concentrações (1A) e pontos de amostragem (1B) ao longo do processo de compostagem. Gurupi-TO, 2016.

2.2 Características físico-química da biomassa

1A

1B

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44

A composição do resíduo ruminal bovino e da farinha de carne e osso

utilizados na confecção do processo de compostagem foram analisados físico,

químicos e bromatologicamente. O conteúdo ruminal bovino possui em composição:

883,8 g kg-1 - Matéria Seca; 816,6 g kg-1 - Matéria Orgânica; 183,4 g kg-1 - Cinzas;

138,6 g kg-1 - Proteína Bruta; 270 g kg-1 - Extrato Etéreo; 783,6 g kg-1 - Fibra em

Detergente Neutro; 418,6 g kg-1 - Fibra em Detergente Ácido e 365 g kg-1 de

Hemicelulose. Composição nutricional da farinha de carne e osso (g kg-1): N - 70,0;

P - 140,0; K - 6,90; Na - 49,10; Mg - 2,90; Ca - 128,40; Zn - 0,80; Cu - 0,20; Fe -

3,20; Al - 1,50.

Os indicadores avaliados foram separados em seções. O primeiro foi quanto a

dinâmica físico-química no processo de compostagem do resíduo ruminal que

compreende a temperatura, umidade, açúcares redutores totais, condutividade

elétrica, pH e proteína. O outro foi dinâmica microbiana do processo de

compostagem do conteúdo ruminal, com avaliação do número de colônias de

bactérias e fungos e diversidade de colônias de bactérias e fungos.

2.3 Dinâmica físico-química no processo de compostagem do resíduo

ruminal

No momento da homogeneização da farinha de carne e osso ao resíduo

ruminal e da confecção das pilhas de compostagem foi adicionado água até atingir

50% de umidade. O tamanho inicial das pilhas foi respectivamente 242, 125 e 72 cm

de comprimento, largura e altura. Durante o período de compostagem foram

realizadas leituras diárias das temperaturas e semanalmente realizados

revolvimentos e umedecimento das pilhas. Imediatamente, antes dos revolvimentos

foram realizadas as amostragens para determinação da umidade (Figura 1B).

As amostras (500 g) foram coletadas durante as fases da compostagem nos

dias 7, 21, 39 e 63. Consistiu em realizar corte transversal (5 cm) na região mediana

da pilha e também coletas na região frontal, lateral e topo. As amostras dos

diferentes pontos foram homogeneizadas, juntamente com a fatia de 5 cm e então

encaminhadas ao laboratório para serem armazenadas em ambiente refrigerado (4

°C) até serem analisadas. Uma parte da amostra foi processada no laboratório de

microbiologia para proceder ao isolamento dos microrganismos. A outra parte da

amostra foi seca em temperatura ambiente para o procedimento das análises de pH,

açúcares, condutividade elétrica e proteína.

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45

A determinação do pH foi obtido por potenciometria com pHmetro, com

eletrodo Ag/AgCl. Os açucares foram extraídos com solução de álcool etílico 70% e

determinados, por leitura em espectrofotômetro a 620 nm, utilizou-se reagente de

Antrona como proposto por Dische (1962).

Determinou-se a condutividade elétrica através de extratos de saturação na

proporção de uma parte de solo para cinco partes de água (1:5) (SIMARD et al.,

1988). Quanto à proteína, determinou-se primeiro o teor de nitrogênio total pelo

método Kjeldahl (BREMNER e MULVANEY, 1982). Com os valores de N-total foram

determinados os teores de proteína bruta segundo Silva (1998). Todas as amostras

foram avaliadas em triplicata.

2.4 Dinâmica microbiana do processo de compostagem do conteúdo

ruminal

O isolamento dos microrganismos foi realizado com diluições seriadas

conforme proposto por Clark (1965). Inicialmente, dez gramas do composto orgânico

foi adicionado em 90 mL de solução salina peptonada estéril, composta por 0,85%

(p/v) de cloreto de sódio e 0,1% (p/v) de peptona bacteriológica (Silva e Junqueira,

1995). A amostra foi homogeneizada e mantida sob agitação em mesa agitadora

orbital a 127 rpm, por 15 min. Posteriormente, sucessivas diluições seriadas foram

realizadas e 100 μL de amostra foram transferidas em placas de Petri contendo meio

de cultura e espalhadas com auxílio de alça de Drigalsky.

Os meios utilizados para o crescimento foram: Levedura de glicose extrato de

peptona (YEPG), composto por (g.L-1): extrato de levedura, 10; peptona

bacteriológica, 20; glicose, 20; ágar bacteriológico, 35,5, acrescido de antibiótico

cloranfenicol 0,1% para crescimento de leveduras; Ágar nutriente (AN) (em g.L-1):

extrato de levedura, 3; peptona bacteriológica, 5; cloreto de sódio, 3; ágar

bacteriológico, 13, acrescido de antibiótico nistatina (1 mL para 250 mL de meio)

para crescimento de bactérias; Ágar batata dextrose (BDA) (g.L-1) preparado de

acordo com fabricante acrescido de antibiótico cloranfenicol 0,1% para crescimento

de fungos. As placas inoculadas foram incubadas a 28±2°C por até 5 dias.

As bactérias foram purificadas pela técnica de esgotamento para obtenção de

colônias isoladas. Essa técnica consiste em fazer estrias, com auxílio de alça de

platina, em meio sólido, onde, por esgotamento, se obtêm colônias isoladas no final

das estrias.

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46

A contagem total dos morfotipos encontrados foi realizada e caracterizadas de

acordo com sua morfologia, incluindo tamanho, forma, cor, borda, aparência, brilho e

elevação de acordo com a metodologia de Yarrow (1998). Quanto à purificação dos

fungos, após surgirem as colônias, as mesmas foram separadas com base no

aspecto do micélio, cor dos esporos e em outras características do anverso e

reverso das colônias. Estas colônias foram reinoculadas, através de estrias, em meio

de seleção até a obtenção de culturas puras.

As colônias puras dos fungos foram preservadas seguindo o método de

Castellani (1967). As bactérias foram transferidas para placas contendo meio AN

(RHODES, 1957). Todos os tubos/placas foram guardados em geladeira, a

temperatura de aproximadamente 4°C.

2.5 Estatística

Os resultados obtidos foram submetidos ao teste F a 5% de significância e a

media do tratamento comparado pelo teste de média Tukey a 5% de probabilidade.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Dinâmica físico-química no processo de compostagem do resíduo

ruminal

As mudanças de temperatura verificadas nas diferentes pilhas foram

monitoradas diariamente durante todo o período da compostagem e semanalmente,

baseado na temperatura, foram realizados revolvimentos das pilhas. Também de

acordo com a variação da temperatura foram realizadas quatro amostragens do

resíduo em transformação aos 7, 21, 39 e 63 dias do início do processo. O

monitoramento em todos os tratamentos foi observado através de três fases:

aquecimento, termofílica e fases de arrefecimento e variou de 26 a 71,2ºC em

função do efeito ativador pelo uso de doses crescentes da farinha. A temperatura

das pilhas aumentou rapidamente e no segundo dia do processo já atingiu a fase

termofílica em todos os tratamentos e o máximo das temperaturas foram obtidos

entre o terceiro e sétimo dia. As temperaturas máximas foram 59, 64,6, 67,5, 70,1,

71,2 e 69,9ºC, respectivamente, para os tratamentos 0; 14,2; 30,4; 42,6; 56,8 e 71

kg de FCO. O período com altas temperaturas no interior das pilhas foram diferentes

e duraram 13, 24, 32, 36, 39 e 43 dias, respectivamente, para os tratamentos com

farinha, da menor à maior dose (Figura 2).

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47

Figura 2. Dinâmica da temperatura (ºC) durante o período de compostagem em

função dos diferentes tratamentos. A demonstração das etapas I, II, III, IV equivale às coletas realizadas durante o precesso de compostagem (Etapa I-7 dias, II - 21 dias, III – 39 dias, IV – 62 dias). As setas representam os revolvimentos realizados semanalmente. Gurupi-TO, 2016.

Caracterizada por temperaturas acima de 45ºC e predominando a faixa de 45 a

65ºC, na fase termofílica, ocorre plena ação de microrganismos termófilos com

intensa decomposição do material e geração de calor e vapor d’água. Nesta fase, a

dinâmica de gases é fortemente influenciada e o calor gerado impulsiona aeração

por convecção (KIEHL, 2002). A decomposição máxima ocorre a temperaturas entre

65 e 70ºC que poderia destruir os organismos patogênicos e indesejáveis sementes

de ervas daninhas. As temperaturas da massa do resíduo em compostagem controla

a taxa de degradação orgânica e proporcionam indicação de condições ideais que

suportam a biomassa microbiana (DISSE-PULLICINO et al., 2007). Outro fator

importante na compostagem de resíduos orgânicos é a umidade nas pilhas. A

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48

umidade foi mantida numa faixa em torno de 40 a 65% (Figura 3). Em níveis acima

de 65%, a água pode deslocar muito do ar presente nos espaços porosos da matriz

da pilha e reduzir a continuidade entre os poros, limitando a difusão do ar e,

consequentemente, propiciando condições desfavoráveis para atividade microbiana

aeróbica (CARLESSO et al., 2011). Por outro lado, a redução do teor de umidade,

menor que 40%, pode ser atribuída ao maior grau de temperatura e de perda por

evaporação para o ar circundante. Quando correlacionamos a variação da umidade

com a variação da temperatura, verifica-se que a temperatura variou em função da

umidade da pilha.

Figura 3. Dinâmica da umidade durante o processo de compostagem. Gurupi-TO, 2016.

Os teores de açúcares redutores totais (ART) foram influenciados ao longo do

processo de compostagem (7, 21, 39 e 62 dias), variando de 0,55 a 3,68%.

Observa-se que houve redução nos teores de ART ao longo do processo e que os

maiores teores foram observados aos sete dias, com tratamento 0 kg de FCO e os

menores aos 62 dias, com 14,2 kg de FCO (Figura 4). Entre as coletas houve

diferença e redução nos teores de açúcares de 60,8 e 64,4% nas coletas 7 e 21

dias, respectivamente, para os tratamentos 0 e 14,2 kg de FCO. Aos 39 dias ocorreu

redução nas concentrações de ART para os tratamentos 14,2; 30,4; 42,6; 56,8 e 71

kg de FCO em comparação com o tratamento 0 kg de FCO que se manteve superior

nesse atributo. Aos 62 dias não ocorreu diferença entre os tratamentos e todos

apresentaram redução nos teores de ART. Essa redução nas etapas finais na

decomposição do resíduo pode estar ligada principalmente com a redução da

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

7 14 21 28 35 42 49 56 63

Um

ida

de

(%

)

Período de compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO

1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO 1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO

1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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biomassa ou composto, induzindo fortemente os fungos a consumir os açúcares

como fontes de carbono e obtenção de energia para seu próprio crescimento

(POMPEU, 2010).

Figura 4. Teores de açúcares redutores totais durante período de compostagem.

Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

A maior disponibilidade de ART no período inicial de compostagem ocorre em

função da maior disponibilidade de resíduo orgânico, maior intensidade de quebra

das moléculas orgânicas por enzimas secretadas por fungos. Estes fungos excretam

enzimas durante seu desenvolvimento degradando compostos para obtenção de

carbono, nitrogênio, enxofre e outros nutrientes, incluindo a glicose, resultante da

degradação da celulose por enzimas celulolíticas (DONINI et al., 2005).

O período de compostagem influenciou a condutividade elétrica (CE) com os

maiores valores no final do processo (p <0,05). Aos 7 e 21 dias teve baixos teores

de CE com probabilidade crescente de acordo com aumento da farinha. Já aos 39 e

62 dias a CE nos tratamentos foi decrescente de acordo com a adição da farinha. O

aumento da CE para o seu valor mais elevado aos 62 dias pode ser devido à

mineralização da matéria orgânica, ocasionado pela decomposição do resíduo em

função do aumento das doses de farinha e aumento da concentração de sais

solúveis (LI et al., 2012). A CE em todos os tratamentos aumentou, atingiu no final

Aa

Ba

AB

a

BA

Aa

Ba

Ba

Ba

Aa

AB

a

AB

a

Ba

AB

a

Aa

AB

a

Ba

Aa

AB

a

AB

a

Ba

Aa

Aa

Aa

Aa

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

7 21 39 62

Acu

ca

res re

du

tore

s to

tais

(%

)

Período de compostagem (dias)1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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do processo, valores de 2,33, 3,16, 2,73, 2,05, 2,20 e 1,95 mS cm-1 em 0; 14,2; 30,4;

42,6; 56,8 e 71 kg de FCO, respectivamente (Figura 5).

Figura 5. Condutividade elétrica durante período de compostagem. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

A CE é importante para verificar o grau de qualidade da transformação do

resíduo, que serve como indicativo dos níveis de fitotoxicidade pela quantidade de

sais presente no composto. Elevados teores de condutividade elétrica e a alta

concentração de ácidos orgânicos podem inibir a germinação de sementes

(MASSUKADO e SCHALCH, 2010).

As mudanças de pH foram observadas entre as épocas e nos tratamentos (p

<0,05). Na primeira etapa (7 dias) variou de 6,1 a 6,7, na segunda (21 dias) de 5,8 a

6,5, na terceira (39 dias) de 5,5 a 6,5 e na quarta etapa (62 dias) de 5 a 6,6 (Figura

6). A variação foi em função das doses da farinha, com exceção da primeira época.

Ba

AB

a AB

a

Aa

Ba

Ba

AB

a

Aa

Ba B

a

AB

a

Aa

Aa

Aa

Aa A

a

Aa

Aa A

a

Aa

Aa

Aa

Aa

Aa

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

7 21 39 62

Co

nd

utivid

ade e

létr

ica

(m

S/c

m)

Período de compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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Figura 6. pH durante período de compostagem. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

Valores mais altos de pH, a medida que aumenta o efeito ativador com a

adição de farinha foram observados aos 39 e 62 dias do processo de compostagem.

O pH elevado pode ser em função dos microrganismos que começam a degradar as

proteínas da farinha, resultou na liberação de amônia e gradual aumento do valor de

pH (HANAJIMA et al., 2010). Diminuição do pH, conforme observado na dose 0 e

14,2 kg de FCO aos 39 e 62 dias, pode ser devido à liberação de ácidos orgânicos e

inorgânicos durante a degradação da matéria orgânica (LI et al., 2012). A faixa de

pH considerada ótima para o desenvolvimento dos microrganismos responsáveis

pela compostagem situa-se entre 5,5 e 8,5, uma vez que a maioria das enzimas

encontram-se ativas nesta faixa de pH (VALENTE et al., 2009).

Quanto aos teores de proteína, houve crescimento ao longo do processo de

compostagem (p <0,05). Na primeira etapa (7dias) variou de 11,24 a 14,91, na

segunda (21 dias) de 13,30 a 16,76, na terceira (39 dias) de 15,59 a 18,06 e na

quarta etapa (62 dias) de 15,94 a 18,89 (Figura 7).

Aa

Bb

Cc

Dd

Aab

Aa

Bc

Cd

Bb A

a

Bb

Cc

Ab

Aab

Ab

Ab

Ab Aa Aa

Aa

Bb

Bab

AB

a Aa

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

7 21 39 62

pH

gu

a)

Período de compostagem (dias)1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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Figura 7. Teores de proteína durante período de compostagem. Médias seguidas da

mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

Esse comportamento pode ser devido a liberação de nitrogênio (7%) presente

na farinha ao longo do processo, promovendo o efeito ativador na transformação do

resíduo ruminal, conforme pode ser observado os baixos valores de proteína nos

tratamentos aos sete dias, principalmente o tratamento 0 e 14,2 kg de FCO. No

entanto, aos 21, 39 e 62 dias de compostagem estes mesmos tratamentos

obtiveram incremento significativo nos valores de proteína tendo seus valores

máximos aos 62 dias chegando próximos aos valores dos tratamentos 30,4; 42,6;

56,8 e 71 kg de FCO no mesmo período. Pode-se observar também que aos 21 dias

de compostagem houve pequena redução na porcentagem de proteína para os

tratamentos 42,6; 56,8 e 71 kg de FCO ficando abaixo dos valores encontrados para

os tratamentos 0; 14,2 e 30,4 kg de FCO no mesmo período.

O nitrogênio beneficia os tratamentos à medida que aumenta as dosagens de

farinha de carne e osso e funciona como ativador dos microorganismos. Essa

informação pode ser corroborada com o período de temperatura elevada nas pilhas

de compostagem.

3.2. Dinâmica microbiana do processo de compostagem do conteúdo

ruminal

3.2.1. Número de colônias

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Período compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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53

Durante o processo de compostagem foram isoladas e purificadas 263

bactérias e 116 fungos. Nenhuma levedura foi detectada. A quantidade de colônias

de bactérias (log UFC ml-1) foi influencia pelos diferentes compostos e pelas épocas

de amostragem do resíduo em compostagem para isolamento dos microrganismos

(p≤0,05). Na etapa inicial (7 dias) a quantidade de UFC teve variação de 6,09 a 6,69

log UFC ml-1, na segunda (21 dias) de 5,40 a 6,97 log UFC ml-1, na terceira (39 dias)

de 6,22 a 7,24 log UFC ml-1 e na quarta etapa (62 dias) de 6,14 a 7,55 log UFC ml-1

(Figura 8).

Figura 8. Número de colônias de bactérias (log UFC ml-1) em função de diferentes compostos e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de microrganismos. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

Durante o processo de compostagem, a quantidade de colônias de bactérias

foi superior na 4ª etapa (62 dias), com destaque para os tratamentos 42,6; 56,8 e 71

kg de FCO. Comportamento inverso foi observado na dose zero, ou seja, à medida

que o processo de compostagem evoluiu houve diminuição da quantidade de

bactérias. Já as condições que menos favorecem foram encontradas nos

tratamentos 30,4; 42,6 e 71 kg de FCO na 2ª etapa (21 dias) do processo de

compostagem. Pode-se observar que na 1ª e 2ª etapa (7 e 21 dias) as maiores

quantidades de colônias de bactérias foram encontradas no tratamento 56,8 kg de

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Periodo de compostagem(dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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54

FCO. Aos 39 dias de avaliação (3ª etapa) os maiores valores também foram

observados no tratamento 56,8 kg de FCO.

O número de colônias de fungos (log UFC ml-1) foram influenciados pelos

tratamentos e épocas de amostragem do resíduo durante o processo de

compostagem (p≤0,05). Na etapa inicial (7dias) a quantidade de UFC teve variação

de 1 a 1,8 log UFC ml-1, na segunda (21 dias) de 1,3 a 1,8 log UFC ml-1, na terceira

(39 dias) de 1,6 a 1,9 log UFC ml-1 e na quarta etapa (62 dias) de 1,5 a 1,7 log UFC

ml-1 (Figura 9).

Figura 9. Número de colônias de fungos (log UFC ml-1) em função de diferentes

compostos e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de microrganismos. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

Há uma probabilidade (p≤0,05) crescente na quantidade de colônias de fungos

da primeira à quarta coleta, destacando as coletas realizadas aos 39 e 62 dias,

respectivamente, assim como os tratamentos 14,2 e 30,4 kg de FCO da segunda

coleta. Pode-se observar que as colônias de fungos tiveram aumento nas etapas 3ª

e 4ª (39 e 62 dias) com destaque para os tratamentos 56,8 kg de FCO na 3ª etapa e

o tratamento 71 kg de FCO para a 4ª etapa. Ou seja, os períodos finais de

compostagem compreenderam os maiores valores de colônias de fungos. Já as

menores concentrações de colônias de fungos foram obtidas na 1ª etapa (7 dias) do

processo de compostagem em todos os tratamentos. Nessa etapa, em todos os

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7 21 39 62

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Período de compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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55

tratamentos a temperatura estava acima de 60 ºC (Figura 3). A diminuição da

quantidade de fungos aos sete dias foi presumivelmente o resultado da elevada

temperatura e condições desfavoráveis estabelecida durante a fase termofílica. Aos

21 dias do processo de compostagem, os tratamentos 14,2 e 30,4 kg de FCO

obtiveram as quantidades de colônias de fungos de todas as épocas e tratamentos.

Esses altos valores estão relacionados a grande quantidade de UFC de um único

fungo. No geral, as maiores quantidades de fungos foram encontradas nos

tratamentos 14,2 e 42,6 kg de FCO na 2ª etapa (21 dias) e o tratamento 56,8 kg de

FCO da 3ª etapa (39 dias) do processo de compostagem. Já os menores valores

foram encontrados nos tratamentos 14,2 e 56,8 kg de FCO na 1ª etapa (7 dias).

3.2.2. Diversidade de colônias

A diversidade de colônias de bactérias apresentou significância (p≤0,05) em

função dos tratamentos (compostos) e das épocas de coletas dos materiais (7, 21,

39 e 62 dias) (Figura 10). A compreensão dessa dinâmica da comunidade

microbiana é importante para melhorar a eficiência do processo de compostagem

(BROWN et al., 2008)

Figura 10. Diversidade de colônias de bactérias em função de diferentes compostos e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de microrganismos. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

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Periodo de compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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Com o avanço no tempo do processo de compostagem ocorreu a redução na

temperatura e favoreceu a ocorrência dos organismos mesófilos, que atuaram por

menor tempo sobre o processo de compostagem. A maior diversidade de colônias

de bactérias isoladas foi durante a 3ª etapa (39 dias) de compostagem. Nessa etapa

as maiores diversidades de colônias de bactérias foram verificadas nos tratamentos

30,4 kg de FCO (19 colônias), 0 kg de FCO (18 colônias), 14,2 kg de FCO (15

colônias) e 71 kg de FCO (14 colônias), já o 42,6 kg de FCO e 56,8 kg de FCO

foram semelhantes com 13 colônias, com pouco influencia do efeito ativador de

doses crescentes da farinha.

Nas demais épocas, níveis mais baixos foram observados com os tratamentos

42,6; 56,8 e 0 kg de FCO aos 7 dias, 14,2 kg de FCO aos 21 dias, 42,6 e 56,8 kg de

FCO aos 39 dias e 30,4 kg de FCO aos 62 dias. A maior diversidade de colônias de

bactéria foi observada no tratamento 30,4 kg de FCO, seguido pelo 0 kg de FCO e

14,2 kg de FCO da terceira coleta e pode está relacionado com a temperatura

durante a coleta desse material, as quais variaram de 30 a 37 ºC temperatura esta

que favorece o desenvolvimento de organismos mesófilos (25ºC<T<45ºC). Esse fato

fica mais evidenciado quando observa-se que à medida que a temperatura aumenta,

ocorre redução nas colônias de bactérias, o que pode ser mais evidência de que

nessa fase ocorre predominância de bactérias mesófilas.

A temperatura segundo Hassen et al. (2001) é um dos principais indicadores da

compostagem e determina a velocidade a que muitos dos processos biológicos tem

lugar e desempenha papel seletivo na evolução e sucessão nas comunidades

microbiológicas.

Menor quantidade de colônias de bactérias foi observada nos tratamentos 71 e

30,4 kg de FCO (7 dias), 71 e 30,4 kg de FCO (21 dias) e 42,6 kg de FCO (62 dias).

Na pilha de compostagem do tratamento 71 e 30,4 kg de FCO aos 7 e 21 dias a

temperatura chegou próximo a 70ºC, o que pode ter inibido a diversidade de

bactérias termófilas.

No início da decomposição dos resíduos orgânicos, na fase mesófila,

predominam bactérias, que são responsáveis pela quebra inicial da matéria

orgânica, promovendo a liberação de calor na massa em compostagem. Nesta fase,

ocorre a atuação de fungos que utilizam a matéria orgânica sintetizada pelas

bactérias e outros microrganismos como fonte de energia (VALENTE et al., 2009),

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57

no entanto em menor quantidade. Isso justifica o fato de ter-se isolado maior

quantidade de colônias de bactérias em relação aos fungos (Figura 7). Se comparar

a diversidade de colônias de bactérias com as colônias de fungos em função dos

diferentes compostos e das diferentes épocas de coleta verifica-se grande diferença,

com as bactérias bem superior em quantidade ao longo do processo de

compostagem.

A diversidade de colônias de fungos apresentou significância ao teste F

(p≤0,05), diferindo (p≤0,05) em função dos tratamentos e das épocas de

amostragem (7, 21, 39 e 62 dias). Na primeira etapa (7dias) a diversidade de fungos

variou de 2 a 6 colônias, na segunda (21 dias) de 2 a 6 colônias, na terceira (39

dias) de 4 a 8 colônias e na quarta etapa (62 dias) de 3 a 5 colônias (Figura 11). A

diversidade dos fungos é bem menor que as de bactérias e seguiu a mesma

tendência, com os maiores valores ocorridos na terceira etapa (39 dias), nos

tratamentos 0 kg de FCO (8 colônias), 14,2 kg de FCO (6 colônias) e 71 kg de FCO

(6 colônias), possivelmente por ter sido observado as menores temperaturas durante

a fase de degradação do material, antes de atingir a estabilização do composto.

Figura 11. Diversidade de colônias de fungos em função de diferentes compostos

(tratamentos) e épocas de coleta do material em compostagem para isolamento de microrganismos. Médias seguidas da mesma letra maiúscula entre as épocas de coleta não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05) e médias seguidas da mesma letra minúscula dentro dos tratamentos não diferem entre si ao teste tukey (p≤0,05). Gurupi-TO, 2016.

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Periodo de compostagem (dias)

1 m³ de RRB + 0 kg de FCO 1 m³ de RRB + 14,2 kg de FCO 1 m³ de RRB + 30,4 kg de FCO

1 m³ de RRB + 42,6 kg de FCO 1 m³ de RRB + 56,8 kg de FCO 1 m³ de RRB + 71 kg de FCO

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Já a menor diversidade de colônias de fungos foram verificadas nos

tratamentos 0; 14,2; 56,8 e 71 kg de FCO, ambos na 1ª etapa (7 dias) da

compostagem, e nos tratamentos 42,6 e 71 kg de FCO na etapa 2 (21 dias). O

limite para a atividade fúngica parece ser 60ºC (DAY e SHAW, 2005). Essa

informação explica também o motivo da etapa 1 (7 dias) ter apresentado no geral as

menores quantidades de colônias de fungos, pois nessa fase foram observadas

temperaturas acima de 60ºC. A diminuição da diversidade de fungos aos sete dias

foi presumivelmente o resultado da elevada temperatura e condições desfavoráveis

estabelecida durante a fase termofílica.

Diante disso, efeito ativador pelo uso de doses crescentes da FCO tende a ser

negativo para a quantidade e diversidade de bactérias e fungos no início do

processo de decomposição do resíduo ruminal bovino e a partir dos 39 dias o efeito

passa a ser significativamente positivo em função do aumento das doses de FCO. A

alteração nos indicadores temperatura, umidade, açúcares redutores totais,

condutividade elétrica, pH e proteína indicaram aumento na degradação do resíduo

ruminal bovino em função do efeito ativador com o uso de doses crescentes da

FCO.

4. CONCLUSÕES

O efeito ativador com o uso de doses crescentes da farinha proporcionou

alteração nos indicadores temperatura, açúcares redutores totais, condutividade

elétrica, pH e proteínas totais indicando aumento na degradação do resíduo ruminal

bovino. A partir dos 39 dias o efeito ativador passa a ser significativamente positivo

em função do aumento das doses de farinha.

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CAPITULO 3

COMPATIBILIDADE DE CULTURA MISTA COM FUNGOS CELULOLÍTICOS PARA DEGRADAÇÃO DE RESÍDUO RUMINAL EM PILHAS DE COMPOSTAGEM RESUMO A prospecção de linhagens de fungos a partir de fontes diversificadas e de baixo custo, como os resíduos agroindustriais, pode levar a melhor produção enzimática e também possíveis fontes de inóculo. Diante disso, objetivou-se avaliar a compatibilidade de cultura mista de fungos celulolíticos para bioconversão de resíduos ruminal em pilhas de compostagem. O experimento foi implantado em arranjo fatorial 6 x 4, com o primeiro fator equivalente a seis tratamentos de conteúdo ruminal bovino enriquecido e o segundo a quatro épocas de amostragem durante o processo de compostagem (7, 21, 39 e 62 dias). A triagem dos fungos celulolíticos aos 7, 21, 39 e 62 dias foi realizada em meio de Vogel, suplementado com 1% da fonte de carbono carboximetilcelulose. Os isolados que obtiveram os maiores índices enzimáticos foram testados em cultivos submersos, suplementado com 1% da fonte de carbono para a produção das enzimas FPase, endoglicanase, exoglicanase e xilanase. Os fungos com as maiores produções enzimáticas foram testados quanto ao desenvolvimento e compatibilidade em cultura mista por fermentação em estado sólido, contendo 10 g do conteúdo ruminal + 2,84 g de farinha de carne e osso. Inicialmente, foram isolados 116 fungos, na qual, 41% apresentaram halo indicador da degradação da carboximetilcelulose. Os fungos que apresentam potencial para produção das enzimas FPase (1T5501-0,203 U.ml), endoglucanase (1T5501-42,563 U.mL) e xilanase (2T5501-20,122 U.mL) e quando em compatibilidade por fermentação estado sólido, ocorreram interações mutualísticas em duas combinações para produção de celulases e uma combinação para xilanase. Assim, o conteúdo ruminal bovino enriquecido mostra-se como potencial fonte de inóculo para futuros processos de compostagem. Palavras chave: resíduo frigorífico, processos fermentativos, celulases, inóculo.

COMPATIBILITY ASSESSMENT CULTURE MIXED FUNGI CELLULOLYTIC RUMINAL FOR WASTE COMPOSTING BIOCONVERSION IN CELLS

ABSTRACT

The prospect of fungal strains from diverse sources and low cost, such as agricultural residues, can lead to improved enzyme production as well as possible sources of inoculum. The research objective was to evaluate the mixed culture compatibility cellulolytic fungi for bioconversion rumen waste in compost piles. The experiment was carried out in factorial arrangement 6 x 4, the first factor equivalent to six treatments of bovine rumen contents enriched and the second to four sampling periods during the composting process (7, 21, 39 and 62 days). The screening of cellulolytic fungi at 7, 21, 39 and 62 days was performed on Vogel's medium supplemented with 1% carboxymethylcellulose carbon source. Isolates that had the highest enzyme levels were tested in submerged cultures supplemented with 1% carbon source for the production of FPase enzymes, endoglucanase, exoglucanase

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and xylanase. Fungi with the highest enzyme production were tested for development and compatibility in mixed culture by solid state fermentation, containing 10 g of rumen contents + 2.84 g of meat and bone meal. Initially, they were isolated mold 116, in which 41% had carboxymethylcellulose halo indicator of degradation. The fungi have potential for the production of enzymes FPase (1T5501-0,203 U.ml), endoglucanase (1T5501-42,563 U.ml) and xylanase (2T5501-20,122 U.ml) and when in compatibility by fermentation solid, there mutualistic interactions two combinations for the production of cellulase to xylanase and a combination. Thus, the bovine rumen contents enriched shows up as a potential source of inoculum for further composting processes. Key words: residue fridge, fermentation processes, cellulases, inoculum. 1. INTRODUÇÃO

A produção de biomassa e sua conversão bioquímica em produtos de maior

valor agregado é tema central de várias áreas de estudo para a mitigação de

problemas ambientais gerados em função da deposição inadequada de resíduos

provenientes da agropecuária. Nas últimas décadas, com a consolidação massiva

de operações de alimentação de animais confinados surgiu a necessidade de novos

sistemas de gestão de resíduos que sejam viáveis e ambientalmente corretos

(CANTRELL et al., 2008). No Brasil, o rebanho bovino abatido no ano de 2014 foi de

aproximadamente 34 milhões de cabeças, enquanto que o Estado do Tocantins

contribuiu com a produção de mais 1,15 milhões de cabeças de gado (IBGE, 2015).

Cada animal, no abate, pode produzir até 25 kg de conteúdo ruminal o que resulta

em produção de aproximadamente 847 mil toneladas de biomassa no País, ou 29

mil toneladas destes resíduos no Estado (VASCONCELOS et al., 2013).

Visto como desperdício nas operações de abate (SHERESTHA et al., 2011), o

conteúdo ruminal pode passar por vários tratamentos biológicos para promover a

bioconversão dos polímeros de lignocelulose em produtos de maior valor agregado

como biocombustíveis, biofertilizantes, biogás, e compostos oriundos da

compostagem (ROY et al., 2013; JIN et al., 2014). Os resíduos do conteúdo ruminal

podem melhorar as propriedades físicas do solo pela matéria orgânica, melhorar a

estrutura do solo, suprimir os patógenos do solo e aumentar o crescimento vegetal.

No entanto, este composto in natura ou imaturo pode causar fitotoxicidade às

plantas e afetar adversamente o ambiente quando aplicado ao solo (FREITAS et al.,

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2013), tornando-se necessário submeter estes resíduos a processos de maturação e

transformação de sua matéria orgânica.

A bioconversão dos polímeros lignocelulósicos pode ser realizada através do

processo de compostagem, que é processo microbiológico aeróbio desenvolvido por

microrganismos, o que leva a decomposição e estabilização da matéria orgânica

durante três fases: mesofílica, termofílica e maturação (BIAŁOBRZEWSKI et al.,

2015). Uma variedade de enzimas hidrolíticas rege o processo de compostagem e

controlam a velocidade em que os vários substratos são degradados (SHI et al.,

2011). Desse modo, a bioconversão da celulose do conteúdo ruminal, pode ser

conseguida principalmente através das ações sinérgicas de conjunto de enzimas

hidrolases denominadas celulases (SADHU e MAITI, 2013). A hidrólise enzimática

de material celulósico em glicose envolve a ação sinérgica de pelo menos três

enzimas diferentes: Endoglucanase, exoglucanase e glicosidase (LI et al., 2013). As

endoglucanases clivam randomicamente os sítios internos amorfos da cadeia

polissacarídica da celulose, originando oligossacarídeos de vários comprimentos; as

exoglucanases - atuam nos terminais redutores ou não-redutores das cadeias de

celulose, liberando glicose ou celobiose; e as glicosidase hidrolisam celobiose e

oligossacarídeos solúveis em glicose (NURKANTO, 2009; CASTRO e PEREIRA,

2010). O sinergismo entre estes três tipos de enzimas é que torna possível a efetiva

degradação da celulose (VRIES e VISSER, 2001).

A capacidade de produzir enzimas que degradam a celulose em temperaturas

mais elevadas e possuírem maior estabilidade térmica tem sido alvo de pesquisas.

Além de serem novas opções para a produção de celulases termotolerantes, os

fungos termofílicos, sintetizam celulases resistentes à pHs de alcalinidade e acidez

elevadas. Também conseguem desenvolver-se em variedade de substratos com

menores riscos de contaminação por outros microrganismos (BHAT e BHAT, 1997).

Celulases termoestáveis possuem diversas aplicações industriais, tais como

indústrias de alimentos e açúcar, onde processos de altas temperaturas, como

pasteurização, são utilizados. Outras aplicações incluem indústrias de

biocombustíveis, papel, tratamento de resíduos domésticos e agroindustriais (JANG

e CHEN, 2003).

O interesse comercial nos fungos filamentosos se deve a sua capacidade de

decompor diferentes substratos, o que pode gerar produtos ou processos, como o

isolamento de enzimas e a biodegradação de resíduos. Assim, a seleção de

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microrganismos celulolíticos durante o processo de compostagem é de suma

importância, tendo em vista a procura de novos microrganismos produtores de

enzimas e a melhoria de suas aplicações agronômicas e biotecnológicas (AMORE et

al., 2013, YEOMAN et al., 2010).

Diante disso, objetivou-se avaliar a produção enzimática e desenvolvimento de

cultura mista a partir de fungos filamentosos celulolíticos provenientes da

compostagem de conteúdo ruminal bovino.

2. MATERIAL E MÉTODOS

2.1 Seleção de Microrganismos Produtores de Enzimas Extracelulares

O trabalho foi conduzido na Universidade Federal do Tocantins (UFT), Campus

Universitário de Gurupi, coordenadas de 11°44’44,16” de latitude sul e 49°03’04,17”

de longitude oeste, a 280 m de altitude no sul do estado do Tocantins.

O experimento foi implantado em arranjo fatorial 6 x 4, com o primeiro fator

equivalente a seis tratamentos de conteúdo ruminal bovino (CRB). Os seis

tratamentos foram constituídos por 1 m³ de conteúdo ruminal bovino (CRB) e seis

doses de farinha de carne e osso (FCO), sendo 0; 14,2; 30,4; 42,6; 56,8 e 71 kg de

FCO e o segundo fator são quatro épocas de amostragem durante a compostagem

(7, 21, 39 e 62 dias). O processo de compostagem foi avaliado durante 73 dias.

As amostras (500 g) foram coletadas durante as fases da compostagem nos

dias 7, 21, 39 e 63. Para coleta das amostras foi realizado corte transversal (5cm) de

cima a baixo no centro da pilha e também coletas na região frontal, lateral e topo

(Figura 1).

Figura 1. Pontos de amostragens em pilhas de compostagem de conteúdo ruminal

bovino. Gurupi – TO, 2016.

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As amostras dos diferentes pontos, juntamente com a amostra do corte

transversal foram homogeneizadas e encaminhadas ao laboratório para serem

armazenadas em ambiente refrigerado (4°C) até serem analisadas.

2.2. Isolamento dos microrganismos

O isolamento dos microrganismos foi realizado com diluições seriadas

conforme proposto por Clark (1965). Inicialmente, 10 g do composto orgânico foi

adicionado em 90 mL de solução salina peptonada estéril, composta por 0,85% (p/v)

de cloreto de sódio e 0,1% (p/v) de peptona bacteriológica (Silva e Junqueira, 1995).

A amostra foi homogeneizada e mantida sob agitação em mesa agitadora orbital a

127 rpm, por 15 min. Posteriormente, sucessivas diluições seriadas foram realizadas

e 100 μL de amostra foram transferidas à placas de Petri contendo meio de cultura e

espalhadas com auxílio de alça de Drigalsky.

O meio utilizado para o crescimento foi o ágar batata dextrose (BDA) (em g L-1)

preparado de acordo com o fabricante acrescido de antibiótico cloranfenicol 0,1%

para crescimento de fungos. As placas inoculadas foram incubadas a 28±2°C e

avaliadas diariamente por até 5 dias. As colônias foram separadas com base no

aspecto do micélio, cor dos esporos e características do anverso e reverso das

colônias. As colônias foram transferidas para as placas contendo meio de cultura

ágar batata dextrose (BDA), por 5 dias, 28±2°C. Estas colônias foram reinoculadas

em meio de seleção até a obtenção de culturas puras. As colônias puras dos fungos

foram preservadas seguindo o método de Castellani (1967) e mantidas a 4°C.

2.3. 1ª Triagem: microrganismos celulolíticos

Os fungos isolados foram avaliados quanto às suas atividades celulolíticas em

placas contendo meio mínimo Agar sais de Vogel (VOGEL, 1956) e em (g L-1)

(Na3C6H5O7.5H2O, 150; KH2PO4, 250; MgSO4.7H2O, 10; CaCl2.2H2O, 5) solução de

biotina (0,1 mg Ml-1) 5; clorofórmio 0,2 mL, solução de elementos traços (g L-1), 5 mL

[C6H8O7.H2O, 50; ZnSO4.7H2O, 50; Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O,10; CuSO4.5H2O, 2,5;

MnSO4.H2O, 0,05; H3BO3, 0,05; Na2MoO4.2H2O, 0,05], diluído 50 vezes em água

destilada, suplementado com 0,2% de extrato de levedura, e 1% (m/v) da fonte de

carbono, sendo carboximetilcelulose (CMC). Os isolados foram previamente ativados

em meio BDA e inoculados no centro da placa de Petri, incubados à temperatura de

30°C. Os isolados foram identificados de acordo com a época de coleta, tratamento

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e um código que se inicia com número 500, como exemplo 1T3506. A revelação

para detecção de atividade enzimática foi realizada no terceiro dia após o repique e

em triplicata.

A revelação para a determinação de atividade celulolítica foi realizada pela

adição da solução de vermelho congo 0,25% (m/v) em tampão Tris-HCl 0,1 M pH

8,0, conforme o método proposto por Hankin e Anagnostakis (1975). A lavagem da

superfície do meio foi conduzida com solução de NaCl 1M no mesmo tampão e

observado um halo transparente em contraste com meio opaco. Os cultivos em que

foi possível observar a formação de um halo ao redor da colônia tiveram sua

atividade avaliada através do índice enzimático (IE), ou seja, o diâmetro do halo

dividido pelo diâmetro da colônia (HANKIN e ANAGNOSTAKIS, 1977).

2.4. Seleção de fungos filamentosos celulolíticos

2.4.1. 2ª Triagem: cultivo submerso

Os cultivos submersos foram preparados em frascos Erlenmeyer de 125 mL,

contendo 30 mL de meio líquido de Vogel (VOGEL, 1956), suplementado com 1% da

fonte de carbono (farelo de trigo) e esterilizados a 121ºC por 15 minutos. Os cultivos

foram inoculados com 1 mL de uma suspensão de 107 esporos mL-1. Os cultivos

foram mantidos por 5 dias a 100 rpm, 30°C. Os caldos fermentados foram filtrados

em banho de gelo e congelados para avaliação da atividade enzimática. Todos os

cultivos e ensaios foram realizados em triplicata.

2.5. Análise enzimática

2.5.1. Atividade de celulases totais (FPase)

A atividade de celulases totais (FPase) foi determinada de acordo com as

recomendações da IUPAC com uso de papel de filtro (Whatmann n°.1) medindo 1,0

x 6,0 cm, equivalente a 50 mg, como substrato (GHOSE, 1987). O meio reacional

consistiu de mistura de tampão de citrato de sódio 0,05 M pH 4,8 e tira de papel

filtro. A reação foi iniciada com a adição de 0,5 ml do extrato enzimático, mantendo-

se por 60 min, à 50°C. A reação foi interrompida pela adição de 3 mL de DNS e

mantidas a 100oC por 5 minutos. Após o resfriamento das amostras foram

adicionados 20 mL de água destilada. As leituras foram realizadas em

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espectrofotômetro a 540 ƞm. A liberação de açúcares redutores foi determinada de

acordo com Miller (1959), utilizando-se glicose como padrão (coeficiente de extinção

molar: 59,70 M-1 cm-1). Uma unidade de atividade enzima foi definida como a

quantidade de enzima necessária para liberar 1 µmol de glicose por minuto por

mililitro.

2.5.2. Atividade de endoglucanase, exoglucanase e xilanase

As atividades de endoglucanase, exoglucanase e xilanase foram

determinadas utilizando 1% de carboximetilcelulose (CMC), Avicel ou xilana,

respectivamente, em tampão acetato de sódio 0,05M, pH 5,5. O meio reacional

consistiu de 400 µL do substrato e 400 µL do extrato enzimático, mantidos a 60 oC.

Após intervalos de tempos 0 (controle), 5 e 10 min, alíquotas de 200 μL foram

retiradas do meio reacional e a reação foi interrompida pela adição de 200 μL de

DNS e fervidas por 5 minutos a 100ºC. As amostras foram resfriadas e adicionou-se

2 mL de água destilada. As leituras foram realizadas em espectrofotômetro a 540

ƞm. A liberação de açúcares redutores foi determinada de acordo com Miller (1959),

utilizando-se glicose ou xilose como padrão (coeficiente de extinção molar: glicose

80,54 M-1 cm-1 ou xilose 74,27 M-1 cm-1). Uma unidade de enzima foi definida como a

quantidade de enzima necessária para liberar 1 μmol de glicose ou xilose por min

por mL.

2.5.3. Desenvolvimento de cultura mista

2.5.3.1.Teste de compatibilidade in vitro

As interações foram realizadas por oposição direta entre culturas duplas de

micélio, conforme descrito por Skidmore e Dickinson (1976); Stahl e Christensen,

(1992) e Molla et al., (2001). Os cinco modos de interações entre fungos

filamentosos são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1. Modelos de interação entre fungos filamentosos.

Interação Definição

1 Entrelaçamento mútuo Crescimento em que ambos os fungos crescem sem sinal macroscópico de interconexões.

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2 Entrelaçamento mútuo parcial

Crescimento onde o fungo cresce acima ou abaixo do outro sem qualquer zona de inibição.

3 Invasão/substituição Um micélio cresce sobre o outro e começa consumi-lo, podendo substituí-lo.

4 Inibição (ponto de contato) Os fungos aproximam-se um do outro até com uma linha de demarcação de 1 a 2 mm, entre as duas colónias claramente visíveis.

5 Inibição (a distância) Inibição a uma distância > 2 mm.

2.5.4. Desenho experimental para os testes de compatibilidade

A avaliação das interações entre os fungos foram realizadas em meio de

cultura BDA. Dois discos (7 mm) de diferentes fungos foram cultivados a 4 cm de

distância na mesma placa de Petri para avaliar as diferentes interações fúngicas

(Figura 02). Os controles foram realizados em cultura pura inoculados no canto da

placa. Os cultivos foram mantidos a 30°C e observados diariamente até ser possível

identificar o tipo de interação. Os testes foram realizados em duplicata.

Figura 2. Diagrama esquemático das interações entre duas linhagens diferentes de

fungos filamentosos crescidos em ágar batata dextrose (Modificado de Stahl e Cristensen, 1992).

1- Entrelaçamento mútuo

2- Entrelaçamentos mútuos parciais

3a- Invasão/substituição (fase inicial) 3b- Invasão/substituição (fase final)

4- Inibição (ponto de contato) 5- Inibição (a distância)

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2.5.5. Teste de compatibilidade entre fungos filamentosos em cultivos

em estado sólido

Os cultivos em substrato sólido foram realizados em sacos plásticos de

polipropileno contendo 10 g do conteúdo ruminal + 2,84 g de FCO acrescidos 12,84

mL de água destilada e então esterilizados em autoclave a 121oC durante 20 min. A

inoculação do substrato foi realizada com 1 mL de suspensão de esporos

padronizada a 106 esporos mL-1, devidamente homogeneizados. Nos cultivos mistos,

a inoculação foi realizada com 1 mL de suspensão de esporos padronizada a 106

esporos mL-1 para cada fungo. Os cultivos foram mantidos à 30°C durante 6 dias.

A extração das enzimas foi realizada adicionando-se 100 mL de água destilada

gelada ao meio fermentado ao qual, posteriormente, foi submetido a centrifugação

orbital à 8000 rpm, por 20 min. O meio foi então filtrado a vácuo, em banho de gelo e

o extrato foi acondicionado em tubos de ensaio no congelador e posteriormente

utilizado para avaliação da atividade enzimática. Todos os cultivos e ensaios foram

realizados em triplicata.

2.6. Estatística

As análises das amostras foram realizadas em triplicata e a média dos valores

são apresentados com desvio-padrão. Os resultados obtidos para produção das

enzimas foram submetidos ao teste F a 5% de significância e comparados pelo teste

de média Scott Knott a 5% de probabilidade e realizado análises de variância.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Etapa 1: Seleção de microrganismos produtores de enzimas

extracelulares

O processo de compostagem do conteúdo ruminal suplementado com farinha

de carne e osso foi avaliado ao longo de 73 dias e vários fungos filamentosos com

potencial celulolíticos foram isolados através de diluições seriadas e as placas

inoculadas foram incubadas a 28±2°C por até 5 dias. Inicialmente, 116 linhagens de

fungos filamentosos foram isoladas. O isolamento procedeu em diferentes períodos

de compostagem, ocorrendo aos 7, 21, 39 e 62 dias. As linhagens obtidas deste

processo foram avaliadas quanto à produção de enzimas celulolíticas em meio

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sintético, com utilização de carboximetilcelulose como única fonte de carbono

(Tabela 2).

Tabela 2. Atividade celulase de fungos filamentosos isolados da compostagem de resíduos de frigorifico, cultivados em meios sintéticos com carboximetilcelulose por 5 dias a 30°C. Øc = diâmetro da colônia (mm); Øh = diâmetro do halo (mm); Ie = índice enzimático; (-) = não produziu halo. Gurupi-TO, 2016.

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De todos os isolados analisados, observou-se que 41% dos fungos

filamentosos apresentaram halo de degradação, e os maiores índices enzimáticos

(acima de 1,20) foram observados nos isolados: 2T3502, 1T3506, 3T5506, 1T5501,

2T4504, 1T2506, 1T3503, 4T3505, 1T1502, 2T2500, 2T5501, 1TO501, 1T1500,

3T3503, 1T3500 e 4T1501. Os isolados foram identificados de acordo com a época

de amostragem, tratamento e código que se inicia com número 500, como exemplo

o 1T3506.

Dos fungos (1T0500 a 1T5501) isolados aos sete dias do processo de

compostagem, 78,12% apresentaram halo de degradação nas placas contendo

carboximetilcelulose (CMC), enquanto que nas etapas seguintes, aos 21, 39 e 62

dias foram 30,43, 17,64 e 34,78%, respectivamente. Dos isolados com maiores

índices enzimáticos (IE ≥1,2) 50% foram selecionados na fase termofílica da

compostagem (7 dias de compostagem), com os demais isolados obtidos após 21,

39 e 63 dias (25, 12,5 e 12,5%, respectivamente). Diante disso, pode-se até sugerir

que a melhor época de amostragem para obtenção fungos celuloliticos em

compostagem de conteúdo ruminal suplementado com farinha de carne e osso é a

fase termofílica.

Os maiores índices enzimáticos de celulase foram observados com os isolados

1T3506 e 2T3502 com diâmetro de halos 2,0 e 2,33, respectivamente. O índice

enzimático pode ser utilizado como medida simples e rápida para selecionar

linhagens com potencial produção de enzimas dentro de uma mesma espécie.

Ruegger e Tauk-Tornisielo (2004) observaram que 45% dos isolados de fungos

isolados do solo apresentaram formação do halo de degradação de celulose, entre

elas, algumas colônias com pouco crescimento apresentaram os maiores índices

enzimáticos, como Penicillum herquei e Trichoderma hamatum, Penicillum micznskii,

Penicillum verrucosum e Penicillum glabrum. Resultados semelhantes foram

observados no presente estudo com o fungo 3T5506 que apresentou colônia de

menor diâmetro e alto valor do índice enzimático.

3.2. Etapa 2: Seleção de fungos celulolíticos em cultivo submerso

As enzimas FPase, endoglucanase, exoglucanase e xilanase foram

produzidas pelas linhagens de fungos previamente selecionadas com índice

enzimáticos maiores que 1,2 (Tabela 2). Dentre os fungos com potencial para a

produção de FPase, observou-se que o isolado 1T5501- 0,203 U mL-1 obtido na

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fase termofílica da compostagem, seguido pelos isolados 1T3503 (0,114 U mL-1),

2T4504 (0,100 U mL-1) e 3T5506 (0,088 U mL-1) (Tabela 3). Valores mais baixos

foram observados em 2T5501, 1T3500, 1T3506, 3T3503, 4T3505, 2T2500, 1T2506,

1T1502, 2T3502, 1T1500, 4T1501 e 1T0501.

A maior produção de endoglucanase, foi observada com os isolado 1T5501

(42,563 U mL-1), seguido por 3T5506 (27,29 U mL-1) e 1T2506 (22,207 U mL-1).

Níveis mais baixos de produção foram observados com as linhagens 1T3506,

1TI502, 1T3503 e 1T3500.

Tabela 3. Produção de FPase, endoglicanase, exoglicanase e xilanase por fungos filamentosos provenientes de conteúdo ruminal bovino em fonte de carbono farelo de trigo. Gurupi-TO, 2016.

Fungo I.E. FPase Endoglicanase Exoglicanase Xilanase

U mL-1 U mL-1

U mL-1 U mL-1

1T0501 1,20 0,016±0,001 b 9,715 ± 1,694 d 0,091± 0,017 b 5,415± 0,081 e

1TI500 1,20 0,030±0,005 b 2,775 ± 0,707 e 0,041± 0,017 d 1,140± 0,211 f

1TI502 1,25 0,052±0,014 b 12,028± 1,039 d 0,094± 0,021 b 12,996±0,234 c

1T2506 1,41 0,055±0,013 b 22,206± 3,926 c 0,005± 0,000 f 1,368± 0,314 f

1T3503 1,40 0,113±0,027 b 11,566± 2,849 d 0,029± 0,004 e 4,104± 0,658 e

1T3506 1,98 0,063±0,017 b 18,968± 2,859 c 0,065± 0,015 c 17,101± 1,888 b

1T3500 1,20 0,063±0,011 b 11,566± 2,414 d 0,029± 0,001 e 16,189±1,492 b

1T5501 1,48 0,202±0,043 a 42,563± 2,617 a 0,183± 0,014 a 0,456±0,141 f

2T2500 1,60 0,058±0,019 b 6,476± 0,8231 e ND 8,208± 1,273 d

2T3502 2,33 0,038±0,007 b 4,626± 0,77e 0,023± 0,002 e 1,596± 0,385 f

2T4504 1,45 0,099±0,021 b 8,790± 0,654 d 0,035±0,002 d 2,052± 0,967 f

2T5501 1,20 0,077±0,007 b 11,566± 1,772 d ND 23,257± 1,29 a

3T3503 1,20 0,058±0,003 b 2,313± 0,443 e ND ND

3T5506 1,79 0,088±0,015 b 27,295± 1,857 b ND 4,332± 0,322 e

4T1501 1,32 0,024±0,002 b 4,626± 0,992 e 0,023± 0,001 e 0,684± 0,0312 f

4T3505 1,38 0,058±0,003 b 4,626± 0,337 e 0,053±0,003 d 6,156± 1,257 e

Condições de cultivo: 120 h de incubação, á 30º C. ND (Não produziu). A identificação dos fungos

com início 1, 2, 3 ou 4, representa as épocas de coletas aos 7, 21, 39 e 62 respectivamente.

A produção de exoglicanase também foi alta para a linhagem 1T5501 (0,183 U

mL-1). Níveis inferiores foram observados com as linhagens 1T1502 (0,094 U mL-1),

1T0501 (0,091 U mL-1) e 1T3506 (0,065 U mL-1). Vinte e cinco por cento das

linhagens não apresentaram atividade enzimática na condição de cultivo analisada.

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Isolar fungos em temperaturas altas, faixa de 45 a 65ºC é fator importante quando o

objetivo se trata de selecionar fungos termofílicos verdadeiros (ANG et al., 2013).

Apenas os organismos que produzem adequados níveis de endoglucanase,

exoglucanase, seriam eficientes degradantes da lignocelulose (KUMAR et al., 2008).

Esse fato pode ser observado no fungo 1T5501, que foi superior na produção das

enzimas FPase (0,202 U mL-1), endoglucanase (42,56 U mL-1) e exoglucanase

(0,183 U mL-1), que possui a capacidade de desestabilizar a estrutura da lignina, que

por sua vez degradam os componentes do conteúdo ruminal a partir dos quais

obtêm energia para seu crescimento e reprodução (CHAGAS e DURRANT, 2001;

TUOMELA et al., 2000).

A maior produção de xilanase foi observada com o isolado 2T5501. Os isolados

1T3500, 1T3506 e 1TI502 apresentaram níveis intermediários de produção. Em

conjunto com as celulases possuem ampla variedade de aplicações biotecnológicas

nas indústrias de alimentos, ração animal, têxteis, papel e celulose e outros setores

(BHAT, 2000) e os resultados são promissores, principalmente quando relacionados

à questão da termofilia.

3.3. Desenvolvimento de cultura mista para produção de enzimas

O processo de compostagem pode ocorrer naturalmente com o envolvimento

de microrganismos presentes no conteúdo ruminal. Contudo, quantidade insuficiente

ou baixa biodegradabilidade da comunidade microbiana indígena pode levar à baixa

eficiência da compostagem e qualidade do composto indesejável (XI et al., 2007). O

inóculo que é uma cultura ou mistura de várias culturas puras, seria a forma de

aumentar em número e diversidade a comunidade microbiana das leiras de

compostagem, além de poder direcionar para a degradação de um resíduo

específico e/ou assegurar degradação mais completa dos componentes do material

em compostagem.

Entre os 16 isolados para produção de enzima celulolítica, quatro linhagens

1T5501, 1T3503, 2T4504 e 3T5506 demonstraram potencial para FPase e quatro

(2T5501, 1T3500, 1T3506 e 1T1502) para xilanse. Foram utilizados para os testes

de confronto direto em placas, os isolados de FPase e xilanase entre si para verificar

o tipo de interação entre eles. As interações apresentaram bastante diversidade com

relação aos fungos utilizados, que variou as formas de crescimento e movimento do

micélio. Tanto as combinações entre os fungos produtores de FPase quanto para os

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de xilanase apresentaram interações compatíveis e incompatíveis. Das combinações

realizadas para FPase somente 1T5501/1T3503, 1T3503/1T3506 obtiveram

interações compatíveis ou entrelaçamento mútuo e a interação 1T5501/2T4504 teve

compatibilidade parcial com entrelaçamento mútuo parcial. A interação entre os

fungos 1T5501/3T5506 e 1T3503/2T4504 resultou em incompatibilidade com

inibição em ponto de contato e inibição à distância respectivamente. Apenas uma

das interações, 2T4504/3T5506 ocasionaram incompatibilidade do tipo

invasão/substituição na fase inicial (Tabela 4).

Tabela 4. Tipos de interação entre quatro fungos obtidos pra FPase e entre quatro

fungos obtidos pra xilanase em meio BDA. Gurupi-TO, 2016.

Condições de cultivo: os cultivos foram mantidos a 30

oC. Legenda: BDA (ágar dextrose batata). Os

números de 1 a 6 representam as combinações dos isolados para a enzima FPase e Xilanase.

Entre as combinações realizadas para interação entre os fungos selecionados

para xilanase, 67% das interações apresentaram compatibilidade. As interações

entre os fungos 1T1502/1T3506 e 1T3500/2T5501 tiveram compatibilidade com

entrelaçamento mútuo e os fungos 1T1502/2T5501 e 1T3506/2T5501 do tipo

entrelaçamento mútuo parcial. As combinações incompatíveis ocorreram entre os

fungos 1T3500/1T3506 e 1T1502/1T3500, com interações do tipo inibição à

distância e invasão/substituição na fase inicial, respectivamente.

Três combinações 1T5501/1T3500, 2T4504/1T1502 e 2T4504/1T3506

apresentaram compatibilidade total com interação do tipo entrelaçamento mútuo

(Tabela 05). As combinações 1T3503/1T1502, 1T3503/1T3500, 2T4504/1T3500,

Espécies em

interação

FPase

Meio de cultivo Espécies em

interação

Xilanse

Meio de cultivo

BDA BDA

1 1T5501

1T3503 Entrelaçamento mútuo

1T1502

1T3500

Invasão/substituição

(fase inicial)

2 1T5501

2T4504

Entrelaçamento mútuo

parcial

1T1502

1T3506

Entrelaçamento

mútuo

3 1T5501

3T5506

Inibição (ponto de

contato)

1T1502

2T5501

Entrelaçamento

mútuo parcial

4 1T3503

2T4504 Inibição (a distancia)

1T3500

1T3506 Inibição (a distancia)

5 1T3503

3T5506 Entrelaçamento mútuo

1T3500

2T5501

Entrelaçamento

mútuo

6 2T4504

3T5506

Invasão/substituição

( fase inicial)

1T3506

2T5501

Entrelaçamento

mútuo parcial

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3T5506/1T1502, 3T5506/1T3500 e 3T5506/1T3506 apresentaram compatibilidade

parcial, com interação do tipo entrelaçamento mútuo parcial. Interações

incompatíveis do tipo invasão/substituição na fase inicial e fase final e inibição à

distância foram observadas em 43,75% das combinações. Na combinação

1T5501/1T3506 ocorreu interação inibitória do tipo invasão/substituição na fase

inicial e nas combinações 1T5501/1T1502, 1T3501/2T5501 e 1T3503/1T5501 tipo

invasão/substituição na fase final. As combinações em que os fungos tiveram

inibição a uma distância > 2 mm ocorreu nas interações 1T3503/1T3506 e

1T5506/1T5501. De acordo com Molla et al. (2001), este tipo de interação ocorre

devido a produção de metabólitos inibitórios em torno de seu território que restringe

o crescimento do outro fungo filamentoso.

Tabela 5. Tipos de interação entre fungos FPase x xilanase em meio BDA. Gurupi-TO, 2016.

Condições de cultivo: os cultivos foram mantidos a 30

oC. Legenda: BDA (ágar dextrose batata). Os

números de 1 a 8 representam as combinações dos isolados obtidos pela interação da enzima FPase e Xilanase.

A realização de confrontos entre espécies de fungos em meios sólidos,

segundo Bertrand et al. (2014) permite avaliar e distinguir a morfologia das espécies

envolvidas nas interações e, portanto, a área de confronto entre os fungos em

oposição, uma vez que há susceptibilidade de ocorrer a indução de metabólitos,

resultou em interação ou sinergismo. No entanto, as culturas de meio sólido são

Espécies em

interação

FPase x xilanase

Meio de cultivo Espécies em

interação

FPase x xilanase

Meio de cultivo

BDA BDA

1 1T5501

1T1502

Invasão/substituição

(fase final)

2T4504

1T1502

Entrelaçamento

mútuo

2 1T5501

1T3500 Entrelaçamento mútuo

2T4504

1T3500

Entrelaçamento

mútuo parcial

3 1T5501

1T3506

Invasão/substituição

(fase inicial)

2T4504

1T3506

Entrelaçamento

mútuo

4 1T3501

2T5501

Invasão/substituição

(fase final)

2T4504

2T5501

Inibição

( à distancia)

5 1T3503

1T1502

Entrelaçamento mútuo

parcial

3T5506

1T1502

Entrelaçamento

mútuo parcial

6 1T3503

1T3500

Entrelaçamento mútuo

parcial

3T5506

1T3500

Entrelaçamento

mútuo parcial

7 1T3503

1T3506 Inibição (à distância)

3T5506

1T3506

Entrelaçamento

mútuo parcial

8 1T3503

2T5501

Invasão/substituição

(fase final)

3T5506

2T5501

Inibição

(à distância)

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normalmente realizadas na escala placa de Petri, e apenas quantidades limitadas de

metabólitos podem ser extraídos a partir de tais condições de cultura (BERTRAND et

al., 2013).

O diâmetro das colônias que apresentaram interações mutualísticas com

entrelaçamento mútuo total 1T5501/1T3503, 1T3503/3T5506, 1T1502/1T3506,

1T3500/2T5501, 1T5501/1T3500, 2T4504/1T1502, 2T4504/1T3506, cultivados a 4

cm de distância um do outro, foram avaliados aos 2º e 6º dia de crescimento em

meio BDA. A maioria quando em co-cultura apresentaram maior diâmetro de colônia,

tanto aos dois dias quanto aos seis dias, com exceção de alguns os quais tiveram

crescimento inibido reduzindo o diâmetro do halo quando em co-cultura (Tabela 6).

Tabela 6. Diâmetro máximo das colônias de fungos que apresentaram interações

mutualísticas no 2º e 6º dia. Gurupi-TO, 2016.

Legenda: Ágar, batata, dextrose (BDA);Todos os valores estão em mm. A identificação dos fungos

com início 1, 2, 3 ou 4, representa as épocas de coletas aos 7, 21, 39 e 62 respectivamente

Das sete combinações mutualísticas, observou-se no segundo dia que 85,7%

apresentaram maior diâmetro das colônias quando em co-cultura. Somente a

combinação 1T5501/1T3503 resultou em menor diâmetro do IT5501 (2,49mm) em

relação ao controle (3,31mm). O comportamento dos fungos nas interações aos seis

dias de crescimento em diâmetro foi diferente em relação ao 2º dia. Observa-se no

6º dia, que 42,85% das combinações (1T5501/1T3503, 1T3503/3T5506,

1T1502/1T3506) resultaram em maior diâmetro da colônia em co-cultura. Já nas

Diâmetro Maximo Diâmetro Maximo Diâmetro Maximo Diâmetro Maximo

Controle Co - Cultura Controle Co - Cultura

1T5501 3,31±0,630 2,485 ±0,3889 26,17±2,580 40,38±0,537

1T3503 2,35±0,155 3,41±0,240 27,41±0,636 36,745±1,774

1T3503 2,35±0,155 12,04±2,871 27,41±0,636 35,17± 4,423

3T5506 3,89±0,155 15,615±5,112 18,57±0,572 23,88±5,487

1T1502 6,34±0,296 31,07±0,672 34,55±1,350 48,13±3,627

1T3506 3,27±0,372 4,045±0,025 16,61±2,237 15,99±0,007

1T3500 4,09±0,622 22,105±0,074 49,63±7,481 38,105±0,385

2T5501 19,13±1,414 40,685±0,484 62,99±2,262 53,07±0,035

1T5501 3,31±0,630 3,55±0,636 26,17±2,580 16,045± 1,129

1T3500 4,09±0,622 22,25±0,361 49,63±7,481 46,075±0,106

2T4504 2,67±0,402 3,57±0,686 9,21±1,810 6,325±0,459

1T1502 6,34±0,296 21,19±2,850 34,55±1,350 41,17±0,240

2T4504 2,67±0,402 2,68±0,933 9,21±1,810 8,65±2,6721T3506 3,27±0,372 7,12±0,141 16,61±2,237 22,67±0,947

Combinações

Dia 2 Dia 6

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combinações 1T3500/2T5501 e 1T5501/1T3500 foi o inverso, resultando em menor

diâmetro (1T3500 - controle 49,63 mm, co-cultura 38,11 mm / 2T5501 - controle

62,99 mm, co-cultura 53,07 mm e 1T5501 - controle 26,17 mm, co-cultura 16,05 mm

/ 1T3500 - controle 49,63 mm, co-cultura 46,08 mm). Nas combinações

2T4504/1T1502, 2T4504/1T3506 os fungos não seguiram padrão de crescimento

como os demais. No caso do 2T4504/1T1502 ocorreu menor diâmetro na co-cultura

para 2T4504 (6,33 mm) enquanto que para 1T1502 o diâmetro foi maior (41,17 mm)

em comparação com o fungo controle. Comportamento parecido ocorreu em

2T4504/1T3506.

3.4. Cultivo de fungos filamentosos em conteúdo ruminal bovino

Os cultivos em estado sólido foram realizados utilizando conteúdo ruminal

bovino suplementado com farinha de carne e osso, durante o período de 144 horas

de cultivo. A maior produção de celulase total (FPase) foi observada com 1T3506

(1,48 U g-1) seguidos por 1T3503 (1,32 U g-1) 1T3500 (1,01 U g-1), 1T1502 (0,98 U g-

1) e 2T4504 (0,91 U g-1). Com relação à xilanase, as maiores atividades enzimáticas

ocorreram nos fungos 1T3506 (27,25 U g-1) e 1T3503 (16,94 U g-1), 1T3500 (13,17 U

g-1) e 3T5506 (10,76 U g-1) (Tabela 7). As xilanases possuem importante papel na

hidrólise do conteúdo ruminal por hidrolisar xilana, polissacarídeo formado por

unidades monoméricas de xilose, que é um dos principais constituintes da

hemicelulose (HECK et al., 2002). A presença das duas enzimas nos mesmos

fungos é interessante e vantajosa, pois, além de simular o hábitat natural de

microrganismos fúngicos selvagens (HÖLKER et al., 2004), apresenta maior

produtividade dos extratos enzimáticos, menor susceptibilidade à inibição e maior

estabilidade das enzimas a variações de temperatura e pH (SINGHANIA et al.,

2010).

No cultivo misto, três combinações apresentaram potencial para produção de

celulases por fermentação em estado sólido 3T5506/1T1502 (1,1 U g-1),

2T4504/1T3506 (1,08 U g-1) e 3T5506/1T3500 (1,0 U g-1). Para a produção de

xilanase, a interação entre os fungos 2T4504/1T3506 apresentou atividade

enzimática de 14,07 U g-1. As demais interações das enzimas celulases e xilanase

em cultivo misto apresentaram redução na produção da enzima em comparação

com a cultura pura das mesmas.

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Tabela 7. Produção de FPase e xilanase por fungos filamentosos em substrato de

conteúdo ruminal bovino enriquecido. Gurupi-TO, 2016.

Condições de cultivo: 120 h de incubação, á 30º C. A identificação dos fungos com início 1, 2 ou 3, representa as épocas de coletas aos 7, 21, 39 respectivamente.

Uma das formas de acelerar o processo de compostagem é a utilização

consorciada de inóculos com potencial enzimático isolados da própria pilha de

compostagem. Este tipo de comportamento pode ser observado em habitats naturais

(BERTRAND et al., 2014). Um consórcio multifuncional de microrganismos com

potencial enzimático foi utilizado como inoculante em compostagem de resíduos

lignocelulósicos. Para isso os microrganismos foram isolados a partir de pilhas de

compostagem com a mesma composição e operado de forma idêntica. O consórcio

consistiu de quatro bactérias (Bacillus altitudinis, Bacillus licheniformis, Bacillus

smithii, Alternaria tenuissima), e dois fungos (Gibellulopsis nigrescens, Streptomyces

albus) e foram inoculados nas pilhas de compostagem aos 8, 15 e 24 dias após o

início do processo. As análises microbiológicas demonstraram que a inoculação

provocou estimulação proeminente do processo de compostagem, e as pilhas que

foram inoculadas ocasionaram a degradação de hemicelulose, celulose e lignina que

foram 28, 21 e 25%, respectivamente superior a não inoculada (JURADO et al.,

2015).

FPAse Xilanase

1T1502 0,98 ± 0,134 c 2,755 ± 0,091 e

1T3503 1,32 ± 0,196 a 16,945 ± 1,902 b

1T3506 1,48 ±0,192 a 44,64 ± 3,804 a

1T3500 1,01 ± 0,09 b 13,175 ± 1,138 c

1T5501 0,55 ± 0,145 c 4,03 ± 0,381 e

2T4504 0,91 ± 0,078 c 3,76 ± 0,001 e

2T5501 0,69 ± 0,106 c 2,42 ±0,381 e

3T5506 0,63 ± 0,155 c 10,76 ±0,001 c

1T5501/1T3500 0,7 ± 0,086 c 5,38±0,743 e

1T3503/1T1502 0,76 ± 0,148 c 4,59 ± 1,046 e

1T3503/1T3500 0,62 ± 0,118 c 3,9 ± 0,763 e

2T4504/1T1502 0,69 ± 0,092 c 3,55 ± 0,134 e

2T4504/1T3500 0,98 ± 0,075 c 6,715 ± 0,700 d

2T4504/1T3506 1,08 ± 0,066 b 14,07 ± 1,329 c

3T5506/1T1502 1,1 ± 0,066 b 6,12 ± 0,424 d

3T5506/1T3500 1,0 ± 0,092 b 7,355 ± 1,322 d

3T5506/1T3506 0,83 ± 0,132 c 6,615 ±0,134 d

FungoAtividades enzimáticas (U g

-1 )

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4. CONCLUSÕES

Os fungos filamentosos isolados a partir do conteúdo ruminal em processo de

compostagem apresentam potencial celulolítico, com 50% dos maiores índices

enzimáticos (IE ≥1,2) e 78,12% dos halos de degradação selecionados aos sete dias

(fase termofílica), que pode tornar-se a época mais recomendada para obtenção de

fungos celuloliticos em compostagem de conteúdo ruminal. Os isolados 1T5501(0,

203 U.ml), 1T5501(42, 563 U.ml) e 2T5501(20, 122 U.ml) apresentam potencial para

produção das enzimas FPase, endoglucanase e xilanase respectivamente e três

combinações apresentam interações compatíveis para produção de celulases e

xilanase.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os resultados alcançados neste trabalho apontam que a farinha de carne e

osso possui potencial ativador nos parâmetros físicos químicos e microbiológicos da

compostagem de resíduo ruminal bovino. As doses crescentes da farinha

proporcionou alteração na dinâmica da temperatura, açúcares redutores totais,

condutividade elétrica, pH e proteínas. A partir dos 39 dias o efeito ativador passa a

ser significativamente positivo em função do aumento das doses.

O teste de compatibilidade in vitro mostrou uma alternativa viável para o

desenvolvimento de cultura mista para a produção de enzimas hidrolíticas, visando o

aproveitamento da biomassa do resíduo ruminal bovino em sistemas de cultivos em

estado sólido para a produção de celulases, xilanases e pode tornar-se possível

inoculante para futuros processos de compostagem.

Sete combinações apresentaram interação do tipo entrelaçamento mútuo e

dessas, quando testadas em rumem, três combinações para celulases e uma para

xilanase aumentaram a produção enzimática.

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Este estudo poderá contribuir para o desenvolvimento de processo de

produção de enzimas em cultura mista e para a reciclagem de resíduos

agroindustriais na produção de inoculantes em sistema de compostagem utilizando

resíduo ruminal bovino em todo estado do Tocantins.