Prof. Benito Piropo Da-Rin

Microrganismos (conceito comum): Organismos demasiadamente pequenos

para serem vistos a olho nu;ou Organismos unicelulares.Mas há exceções: Vírus (não são células);

Microrganismos de interesse sanitário: Protozoários Algas Fungos Bactérias Vírus

Reinos da natureza: Animalia: Pluricelulares, heterotróficos Plantae: Pluricelulares, autotróficos Protista: uni e pluricelulares, auto e heterotróficos Monera: unicelulares, auto e heterotróficos Fungi: uni ou pluricelulares, heterotróficosDomínios: Bactérias, Archaea, Eukarya.

Organismos superiores: Células e tecidos diferenciados cumprem funções especializadas (aparelho digestivo, respiratório, etc.).

Protista, monera e fungi: Célula única (ou células não diferenciadas agrupadas em estruturas) cumpre todas as funções.

Vírus: Não é célula (molécula de DNA ou RNA envolta em cápsula protéica); Não se nutre nem metaboliza, só se reproduz “assumindo o comando” de outras células.

Funções executadas pelos seres vivos: Proteger-se do ambiente (limite com o meio

exterior); Capturar alimento; usar parte dele para produzir

energia de forma biologicamente utilizável; usar parte remanescente para converter em material celular (metabolismo);

Preservar e reproduzir informações genéticas (replicação).

Metabolismo: conjunto de reações bioquímicas (reações químicas que ocorrem no interior de um organismo) através das quais o alimento (matéria orgânica) e nutrientes capturados do meio ambiente são convertidos em energia vital e material celular.

Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo

Metabolismo: Catabolismo: Conversão de alimento

em energia vital (energia necessária para sustentar os processos vitais).• Por via aeróbia:

C6H12O6 + 6.O2 6.CO2 + 6.H2O + 673 kCal • Por via anaeróbia

C6H12O6 3.CO2 + 3.CH4 + 35 kCal

Metabolismo: Anabolismo: Conversão de alimento

em material celular (ou seja, nos compostos que formam as células do organismo).

De onde vem tanta matéria orgânica?Organismos autotróficos: são capazes de

sintetizar matéria orgânica a partir de substâncias minerais, consumindo energia disponível no ambiente.

6.CO2 + 6.H2O + 673 kCal C6H12O6 + 6.O2

Fontes de energia: Luz (fotossíntese), calor (termossíntese), química (quimiossíntese), etc.

Organismos: autotróficos x heterotróficos

Organismo unicelular típico (protozoário)

Núcleo

Nucleotídeo:Formado por cadeia de 3 moléculas: açúcar, ácido fosfórico e Purina ou Pirimidina.

Componente básico tanto do DNA (ácido desoxirribonucléico) quanto do RNA (ácido ribonucléico).

RNA: cadeia em hélice simples de nucleotídeos. A “coluna vertebral” da cadeia é formada por um açúcar (ribose) ligado a um ácido fosfórico. Os “ramos” por Purinas(Adenina ou Guanina) e Pirimidinas (Citosinaou Uracil). Serve para transcrever o código genético. É a “planta de execução”.DNA: cadeia em dupla hélice de nucleotídeos onde o açúcar é a deoxiribose e a Thiminasubstitui o Uracil. É o “conjunto de plantas” do organismo.

O código genético é único para cada espécie e depende exclusivamente da seqüência de nucleotídeos nas cadeias de DNA ou RNA.

Fungos: Uni ou multicelulares (nesse caso, células não diferenciadas); Heterotróficos; Estritamente aeróbios; Necessitam de pouco N e sobrevivem bem em pH baixo (eficazes

no tratamento de alguns despejos industriais); Sobrevivem com pouca umidade: eficazes na compostagem de lixo.

Fungos filamentosos (hifas):Importantes para o processo de lodos ativados

Provocam o fenômeno do intumescimento do lodo (“bulking”)

Algas: Uni ou multicelulares (nesse caso, células não diferenciadas),

Autotróficos (fotossíntese). Vivem na água mas sobrevivem em locais úmidos (solo, rochas). Em ambientes hostis a ambos, associam-se com fungos (liquens).

Algas aquáticas: Móveis ou não. Algumas são filamentosas. Produzem O2 (durante o dia), por isso

são fundamentais no processo de tratamento “Lagoas de Estabilização”.

Importância:Suprem demanda de O2 nas lagoas;Algumas espécies: dão gosto à água,colmatam filtros, produzem tóxicos;Se reproduzem indiscrimidamenteem ambientes eutróficos.

Protozoários: Máximo grau possível de diferenciação em

unicelulares. Célula complexa, organizada, têm organelas.

Os de importância para o tratamento de esgotos incluem amebas, flagelados e ciliados;

Importantes para manutenção do equilíbrio biológico em processos de tratamento de esgotos (Lodos Ativados).

Alimentam-se de partículas e bactérias, alimentam rotíferos, crustáceos, etc. (Importante elo na cadeia alimentar).

Alguns são patogênicos (Entamoebahistolytica, Giardia lamblia, Cryptosporidiumsp. - Disenterias).

Vírus: Não são células. São uma molécula de DNA ou RNA

(uma única molécula de um deles que carrega as informações genéticas envolta em uma cápsula de proteína).

Vírus não têm enzimas, não usam nutrientes, não produzem energia (não metabolizam).

ão parasitas obrigatórios e só podem se reproduzir no interior de uma célula.

Não se reproduzem por cissiparidade: penetram emuma célula, se dividem em proteína e ácido nucléico(não mais existem como indivíduos), o ácido nucléico assume o controle da célula que passa a produzir a proteína e o ácido nucléico do vírus, “montando”novos vírus até romper a célula e liberá-los.

São muito pequenos (de 20 a 200 nm, só visíveis em microscópio eletrônico).

São patogênicos.

Bactérias: Unicelulares, heterotróficas; podem ser

aeróbios,anaeróbios ou facultativos. Cerca de 10x menores que protozoários. Não apresentam núcleo nem organelas

(funções das organelas não existem ou são cumpridas por estruturas mais simples).

A utilização de material particulado é feita por adsorção / hidrólise (enzimas extra-celulares) / absorção (por osmose, poisa membrana só deixa passar solutos).

As mais numerosas (e importantes) no tratamento de esgotos;

BACTÉRIAS - Formas:Esférica (0,5 a 1µ);

Cocos (isolados)Estreptococos (em linha)Estafilococos (em “cacho”)

Cilíndrica (φ 0,5 a 1µ; λ 1 a 10µ);Bacilos (retos) – carbúnculo (antraz)Vibriões (curvos) - cólera

Helicoidal (λ até 50µ):Espirilos

Bactérias: Nutrição: Apenas se nutrem de compostos solúveis

(partículas: adsorvem, hidrolisam, absorvem); Composição: 80% - água

dos 20% restantes: 90% matéria orgânica (SSV): C5 H7 O2 N

10% compostos minerais: P; K; S; Na; Ca; Mg; Fe (todos eles: nutrientes limitantes)

Reprodução: assexuada (cissiparidade)

Crescimento bacteriano = aumento da população

Bactérias: Tempo de geração (conceito): varia de 20 min a

alguns dias. Depende dos fatores limitantes: Tensão de Oxigênio: (inibe anaeróbios e desnitrificantes); Umidade: essencial (se alimentam por osmose, reproduzem

em meio líquido); se seca: algumas espécies esporulam; Temperatura: seleciona espécies e apressa metabolismo;

Lei de Arrhenius: velocidade de reação dobra a cada 10oC.

Tipo T Min T Ot. Min. T Ot. Max. T MaxPsicrófilas 2 oC 12 oC 18 oC 20 oCMesófilas 20 oC 28 oC 38 oC 45 oCTermófilas 45 oC 55 oC 65 oC 75 oC

Quemiostato: Crescimento Bacteriano (batelada)

Alimento => Energia + Biomassa (metabolismo)

Quemiostato: Reator contínuo

Crescimento bacteriano e consumo de substrato

Funciona como se a curva de crescimento “parasse” no tempo... “Parar” na Log Fase: LA Alta Capacidade LA Convencional FB Alta Capacidade

“Parar” próximo a equilíbrio: LA Aeração Prolongada FB Baixa Capacidade

“Parar” após equilíbrio: Impossível. Se não há crescimento é porque não há substrato disponível e não se estabelece o “regime permanente”

Como estabelecer modelo matemático?

Determinar taxas de crescimento e utilização de substrato:

1. Operar diferentes reatoresem diferentes pontos deequilíbrio.2. Medir consumo de substratoe crescimento da biomassa.3. Determinar taxas:

a

a

XdtdX /

aXdtdS /

Substrato é usado para gerar: energia + CO2+H2O (“desaparece” do sistema); material celular (permanece no sistema): é o próprio

crescimento bacteriano.A fração da massa de substrato transformada em

material celular é constante:(dXa)s = Y.dS (Y = Coeficiente de produção)

Então:

µ̂ˆ.

.ˆ.//

=

+==

KY

SKSKY

XdtdSY

XdtdX

saa

a

Cinética de consumo de substrato e de crescimento bacteriano

Modelos simplificadosPara S >> Ks:

Para S << Ks:

.)(ˆ.ˆ/

.)(ˆ/

CteKYX

dtdX

CteKX

dtdS

a

a

a

==

=

µ

SKYKKYS

KXdtdX

SKSKK

XdtdS

ssa

a

sa

..ˆˆ/

.ˆ/

===

==

µ

Grande disponibilidade de substrato(cinética de ordem zero)

Pequena disponibilidade de substrato(Cinética de 1ª ordem; Modelo de Monod)

Pequena disponibilidade de substrato(Cinética de 1ª ordem; Modelo de Monod)

Essas equações apenas levam em conta a síntese de novo material celular (log fase).

Ocorrem em condições ambientais ideais...

Quando as condições não são ideais (mundo real), algumas células morrem o que causa uma tendência à redução da biomassa concomitante à tendência ao crescimento.

O crescimento é proporcional a S.

E a redução?

A redução é proporcional apenas à população; (a cada período, desaparece uma fração fixa da biomassa)Resultado: conceito “taxa específica de respiração endógena” b

Portanto, no interior do reator:

Ou: Fazendo: Xa=Xv:

aXb

dtdX ea .)(

=

aXb

dtdSY

dtdX

dtdX

dtdX easaa .)()()(

−=−=

bX

dtdSYX

dtdX

aa

a −=// b

XdtdSY

XdtdX

vv

v −=//

Relação entre crescimento de biomassa (produção

de lodo ou de biofilme) e consumo de substrato

orgânico (redução da DBO no sistema) – Base da

modelagem matemática dos processos de

tratamento biológico:

bX

dtdSYX

dtdX

vv

v −=//

Prof. Benito Piropo Da-Rin