Desenvolvimento de comunidades microbianas em biofilme e lodo ativado em um reator híbrido

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12558 (2022) Citar este artigo

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Os microrganismos desempenham um papel fundamental no tratamento biológico de águas residuais. A forma como a biomassa se desenvolve determina a eficiência e os mecanismos de conversão de compostos orgânicos, devido a diferentes condições em várias estruturas microbianas. No entanto, os resultados de estudos que comparam as comunidades microbianas em biofilme e lodo ativado muitas vezes são conflitantes. Portanto, este estudo comparou a composição e o desenvolvimento das comunidades bacterianas em biofilme e lodo ativado em um reator híbrido, empregando o sequenciamento 16S rRNA. A análise estatística dos dados de sequenciamento incluiu a identificação de táxons característicos do biofilme e lodo ativado, análise de diversidade alfa e beta e análise de rede. Essas análises indicaram que a comunidade bacteriana do biofilme era mais rica e diversa do que a comunidade de lodo ativado. Os números médios de OTU foram 1614 no biofilme e 993 no lodo ativado, e os valores médios dos índices de biodiversidade Chao1 (1735 vs. 1105) e Shannon (5,3 vs. 4,3) foram significativamente maiores para o biofilme. O biofilme foi um ambiente melhor para o desenvolvimento de nitrificadores (por exemplo, Nitrosomonas, Nitrospira) e organismos acumuladores de fósforo (Candidatus Accumulibacter). As bactérias na rede de co-ocorrência do biofilme tiveram mais conexões (com base no coeficiente de correlação de Spearman) umas com as outras, indicando que elas interagem mais do que aquelas no lodo ativado.

Reatores biológicos híbridos, que combinam o crescimento de microrganismos em lodo ativado e em biofilme, são amplamente utilizados no tratamento de efluentes em diversas configurações. No tipo mais comum de biorreatores híbridos, o biofilme se desenvolve em transportadores móveis adicionados a um tanque de aeração, mas também existem sistemas com outras soluções tecnológicas como um contator biológico rotativo ou um leito submerso. O uso de biorreatores baseados em tecnologia híbrida permite aumentar a concentração de biomassa e melhorar a eficiência do tratamento de águas residuais. Um exemplo desse tipo de tecnologia é o reator Batch Biofilm de Sequenciamento de Lodo Ativado de Leito Móvel de Filme Fixo Integrado (IFAS-MBSBBR), que é uma modificação da tecnologia de reator batelada de sequenciamento convencional. Neste reator, ambas as formas de biomassa coexistem no mesmo tanque. As principais vantagens dessa tecnologia são a eliminação do bulking do lodo e a possibilidade de receber uma carga maior de contaminantes1.

Independentemente da solução tecnológica utilizada, os microrganismos desempenham um papel fundamental no tratamento biológico de águas residuais. A formação da comunidade microbiana é influenciada por muitos fatores, incluindo as condições operacionais e a composição das águas residuais recebidas2. Um fator importante que afeta a eficiência da remoção de poluentes e o desempenho de todo o processo é a idade do lodo. A idade do lodo, também chamada de tempo de retenção de sólidos (SRT), é o tempo que a fração sólida (bactérias) permanece no reator. Cada grupo de bactérias tem um tempo ideal diferente para se multiplicar, e um SRT muito curto leva à sua eliminação do sistema. Os requisitos de diferentes bactérias em termos de tempo necessário para a multiplicação são bastante diferentes: um SRT longo favorece o desenvolvimento de bactérias nitrificantes e filamentosas, enquanto o SRT curto favorece bactérias acumuladoras de fósforo e desnitrificantes3,4,5. A forma como a biomassa se desenvolve também tem um efeito substancial na estrutura final da comunidade microbiana. As condições do biofilme diferem das do lodo ativado: por exemplo, no biofilme existem gradientes de concentração de oxigênio e nutrientes, e menos dessas substâncias atingem as camadas mais profundas do biofilme. Portanto, lodo ativado e biofilme possuem diferentes mecanismos de remoção de poluentes6. Uma espessura ideal de biofilme é crucial para o desempenho dos processos de tratamento de águas residuais. Se for muito fino, não oferece condições anóxicas para a proliferação de bactérias desnitrificantes; se for muito espesso, é desfavorável às bactérias nitrificantes, pois atua como uma barreira que limita o acesso aos nutrientes7. A forma de uma comunidade microbiana também é determinada pelo seu estágio de desenvolvimento. Tanto no lodo ativado quanto no biofilme, as proporções de grupos individuais de bactérias mudarão à medida que o processo de maturação avança.