A Política Nacional de Resíduos Sólidos, instituída pela Lei Federal 12.305 em agosto de 2010 e regulamentada pelo Decreto 7.404, em 23 de dezembro de 2010, estabeleceu um novo paradigma na gestão e gerenciamento dos resíduos sólidos no Brasil. Entre as mudanças apresentadas, uma das mais relevantes é a que prioriza o não aterramento da fração orgânica e a recuperação energética dos resíduos. Por esse motivo, a busca por novas tecnologias para o tratamento desses resíduos tem sido intensificada nos últimos anos. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho busca avaliar o potencial de se realizar estratégias para aclimatação de lodos anaeróbios em possíveis inoculações de biometanizadores alimentados com fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (FORSU). Foram analisados dois diferentes lodos, esses em função da decomposição e estabilização da FORSU por meio de ensaios de biodegradabilidade anaeróbia. O primeiro, lodo ETE (LE), foi coletado de um reator UASB, utilizado para tratamento de esgoto sanitário doméstico, já o segundo, lodo Aterro (LA), foi coletado de uma lagoa de acúmulo de lixiviados em um aterro sanitário desativado. Para os ensaios, utilizaram-se frascos Duran® de 250 mL, incubados a 35°C, considerando-se a co-digestão nas seguintes relações resíduo/inóculo (R0/I0): 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 e 1/1 gSTVresíduo.gSTVinóculo-1. As estratégias de aclimatação consistiram em manter o inóculo para as próximas bateladas, bem como, dobrar as relações (R0/I0) com sucessivas alimentações realizadas em três bateladas sequenciais. Para que fossem possíveis o controle e a verificação do processo ao longo das bateladas, foram realizadas análises físico-químicas, microbiológicas, cinéticas e de atividade metanogênica específica (AME). Os inóculos adaptaram-se de imediato à FORSU, tendo sido verificada produção crescente de metano já nos primeiros dias dos testes. Os melhores resultados do potencial bioquímico de metano foram obtidos pelas menores relações (R0/I0) para ambos os inóculos. As maiores relações (R0/I0) influenciaram negativamente o desempenho do processo de biometanização para o inóculo LE, verificada pelas menores taxas máximas de rendimento de metano e maiores fase lag. Para o inóculo LA, ao final do processo de aclimatação foi verificado maior índice de diversidade para o Domínio Archaea, corroborando com os resultados obtidos pela quantidade de micro-organismos metanogênicos. Essas verificações se deram por meio de análises de microscopia óptica e pelos maiores valores obtidos nos testes de AME. Destarte, conclui-se que a estratégia de aclimatação se utilizando das menores relações (R0/I0): 1/16, 1/8 e 1/4 para o inóculo LA, possui o maior potencial, sendo esse na inoculação em maiores relações (R0/I0) na partida de biometanizadores alimentados com fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, logo, garantindo-se efetividade no processo. / The National Policy on Solid Waste, instituted by Federal Law 12,305 in august 2010 and regulated by Decree 7404, on december 23, 2010, established a new paradigm in the management of solid waste in Brazil. Among the changes presented, one of the most relevant is the one that prioritizes the non-grounding of the organic fraction and the energy recovery of the waste. For this reason, the search for new technologies for the treatment of this waste has been intensified in recent years. In this context, the objective of this work is to evaluate the potential of strategies for acclimatization of anaerobic sludge in possible inoculations of biomethanizers fed with organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). Two different sludges were analyzed, as a function of the decomposition and stabilization of OFMSW by anaerobic biodegradability tests. The first, ETE sludge (LE), was collected from a UASB reactor, used to treat domestic sanitary sewage, while the second, Aterro sludge (LA) was collected from a pond of leachate accumulation in a deactivated landfill. For the tests, 250 ml Duran® flasks incubated at 35°C were used, considering co-digestion in the following residue/inoculum ratios (R0/I0): 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 and 1/1 gSTVresidue.gSTVinoculum-1. The acclimation strategies consisted in maintaining the inoculum for the next batch, as well as doubling the ratios (R0/I0) with successive feedings performed in three sequential batches. In order to control and verify the process throughout the batch, physical-chemical, microbiological, kinetic and specific methanogenic activity (SMA) analyzes were performed. The inocula immediately adapted to OFMSW, and there was a growing production of methane already in the first days of the tests. The best results of the biochemical potential of methane were obtained by the lower ratios (R0/I0) for both inoculum. The higher ratios (R0/I0) negatively influenced the performance of the biomethanization process for the LE inoculum, verified by the lower maximum methane yield rates and higher lag phase. For the inoculum LA, at the end of the acclimation process, a higher diversity index was verified for the Archaea Domain, corroborating with the results obtained by a number of methanogenic microorganisms. These tests were carried out by means of optical microscopy and the highest values obtained in the SMA tests. Therefore, it is concluded that the acclimation strategy using the lowest ratios (R0/I0): 1/16, 1/8 and 1/4 for the inoculum LA, has the highest potential, being inoculated at higher rates (R0/I0) at the start of biomethanizers fed with organic fraction of municipal solid waste, thus, ensuring effectiveness in the process.

O estudo que ora se apresenta integrou o conjunto de pesquisas do sub-projeto - Diversidade de Bactérias Associadas à Degradação de Compostos Recalcitrantes, do projeto temático BIOTA FAPESP - Ecologia Molecular e Taxonomia Polifásica de Bactérias de Interesse Ambiental e Agro-Industrial. Apresenta caráter inovador, na medida em que procurou avaliar o potencial de aplicação biotecnológica de microrganismos anaeróbios de uma área severamente contaminada no Brasil, o estuário de Santos-São Vicente, em degradar o pentaclorofenol (PCP). A pergunta fundamental a ser respondida pelos resultados experimentais realizados foi: são os microrganismos autóctones do estuário capazes de servirem de inóculo para degradar o pentaclorofenol em biorreatores sob condições metanogênicas? Dois grupos de amostras foram avaliados, o primeiro, uma parcela composta por vários sedimentos coletados no estuário e, o segundo, sedimentos coletados na região do Largo de Canéus e na frente da Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA). O estabelecimento da determinação cromatográfica do PCP e congêneres menos clorados para o monitoramento experimental mostrou que na análise da presença dos clorofenóis nos sedimentos, o método de extração por ultrassom com posterior metilação dos analitos foi adequado para concentração mínima de 200 'mü'g clorofenóis/Kg sedimento para 2,3; 2,6 diclorofenóis; 2,4,6 e 2,3,6 triclorofenóis. Contudo, não foi adequado para a determinação do PCP e 2,3,4 triclorofenol. Para o meio de cultivo, o método de extração do PCP por agitação em vórtex e acetilação dos analitos mostrou-se adequado para todos os clorofenóis e com limite de quantificação de 0,1 mg/L. A avaliação do potencial metanogênico foi realizada com as amostras compostas do estuário enriquecidas sob condições halofílicas. O valor estável de metano no biogás de 50% foi obtido nos primeiros 20 dias de incubação. O sedimento nessas condições foi utilizado como inóculo para fins de isolamento de culturas metanogênicas, redutoras do íon sulfato e degradadoras de PCP. Não foram obtidas culturas desalogenadoras; porém foram isoladas arquéias metanogênicas, cultivadas em metanol, acetato e formiato de sódio, bem como bactérias cultivadas em lactato de sódio na presença e ausência de sulfato de sódio. Ensaios fisiológicos aliados aos métodos moleculares FISH e DGGE permitiram identificar arquéias metanogênicas do gênero Methanosarcina sp. e microrganismos do domínio Bacteria. Os sedimentos individualmente estudados foram coletados com maior controle de anaerobiose empregando-se amostrador do tipo corer. O enriquecimento destes sedimentos, inicialmente sob concentração de 2,5 mg PCP/g STV e com adições periódicas de 50% da concentração inicial do clorofenol e 1,25 a 2,5 g/L de glicose por 13 meses a 30 graus Celsius, resultou na obtenção de culturas degradadoras do PCP sob anaerobiose estrita. Nos reatores controles sem PCP, já primeiros 20 dias de incubação 70% de metano foi determinado no biogás. Nos reatores com PCP, a produção do metano (20%) iniciou após 100 dias. A adsorção foi o principal mecanismo de remoção de 50% do PCP nas primeiras 12 horas de incubação dos enriquecimentos. Posteriormente, a redução do PCP no meio de 77% para a amostra de Canéus e 70% para a da COSIPA foi relacionada a mecanismos de biodegradação anaeróbia, como a desalogenação redutiva. Exames microscópicos mostraram a seleção de microrganismos na presença de PCP, com predomínio de bacilos formadores de esporos semelhantes ao gênero Clostridium sp., filamentos diversos e filamentos semelhantes as arquéias metanogênicas acetoclásticas relacionadas ao gênero Methanosaeta sp. O enriquecimento foi realizado sob condições halofílicas, segunda a salinidade de cada amostra estudada no estuário. Não houve perda do clorofenol por volatilização. Os resultados obtidos no enriquecimento anterior viabilizaram o estudo seguro do potencial anaeróbio dos microrganismos oriundos do sedimento da COSIPA em metabolizar o PCP em reator contínuo do tipo RAHLF. Assim, sedimento enriquecido sob condições metanogênicas e halofílicas foi inoculado no RAHLF, controlando-se rigorosamente a anaerobiose. O reator preenchido com cubos de espuma de poliuretana foi operado por 126 dias e tempo de detenção hidráulica de 18 horas, com meio de cultura salino contendo glicose (1 g/L) como principal fonte de carbono e PCP-Na nas concentrações de 5, 13, 15 e 21 mg/L. O desempenho do RAHLF foi estável com boa eficiência durante toda a operação. A redução dos níveis de matéria orgânica medida em DQO variou de 70 a 100% e a de PCP foi de 99%, com detecção de intermediários menos clorados e sob teores de metano no biogás de 20%. Da massa de 1111,73 mg de PCP aplicada no reator, 286,9 mg ficou retida no sistema pelo processo de adsorção nas biopartículas e 824,83 mg foi biodegradada. As análises morfológicas dos tipos celulares, em conjunto com as técnicas moleculares DGGE e FISH, revelaram a presença de grupos microbianos do domínio Archaea pertencente à família Methanosarcinacea e grupos do domínio Bacteria. A participação de grupos de domínio Bacteria, cuja estrutura dos tipos microbianos na comunidade variou ao longo do RAHLF e das concentrações de PCP, e dos organismos metanogênicos da família Methanosarcinacea, possibilitou responder a questão inicialmente formulada, uma vez que se pode afirmar que os microrganismos autóctones foram capazes de degradar o PCP sob condições metanogênicas e halofílicas, com eficiência adequada. A prática para a seleção dos microrganismos retirados do ambiente estuarino, de interesse para biotecnologia anaeróbia aplicada ao saneamento ambiental, que empregou o reator do tipo RAHLF, parece promissora para avanços da engenharia na remediação biológica de uma área cuja relevância é indiscutível para o estado de São Paulo / This study has an innovative character, once aimed to evaluate the biotechnological application of anaerobic microorganisms degrading pentachlorophenol (PCP) at a severely polluted area in Brazil, estuary of Santos-São Vicente, São Paulo state. This study integrated a group of researches of the sub-project - Diversity of Bacteria Associated to the Degradation of Recalcitrant Compounds, supported by major project BIOTA FAPESP which theme is Molecular Ecology and Polyphasic Taxonomy of Bacteria of Environmental and Agriculture-Industrial Interest. The fundamental question to be answered by the accomplished experimental results was: are the autochthonus microorganisms of the estuary capable of serving as inoculum to degrade the PCP in bioreactors under methanogenic conditions? In order to evaluate this hypothesis, two groups of samples were collected: sediments taken from several sites of the estuary and sediments taken from two sites, one severely contaminated with organochlorine compounds, in front of the São Paulo Metallurgical Company (COSIPA) and other, less contaminated, in the area of Canéus. The establishment of protocol for the PCP and less chlorinated compounds chromatographic determination showed that the extraction method by ultrosonication followed by metilation of the chlorinated compounds was appropriated to evaluate concentrations of 200 ug chlorophenol/Kg of sediment, 2,3; 2,6 dichlorophenols; 2,4,6 and 2,3,6 trichlorophenols. However, it was not appropriated for evaluation of PCP and 2,3,4 trichlorophenol. For the culture medium, the extraction method by vortex agitation followed by acetilation was appropriated for all of the chlorophenols compounds. The quantification limit was 0,1 mg/L. The evaluation of the methanogenic potential and PCP biodegradation was accomplished with the samples of the estuary enriched under halophylic conditions. In the experiments without PCP was possible to obtain cultures of Methanosarcina sp, identified by FISH technique and cells of domain Bacteria, identified by DGGE. In the experiment with PCP dehalogenated cultures were not obtained. To evaluate PCP anaerobic biodegradation by sediments of COSIPA and Caneus sites, sediments collected under anaerobic conditions by a corer device were enriched in a halophylic brine medium with glucose and PCP at concentration of 2.5 mg PCP/g VTS. Periodic additions of 50% of the initial concentration of PCP and 1.25 to 2.5 g/L of glucose were done. With this strategy was possible to obtain PCP dehalogenated cultures. The adsorption was the main mechanism of 50% of PCP removal in the first 12 hours of incubation. The PCP reduction of 77% for Caneus reactor and 70% for COSIPA reactor was related to anaerobic biodegradation. Microscopic exams showed selection of microorganisms, with predominance of cells related to Clostridium sp., and filaments related to methanogenic acetoclastic archaea Methanosaeta sp. chlorophenols volatilization was not observed. The biotechnological application of HAIB reactor in PCP biodegradation was evaluated using sediment of COSIPA site previously enriched with glucose. The reactor was operated by 126 days and hydraulic detention time of 18 hours, with saline brine medium containing glucose (1 g/L) and NaPCP in concentrations of 5, 13, 15 and 21 mg/L. PCP amendments did not affect the overall performance and functional stability of the process. COD and PCP reduction was close to 80% and 100%, respectively with detection of trichlorophenols and dichlorophenols. Percentage of methane in the biogas closed to 30%. Adsorption analyses demonstrated that 287 mg of PCP was removed by adsorption in the biofilm and 825 mg was removed by biodegradation. Biofilm DGGE-profiling showed the presence of specific bands of Bacteria and Archaea domains when PCP was amended. The appearance of new bands of Bacteria showed that this organisms had a direct influence at PCP dehalogentation. Archaea organisms of Methanosarcinaceae family had an indirect influence in this metabolism. This thesis demonstrated that HAIB reactors, using autochthonous microorganisms under halophylic and methanogenic conditions, are a potential alternative for organochlorines bioremediation

O estudo que ora se apresenta integrou o conjunto de pesquisas do sub-projeto - Diversidade de Bactérias Associadas à Degradação de Compostos Recalcitrantes, do projeto temático BIOTA FAPESP - Ecologia Molecular e Taxonomia Polifásica de Bactérias de Interesse Ambiental e Agro-Industrial. Apresenta caráter inovador, na medida em que procurou avaliar o potencial de aplicação biotecnológica de microrganismos anaeróbios de uma área severamente contaminada no Brasil, o estuário de Santos-São Vicente, em degradar o pentaclorofenol (PCP). A pergunta fundamental a ser respondida pelos resultados experimentais realizados foi: são os microrganismos autóctones do estuário capazes de servirem de inóculo para degradar o pentaclorofenol em biorreatores sob condições metanogênicas? Dois grupos de amostras foram avaliados, o primeiro, uma parcela composta por vários sedimentos coletados no estuário e, o segundo, sedimentos coletados na região do Largo de Canéus e na frente da Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA). O estabelecimento da determinação cromatográfica do PCP e congêneres menos clorados para o monitoramento experimental mostrou que na análise da presença dos clorofenóis nos sedimentos, o método de extração por ultrassom com posterior metilação dos analitos foi adequado para concentração mínima de 200 'mü'g clorofenóis/Kg sedimento para 2,3; 2,6 diclorofenóis; 2,4,6 e 2,3,6 triclorofenóis. Contudo, não foi adequado para a determinação do PCP e 2,3,4 triclorofenol. Para o meio de cultivo, o método de extração do PCP por agitação em vórtex e acetilação dos analitos mostrou-se adequado para todos os clorofenóis e com limite de quantificação de 0,1 mg/L. A avaliação do potencial metanogênico foi realizada com as amostras compostas do estuário enriquecidas sob condições halofílicas. O valor estável de metano no biogás de 50% foi obtido nos primeiros 20 dias de incubação. O sedimento nessas condições foi utilizado como inóculo para fins de isolamento de culturas metanogênicas, redutoras do íon sulfato e degradadoras de PCP. Não foram obtidas culturas desalogenadoras; porém foram isoladas arquéias metanogênicas, cultivadas em metanol, acetato e formiato de sódio, bem como bactérias cultivadas em lactato de sódio na presença e ausência de sulfato de sódio. Ensaios fisiológicos aliados aos métodos moleculares FISH e DGGE permitiram identificar arquéias metanogênicas do gênero Methanosarcina sp. e microrganismos do domínio Bacteria. Os sedimentos individualmente estudados foram coletados com maior controle de anaerobiose empregando-se amostrador do tipo corer. O enriquecimento destes sedimentos, inicialmente sob concentração de 2,5 mg PCP/g STV e com adições periódicas de 50% da concentração inicial do clorofenol e 1,25 a 2,5 g/L de glicose por 13 meses a 30 graus Celsius, resultou na obtenção de culturas degradadoras do PCP sob anaerobiose estrita. Nos reatores controles sem PCP, já primeiros 20 dias de incubação 70% de metano foi determinado no biogás. Nos reatores com PCP, a produção do metano (20%) iniciou após 100 dias. A adsorção foi o principal mecanismo de remoção de 50% do PCP nas primeiras 12 horas de incubação dos enriquecimentos. Posteriormente, a redução do PCP no meio de 77% para a amostra de Canéus e 70% para a da COSIPA foi relacionada a mecanismos de biodegradação anaeróbia, como a desalogenação redutiva. Exames microscópicos mostraram a seleção de microrganismos na presença de PCP, com predomínio de bacilos formadores de esporos semelhantes ao gênero Clostridium sp., filamentos diversos e filamentos semelhantes as arquéias metanogênicas acetoclásticas relacionadas ao gênero Methanosaeta sp. O enriquecimento foi realizado sob condições halofílicas, segunda a salinidade de cada amostra estudada no estuário. Não houve perda do clorofenol por volatilização. Os resultados obtidos no enriquecimento anterior viabilizaram o estudo seguro do potencial anaeróbio dos microrganismos oriundos do sedimento da COSIPA em metabolizar o PCP em reator contínuo do tipo RAHLF. Assim, sedimento enriquecido sob condições metanogênicas e halofílicas foi inoculado no RAHLF, controlando-se rigorosamente a anaerobiose. O reator preenchido com cubos de espuma de poliuretana foi operado por 126 dias e tempo de detenção hidráulica de 18 horas, com meio de cultura salino contendo glicose (1 g/L) como principal fonte de carbono e PCP-Na nas concentrações de 5, 13, 15 e 21 mg/L. O desempenho do RAHLF foi estável com boa eficiência durante toda a operação. A redução dos níveis de matéria orgânica medida em DQO variou de 70 a 100% e a de PCP foi de 99%, com detecção de intermediários menos clorados e sob teores de metano no biogás de 20%. Da massa de 1111,73 mg de PCP aplicada no reator, 286,9 mg ficou retida no sistema pelo processo de adsorção nas biopartículas e 824,83 mg foi biodegradada. As análises morfológicas dos tipos celulares, em conjunto com as técnicas moleculares DGGE e FISH, revelaram a presença de grupos microbianos do domínio Archaea pertencente à família Methanosarcinacea e grupos do domínio Bacteria. A participação de grupos de domínio Bacteria, cuja estrutura dos tipos microbianos na comunidade variou ao longo do RAHLF e das concentrações de PCP, e dos organismos metanogênicos da família Methanosarcinacea, possibilitou responder a questão inicialmente formulada, uma vez que se pode afirmar que os microrganismos autóctones foram capazes de degradar o PCP sob condições metanogênicas e halofílicas, com eficiência adequada. A prática para a seleção dos microrganismos retirados do ambiente estuarino, de interesse para biotecnologia anaeróbia aplicada ao saneamento ambiental, que empregou o reator do tipo RAHLF, parece promissora para avanços da engenharia na remediação biológica de uma área cuja relevância é indiscutível para o estado de São Paulo / This study has an innovative character, once aimed to evaluate the biotechnological application of anaerobic microorganisms degrading pentachlorophenol (PCP) at a severely polluted area in Brazil, estuary of Santos-São Vicente, São Paulo state. This study integrated a group of researches of the sub-project - Diversity of Bacteria Associated to the Degradation of Recalcitrant Compounds, supported by major project BIOTA FAPESP which theme is Molecular Ecology and Polyphasic Taxonomy of Bacteria of Environmental and Agriculture-Industrial Interest. The fundamental question to be answered by the accomplished experimental results was: are the autochthonus microorganisms of the estuary capable of serving as inoculum to degrade the PCP in bioreactors under methanogenic conditions? In order to evaluate this hypothesis, two groups of samples were collected: sediments taken from several sites of the estuary and sediments taken from two sites, one severely contaminated with organochlorine compounds, in front of the São Paulo Metallurgical Company (COSIPA) and other, less contaminated, in the area of Canéus. The establishment of protocol for the PCP and less chlorinated compounds chromatographic determination showed that the extraction method by ultrosonication followed by metilation of the chlorinated compounds was appropriated to evaluate concentrations of 200 ug chlorophenol/Kg of sediment, 2,3; 2,6 dichlorophenols; 2,4,6 and 2,3,6 trichlorophenols. However, it was not appropriated for evaluation of PCP and 2,3,4 trichlorophenol. For the culture medium, the extraction method by vortex agitation followed by acetilation was appropriated for all of the chlorophenols compounds. The quantification limit was 0,1 mg/L. The evaluation of the methanogenic potential and PCP biodegradation was accomplished with the samples of the estuary enriched under halophylic conditions. In the experiments without PCP was possible to obtain cultures of Methanosarcina sp, identified by FISH technique and cells of domain Bacteria, identified by DGGE. In the experiment with PCP dehalogenated cultures were not obtained. To evaluate PCP anaerobic biodegradation by sediments of COSIPA and Caneus sites, sediments collected under anaerobic conditions by a corer device were enriched in a halophylic brine medium with glucose and PCP at concentration of 2.5 mg PCP/g VTS. Periodic additions of 50% of the initial concentration of PCP and 1.25 to 2.5 g/L of glucose were done. With this strategy was possible to obtain PCP dehalogenated cultures. The adsorption was the main mechanism of 50% of PCP removal in the first 12 hours of incubation. The PCP reduction of 77% for Caneus reactor and 70% for COSIPA reactor was related to anaerobic biodegradation. Microscopic exams showed selection of microorganisms, with predominance of cells related to Clostridium sp., and filaments related to methanogenic acetoclastic archaea Methanosaeta sp. chlorophenols volatilization was not observed. The biotechnological application of HAIB reactor in PCP biodegradation was evaluated using sediment of COSIPA site previously enriched with glucose. The reactor was operated by 126 days and hydraulic detention time of 18 hours, with saline brine medium containing glucose (1 g/L) and NaPCP in concentrations of 5, 13, 15 and 21 mg/L. PCP amendments did not affect the overall performance and functional stability of the process. COD and PCP reduction was close to 80% and 100%, respectively with detection of trichlorophenols and dichlorophenols. Percentage of methane in the biogas closed to 30%. Adsorption analyses demonstrated that 287 mg of PCP was removed by adsorption in the biofilm and 825 mg was removed by biodegradation. Biofilm DGGE-profiling showed the presence of specific bands of Bacteria and Archaea domains when PCP was amended. The appearance of new bands of Bacteria showed that this organisms had a direct influence at PCP dehalogentation. Archaea organisms of Methanosarcinaceae family had an indirect influence in this metabolism. This thesis demonstrated that HAIB reactors, using autochthonous microorganisms under halophylic and methanogenic conditions, are a potential alternative for organochlorines bioremediation

A Política Nacional de Resíduos Sólidos, instituída pela Lei Federal 12.305 em agosto de 2010 e regulamentada pelo Decreto 7.404, em 23 de dezembro de 2010, estabeleceu um novo paradigma na gestão e gerenciamento dos resíduos sólidos no Brasil. Entre as mudanças apresentadas, uma das mais relevantes é a que prioriza o não aterramento da fração orgânica e a recuperação energética dos resíduos. Por esse motivo, a busca por novas tecnologias para o tratamento desses resíduos tem sido intensificada nos últimos anos. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho busca avaliar o potencial de se realizar estratégias para aclimatação de lodos anaeróbios em possíveis inoculações de biometanizadores alimentados com fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (FORSU). Foram analisados dois diferentes lodos, esses em função da decomposição e estabilização da FORSU por meio de ensaios de biodegradabilidade anaeróbia. O primeiro, lodo ETE (LE), foi coletado de um reator UASB, utilizado para tratamento de esgoto sanitário doméstico, já o segundo, lodo Aterro (LA), foi coletado de uma lagoa de acúmulo de lixiviados em um aterro sanitário desativado. Para os ensaios, utilizaram-se frascos Duran® de 250 mL, incubados a 35°C, considerando-se a co-digestão nas seguintes relações resíduo/inóculo (R0/I0): 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 e 1/1 gSTVresíduo.gSTVinóculo-1. As estratégias de aclimatação consistiram em manter o inóculo para as próximas bateladas, bem como, dobrar as relações (R0/I0) com sucessivas alimentações realizadas em três bateladas sequenciais. Para que fossem possíveis o controle e a verificação do processo ao longo das bateladas, foram realizadas análises físico-químicas, microbiológicas, cinéticas e de atividade metanogênica específica (AME). Os inóculos adaptaram-se de imediato à FORSU, tendo sido verificada produção crescente de metano já nos primeiros dias dos testes. Os melhores resultados do potencial bioquímico de metano foram obtidos pelas menores relações (R0/I0) para ambos os inóculos. As maiores relações (R0/I0) influenciaram negativamente o desempenho do processo de biometanização para o inóculo LE, verificada pelas menores taxas máximas de rendimento de metano e maiores fase lag. Para o inóculo LA, ao final do processo de aclimatação foi verificado maior índice de diversidade para o Domínio Archaea, corroborando com os resultados obtidos pela quantidade de micro-organismos metanogênicos. Essas verificações se deram por meio de análises de microscopia óptica e pelos maiores valores obtidos nos testes de AME. Destarte, conclui-se que a estratégia de aclimatação se utilizando das menores relações (R0/I0): 1/16, 1/8 e 1/4 para o inóculo LA, possui o maior potencial, sendo esse na inoculação em maiores relações (R0/I0) na partida de biometanizadores alimentados com fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, logo, garantindo-se efetividade no processo. / The National Policy on Solid Waste, instituted by Federal Law 12,305 in august 2010 and regulated by Decree 7404, on december 23, 2010, established a new paradigm in the management of solid waste in Brazil. Among the changes presented, one of the most relevant is the one that prioritizes the non-grounding of the organic fraction and the energy recovery of the waste. For this reason, the search for new technologies for the treatment of this waste has been intensified in recent years. In this context, the objective of this work is to evaluate the potential of strategies for acclimatization of anaerobic sludge in possible inoculations of biomethanizers fed with organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). Two different sludges were analyzed, as a function of the decomposition and stabilization of OFMSW by anaerobic biodegradability tests. The first, ETE sludge (LE), was collected from a UASB reactor, used to treat domestic sanitary sewage, while the second, Aterro sludge (LA) was collected from a pond of leachate accumulation in a deactivated landfill. For the tests, 250 ml Duran® flasks incubated at 35°C were used, considering co-digestion in the following residue/inoculum ratios (R0/I0): 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 and 1/1 gSTVresidue.gSTVinoculum-1. The acclimation strategies consisted in maintaining the inoculum for the next batch, as well as doubling the ratios (R0/I0) with successive feedings performed in three sequential batches. In order to control and verify the process throughout the batch, physical-chemical, microbiological, kinetic and specific methanogenic activity (SMA) analyzes were performed. The inocula immediately adapted to OFMSW, and there was a growing production of methane already in the first days of the tests. The best results of the biochemical potential of methane were obtained by the lower ratios (R0/I0) for both inoculum. The higher ratios (R0/I0) negatively influenced the performance of the biomethanization process for the LE inoculum, verified by the lower maximum methane yield rates and higher lag phase. For the inoculum LA, at the end of the acclimation process, a higher diversity index was verified for the Archaea Domain, corroborating with the results obtained by a number of methanogenic microorganisms. These tests were carried out by means of optical microscopy and the highest values obtained in the SMA tests. Therefore, it is concluded that the acclimation strategy using the lowest ratios (R0/I0): 1/16, 1/8 and 1/4 for the inoculum LA, has the highest potential, being inoculated at higher rates (R0/I0) at the start of biomethanizers fed with organic fraction of municipal solid waste, thus, ensuring effectiveness in the process.

Avaliou-se a influência da recirculação da fase líquida e do regime de alimentação em reator anaeróbio no tratamento de esgoto sanitário. Utilizou-se um reator anaeróbio operado em bateladas seqüenciais, contendo biomassa imobilizada (ASBBR), em escala piloto, com volume total de 1,2 \'M POT.3\' (\'fi\' 1,0 m e altura 1,53 m). O leito suporte para a imobilização da biomassa era constituído por matrizes cúbicas de espuma de poliuretano, com 5 cm de aresta, confinadas em cesto de aço inox 304, colocado no interior do reator. A influência da recirculação da fase líquida sobre o desempenho do ASBBR quanto à remoção de matéria orgânica e quanto ao arraste de sólidos foi avaliada submetendo-se o reator às velocidades ascensionais de 1,27; 3,82; 7,64 e 10,18 m/h resultantes das diferentes vazões de recirculação impostas. Contrariamente ao observado em pesquisas anteriores em reatores operados em escala de bancada e alimentados com água residuária sintética, não houve aumento significativo da eficiência do reator com o aumento da velocidade ascensional no tratamento de esgoto sanitário. A influência do regime de alimentação de esgoto sanitário no desempenho do ASBBR foi avaliada submetendo-se o reator a tempos de enchimento correspondentes a 0,25 e 0,5 do tempo total de ciclo, utilizando-se a vazão de recirculação de 6 \'M POT.3\'/h, que foi a que apresentou os melhores resultados nos ensaios anteriores. Concluiu-se que o reator pode ser operado sob batelada alimentada com duração de até 0,5 tempo de ciclo, sem que seu desempenho seja significativamente alterado. Esse resultado é importante, pois representa que o sistema de tratamento composto por reatores ASBBR pode ser projetado com número menor de reatores. A fim de esclarecer dúvidas sobre o desempenho do ASBBR observado no tratamento de água residuária de composição complexa (esgoto sanitário), o reator foi alimentado com água residuária facilmente degradável (etanol). O desempenho do reator foi aquém do esperado, mesmo quando alimentado com composto de fácil degradação. Os ensaios de atividade metanogênica específica (AME) demonstraram que houve decréscimo dos valores de AME com o aumento da velocidade ascensional. Os valores obtidos foram 0,0632; 0,0509; 0,0248 e 0,0299 g DQO-CH4/(g STV.d), respectivamente, para os valores de Va de 1,27; 3,82; 7,64 e 10,19 m/h. Concluiu-se que a baixa eficiência de remoção de matéria orgânica deveu-se ao abaixamento progressivo da atividade metanogênica do lodo, cujas causas não puderam ser completamente esclarecidas nesta pesquisa. / The influence of the liquid phase recirculation and the feeding regimen on the performance of an anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass (ASBBR) applied for the treatment of domestic sewage was evaluated. Biomass immobilization was provided by a basket containing cubic polyurethane foam matrices (5 cm side) inside the 1.2 \'M POT.3\' (1.0 m diameter and 1.53 m height) pilot-scale reactor. The influence of the liquid phase recirculation on the reactor performance in respect to organic matter and solids wash-out was verified by subjecting the reactor to a wide range of up flow velocities (1.27; 3.82; 7.64 and 10.18 m/h) resulting from different recirculation flow rates imposed. The increase of the up flow velocity did not increase the efficiency of the pilot reactor as expected. This result contradicts those obtained with bench-scale ASBBR experiments treating synthetic wastewaters. The influence of the feeding regimen was verified by subjecting the reactor to feeding times correspondent to 0.25 and 0.50 of the total cycle time, at the recirculation flow rate of 6 \'M POT.3\'/h. It could be concluded that the reactor can be operated at the feeding batch mode up to 0.5 of the cycle time. This result is important for full scale applications considering that a treatment system composed of ASBBR reactors can be designed using a lower number of units. In order to clear some aspects related to the limited performance of the ASBBR reactor treating a complex wastewater (sewage), the reactor was subjected to an easily degradable wastewater (ethanol). However, the performance was not improved even when the reactor was treating an easily degradable compound. The results from the specific methanogenic activity (SMA) demonstrated a decrease on the values of SMA with the increase of the up flow velocity. The values of SMA were 0.0632; 0.0509; 0.0248 and 0.0299 g DQO-CH4/(g STV.d) for the Va of 1.27; 3.82; 7.64 and 10.19 m/h respectively. It could be concluded that the low efficiency obtained for organic matter removal was due mainly to the progressive decrease of the sludge methanogenic activity. The causes for that behaviour could not be completely explained in this research. It could be concluded that the reactor performance was iv clearly limited by the low productivity of the methanogenic populations present in the biomass.

L’analyse du microbiote oral et de son évolution séculaire se fait principalement à partir de l’analyse du tartre dentaire ancien des populations passées et du biofilm dentaire des populations modernes. Nous avons dans un premier temps fait le point des connaissances sur la paléomicrobiologie des bactéries et des archaea contenues dans le tartre dentaire et montré que les archaea faisaient partie du microbiote oral chez l'homme. Dans la deuxième partie, nous avons mis en évidence le répertoire des archaea méthanogènes vivant dans la cavité orale par la culture (une nouvelle espèce Methanobrevibacter massiliense, Methanobrevibacter smithii et Methanobrevibacter oralis). La prévalence de ces archaea était significativement plus élevée chez les patients atteints de parodontite que chez les personnes contrôles. Ensuite, nous avons développé une méthode de génotypage Multispacer Sequence Typing pour typer M. oralis et M. smithii et révélé différents génotypes. Enfin, nous avons analysé le répertoire des archaea méthanogènes dans des échantillons de tartre dentaire ancien datant du 14ème au 19ème siècle. La prévalence et la diversité des archaea méthanogènes dans la cavité orale ont diminué significativement au cours des sept derniers siècles. Des archaea méthanogènes ont été retrouvées dans 75% des prélèvements de tartre dentaire (Candidatus M. massiliense à 44,6%, M. oralis à 19,6%, Methanomassiliicoccus luminyensis-like à 12,5%, Candidatus Nitrososphaera evergladensis-like dans un prélèvement et Methanoculleus bourgensis dans un autre prélèvement). Un prélèvement de tartre positif pour Candidatus M. massiliense a été documenté par hybridation in situ en fluorescence. / The analyses of oral microbiome and its secular evolution mainly use dental calculus in past populations and dental plaque in modern populations. In our thesis, we initially reviewed the knowledge actual about bacteria and archaea paleomicrobiology of the dental calculus. The review disclosed that archaea taked part in the secular core-microbiota in past and modern populations. In the second work, we demonstrated the repertoire of methanogenic archaea currently living in the oral cavity using culture-based approach and succeeded in isolating for the first time a new species named Methanobrevibacter massiliense in addition to Methanobrevibacter smithii and Methanobrevibacter oralis from dental plaque in periodontitis patients. This work showed that the prevalence of methanogens was significantly higher in periodontitis patients than in controls. Some methanogenic archaea were involved in periodontitis. Then, we developed Multispacer Sequence Typing to evaluate M. oralis and M. smithii and revealed different genetic variants in these archaea. Finally, we examined the repertory of methanogenic archaea in ancient dental calculus dating from the 14th to the 19th century. The prevalence and diversity of methanogenic archaea in the oral cavity decreased significantly during the last seven centuries. Methanogenic archaea were found in 75% of dental calculis (Candidatus M. massiliense, 44.6%; M. oralis, 19.6%; Methanomassiliicoccus luminyensis-like, 12.5%; Candidatus Nitrososphaera evergladensis-like in one and Methanoculleus bourgensis in one specimen). One Candidatus M. massiliense dental calculus was further documented by fluorescent in situ hybridization.

Altos fluxos positivos de metano para a atmosfera foram detectados na região amazônica. O gás metano é o segundo mais importante gás de efeito estufa e micro-organismos pertencentes ao Domínio Archaea são responsáveis pela produção de aproximadamente 70% do metano emitido para a atmosfera anualmente. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a diversidade de arqueias em sedimentos dos rios Floresta e Madeira através de técnicas moleculares e do cultivo de arqueias metanogênicas. A maior parte das sequências obtidas nas duas bibliotecas pertence ao domínio Crenarchaeota, algumas com similaridade menor que 97% às sequências depositadas nos bancos de dados, revelando a existência de grupos ainda não descritos na literatura. Nos enriquecimentos do sedimento do rio Madeira detectaram-se células pertencentes às famílias Methanosarcinaceae e Methanobacteriaceae pelo emprego de sondas fluorescentes de RNA. Culturas dos gêneros Methanosarcina e Methanobacterium foram estabelecidas em laboratório. A grande diversidade de arqueias não cultivadas encontrada vem reforçar a necessidade de se estudar esse grupo, especialmente sua fisiologia e, consequentemente, seu papel ecológico nos diversos ambientes em que são encontrados. / High positive fluxes of methane to the atmosphere have been detected in the Amazonian region. Methane is the second most important greenhouse gas and microorganisms belonging to the Archaea domain are responsible for approximately 70% of the total methane emitted to the atmosphere annually. The objective of this work was to characterize the Archaea diversity in two sites at Madeira and Floresta rivers sediments using molecular techniques and the culturing of methanogenic archaea. Most sequences obtained in the libraries from both rivers belonged to the Crenarchaeota domain, and around half of them presented less than 97% of similarity to sequences available in databases, revealing the existence of new archaea groups yet to be described in the literature. Cells belonging to the Methanosarcinaceae and Methanobacteriaceae families were detected in the enrichment cultures from Madeira River through the use of RNA fluorescent probes. Strains of Methanosarcina sp. and Methanobacterium sp. are being maintained under laboratory conditions. The great diversity of uncultured Archaea found emphasizes the need to study this group, mainly its physiology and, consequently, its role in the diverse environments they occupy.

Les archaea constituent l'un des quatre domaines connus du vivant. Contrairement à ce que leur nom laisse supposer, elles ont colonisé tous les écosystèmes et les microbiotes de certains hôtes dont l'Homme. Chez l'homme, certaines espèces d'archaea méthanogènes ont été associées aux muqueuses orale, intestinale et vaginale. Ces archaea méthanogènes sont des procaryotes anaérobies stricts et leurs conditions de culture restent fastidieuses et très mal connues. Quatre archaea methanogènes seulement ont été isolées à partir de prélèvements humains y compris dans le microbiote digestif Methanobrevibacter smithii détectée dans 95,7% des individus, Methanosphaera stadtmanae retrouvée chez environ un tiers des individus et plus récemment dans notre laboratoire Methanomassilicoccus luminyensis détectée en moyenne chez 4% des individus avec une prévalence liée à l'âge ; et dans le microbiote orale Methanobrevibacter oralis isolée à partir de la plaque dentaire. / Archaea is one of four known domains of life. Unlike what their name suggests, they some species of methanogenic archaea have been associated with oral, vaginal and intestinal mucosa. These methanogenic archaea are obligate anaerobic prokaryotes and their culture conditions are fastidious and very poorly known. Only four methanogenic archaea have been isolated from human samples including the digestive microbiota; Methanobrevibacter smithii detected in 95.7% of individuals Methanosphaera stadtmanae found in approximately one third of individuals and more recently in our laboratory Methanomassilicoccus luminyensis detected on average in 4% of individuals with a prevalence of age-related, and in the oral microbiota Methanobrevibacter oralis isolated from dental plaque.

A pesquisa que ora se apresenta visou estabelecer as condições nutricionais adequadas para o uso do sedimento do estuário de Santos - São Vicente do Estado de São Paulo, como inóculo no reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) no processo de degradação anaeróbia do pentaclorofenol (PCP) em busca da aplicação da tecnologia em escala real, assim como identificar grupos microbianos envolvidos no processo. Para tanto, sedimento do estuário de Santos-São Vicente, com características metanogênicas foi utilizado. Os microrganismos provenientes do sedimento estuarino foram enriquecidos sob condições metanogênicas e halofílicas, visando a utilização do sedimento como inoculo nos ensaios nutricionais e na operação dos reatores do tipo RAHLF. O meio de cultivo salino Biota, suplementado com glicose e formiato, foi utilizado para o desenvolvimento da comunidade microbiana metanogênica halofílica. Testes de degradação do PCP foram realizados previamente sob diferentes concentrações de nitrogênio e fósforo, com vistas a uma melhor compreensão da relação N:P adequada para o processo anaeróbio. Os resultados provenientes do acompanhamento da diversidade microbiana do domínio Bacteria nas diferentes relações testadas indicaram a seleção de distintas comunidades microbianas, resultando em diferentes velocidades de degradação do PCP. A relação N:P de 10:1 foi a que apresentou melhores resultados, pois além da rápida degradação do PCP quando comparada com as outras relações, apresentou a maior diversidade de microrganismos. Posteriormente, o sistema RAHLF foi operado com vazão média afluente de aproximadamente 44 mL/hora, com meio mineral salino Biota (DQO:N:P de 1000:130:45) para R1 e com a alteração para relação DQO:N:P de 1000:10:1 para R2. Duas diferentes estratégias foram adotadas para partida dos reatores. Para R1, optou-se por acrescentar PCP na concentração inicial de 10,0 mg/L, durante 110 dias causando desestabilização da metanogênese e acúmulo de PCP, requerendo intervenção para recuperação do reator pelo período de 90 dias. Na partida do RAHLF 2, optou-se pelo aumento gradual de concentração do PCP de 0,5 mg/L a 12,0 mg/L durante 52 dias. Após estabelecimento da metanogêsenese, R1 foi alimentado durante 270 dias com 5,0 mg PCP/L, durante 41 dias com 8,0 mg/L e 59 dias com 12 mg/L. O balanço de massa no reator RAHLF 1 demonstrou que 0,52% do PCP adicionado saiu no efluente e que não ocorreu adsorção no sistema. 22,34 mg de 2,4,6 TCP, intermediário da degradação do PCP, ficaram adsorvidos na biopartícula. Os resultados das análises de diversidade microbiana apontaram para mudança da comunidade microbiana do domínio Bacteria ao longo do período operacional e morfologias de bacilos fluorescentes semelhantes a Methanobacterium sp estiveram presentes no reator. No RAHLF 2, a degradação do PCP foi de 100%, até a concentração de 10,0 mg/L. No final da fase com 12,0 mg PCP/L, a concentração no efluente foi de 1,4 mg PCP/L, com eficiência média de remoção de 93,2 \'+ ou -\' 5,5%. 2,4,6 TCP foi o intermediário principal no efluente do reator. 4,06% do PCP adicionado ao sistema foram encontradas no efluente e 15,94% ficaram adsorvidas nas biopartículas do reator. Portanto, considera-se que 80% do PCP adicionado sofreu degradação anaeróbia microbiana. A presença dos microrganismos Methanocalcullus e Methanosaeta na fase final de operação do RAHLF 2 e determinadas no sedimento coletado foi considerada fundamental para manter estabilidade do reator. Essa descoberta contribui com informações sobre a real diversidade microbiana de ecossistemas tropicais, sobretudo em habitats anaeróbios, bem como sobre as condições nutricionais e os procedimentos necessários para confiná-la em reatores e usá-la em processos de biorremediação. / The research presented here aimed to determine the optimal nutritional conditions for the use of sediment from the Santos-São Vicente estuary in the state of São Paulo, Brazil, as an inoculum for a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor (HAIB) applied to the anaerobic degradation of pentachlorophenol (PCP), seeking to apply the technology on the real scale and to identify the microbial groups involved in the process. To this end, sediment with methanogenic characteristics from the Santos-São Vicente estuary was used. The microorganisms from the estuarine sediment were enriched under methanogenic and halophilic conditions, aiming to use the sediment as an inoculum in nutritional assays and in the operation of HAIB reactors. Biota saline culture medium supplemented with glucose and formiate was used to develop the halophilic methanogenic microbial community. PCP degradation tests were carried out previously under different concentrations of nitrogen and phosphorus in order to gain a better understanding of the optimal N:P ratio for the anaerobic process. The findings on the microbial diversity of the domain Bacteria at the various ratios tested here indicated the selection of distinct microbial communities, resulting in different PCP degradation velocities. The N:P ratio utilized was 10:1 since it presented the best results not only in terms of faster PCP degradation than the other ratios but also highest diversity of microorganisms. The HAIB reactor was then operated with a mean inflow of approximately 44 mL/hour, using the biota saline mineral medium with a COD:N:P ratio of 1000:130:45 in R1 (reactor 1) and a COD:N:P ratio of 1000:10:1 in R2. Two distinct strategies were adopted to start up the reactors. In R1 PCP was added at an initial concentration of 10.0 mg/L for 100 days, causing destabilization of the methanogenesis and accumulation of PCP, requiring a 90-day intervention for the reactor\'s recovery. To start up R2, the PCP concentration was increased gradually from 0.5 mg/L to 12.0 mg/L for 52 days. After methanogenesis was established, R1 was fed for 270 days with 5.0 mg of PCP/L, followed by 41 days with 8.0 mg/L and 59 days with 12 mg/L. The mass balance in R1 indicated that 0.52% of the added PCP exited through the reactor\'s outflow and that adsorption of the system did not occur. 22.34 mg of 2,4,6 TCP, an intermediary of PCP degradation, was adsorbed in the bioparticles. The results of the analysis of microbial diversity indicated a change in the microbial community of the domain Bacteria along the operational period, with fluorescent bacilli morphologies resembling Methanobacterium sp present in the reactor. PCP degradation in R2 was 100% up to a concentration of 10.0 mg/L. At the end of the phase with 12.0 mg PCP/L, the effluent concentration was 1.4 mg PCP/L, with a mean removal efficiency of 93.2 \'+ or -\' 5,5%. 2,4,6 TCP was the main intermediary in the reactor\'s effluent. 4.06% of the PCP added to the system was found in the effluent and 15.94% was absorbed in the bioparticles of the reactor. Therefore, it was concluded that 80% of the added PCP underwent microbial anaerobic degradation. The presence of Methanocalcullus and Methanosaeta microorganisms in the final operating phase of R2, which was determined in the collected sediment, was considered fundamental for maintaining the reactor\'s stability. This discovery contributes to the body of information about the real microbial diversity of tropical ecosystems, above all in anaerobic habitats, and about the nutritional conditions and procedures involved in confining these microorganisms in reactors and using them in bioremediation processes.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(C)(2) 課題番号:14560051 研究代表者:浅川 晋 研究期間:2002-2003年度