Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-24Bitstream added on 2014-06-13T20:24:21Z : No. of bitstreams: 1 duda_rm_dr_jabo.pdf: 7705565 bytes, checksum: 22edf4cc4e57fedc9fa2426e83e181e0 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Avaliou-se o desempenho de um reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB) seguido de um filtro anaeróbio de fluxo ascendente, instalados em série, com volume total de 300 L e 190 L, respectivamente, no tratamento de águas residuárias de suinocultura. As cargas orgânicas volumétricas aplicadas no reator UASB foram de 9,2 a 26,7 g DQOtotal (L d)-1. Para o pós-tratamento do efluente do sistema de tratamento anaeróbio utilizou-se um filtro biológico percolador (FBP) com volume total de 250 L. O meio suporte utilizado no filtro anaeróbio e no FBP foi composto por anéis de bambu e anéis de eletroduto plástico corrugado. As cargas hidráulicas superficiais (Qs) aplicadas no FBP variaram de 3,5 a 21,1 m3 (m2 d)-1. Os tempos de detenção hidráulica (TDH) aplicados no sistema de tratamento anaeróbio e pós-tratamento foram de 23,3 a 66,6 h. As produções volumétricas de metano no sistema de tratamento anaeróbio variaram de 0,16 a 0,68 L CH4 (L reator d)-1. Foram observadas eficiências médias de remoção de até 97% para a demanda química de oxigênio total, de 98% para os sólidos suspensos totais, de 78% para o nitrogênio total, de 79% para o fósforo total, de 99,9% para o cobre, de 99,9% para o zinco e de 99,99% para os coliformes termotolerantes, no sistema de tratamento anaeróbio e póstratamento. Com a utilização de diferentes fontes de substrato no ensaio de atividade da microbiota, observou-se o crescimento equilibrado das populações hidrolíticas, acidogênicas, acetogênicas e metanogênicas acetoclásticas e hidrogenotróficas no lodo dos reatores anaeróbios. Com a aplicação da técnica de biologia molecular (metagenômica) foram identificadas no lodo do reator UASB e do filtro anaeróbio de fluxo ascendente arquéias metanogênicas das famílias Methanomicrobiaceae, Methanobacteriacea, Methanosaetaceae e Methanosarcinaceae. / The performance of an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) followed of the anaerobic filter, installed in series, were evaluated for the treatment of swine wastewater. The total volume of UASB and anaerobic filter were of 300 L and 190 L, respectively. The organic load rate applied on the reactor UASB were of 9.2 to 26.7 g total COD (L d)-1, in the start and assays 1, 2, 3 and 4. For the post-treatment of effluent the anaerobic system was used a trickling filter, with total volume of 250 L. The supports used in the anaerobic filter and trickling filter were composed by bamboo rings in the start up and assays 1 to 2 and plastics rings in the assays 3 to 4. The hydraulic load applied on the trickling filter were of 3.5 to 21.1 m3 (m2 d)-1. The hydraulic detetion time (HDT) applied of system anaerobic and post treatment were 23.3 at 66.6 h. The volumetric methane productions ranged from 0.16 a 0.68 L CH4 (L reactor d)-1. The efficiencies of removal the chemical oxygen demand, total solids suspended, copper, zinc and fecal coliforms were of up to 97, 98, 78, 79, 99.9, 99.9 e 99.99%, respectively, for the anaerobic and post-treatment. With the use of different substratum sources in the assays of specific methanogenic activity, it was observed the balanced growth of the populations of microorganisms in the sludge of anaerobic reactor. The archaeas of the families Methanomicrobiaceae, Methanobacteriaceae; Methanosaetaceae and Methanosarcinaceae were identified in the sludge of the reactor UASB and of the anaerobic filter.

Os animais contribuem para o aumento da concentração de metano na atmosfera através da fermentação de tanques de esterco e da fermentação do trato digestivo (fermentação entérica). A fermentação entérica dos ruminantes, pseudo-ruminantes (cavalos, asno, mulas) e não ruminantes produzem em média 80 Tg/ano de metano e representam 28 % do metano antropogênico global emitido, dos quais 95 % provêm dos ruminantes. Os objetivos destes trabalhos foram (i) rastrear novos materiais com potencial forrageiro que contenham tanino e que promovam redução de metano entérico; (ii) estudar a influência dessas plantas sobre a produção de metano e parâmetros fermentativos in vitro; e (iii) estudar a influência dessas plantas sobre a população de Fibrobacter succinogenes e a comunidade metanogênica no meio de fermentação. Os resultados são apresentados na forma de capítulos, sendo o primeiro objetivo descrito no Capítulo 3, no qual é descrita a caracterização das leguminosas taniníferas Styzolobium aterrimum (STA), Styzolobium deeringianum (STD), Leucaena leucocephala(LEU), Mimosa caesalpiniaefolia Benth (MIC). Estas plantas foram avaliadas pela composição química e quantificação de compostos fenólicos e bioensaio até 96 h de incubação in vitro; tendo Cynodon x cynodon (CYN) como controle para avaliar a produção de gás potencial (A), a fase lag (L), a taxa fraccional de fermentação (\'mü\') e o incremento de gás devido à adição de PEG após 8, 24 e 48 h de incubação nas cinco plantas. As leguminosas tiveram melhor desempenho fermentativo que a gramínea, com exceção de MIC. Entretanto, a fermentação de todas leguminosas foi limitada diferentemente pela presença de tanino, da fibra indigestível ou pela ação aditiva de ambos. Entre todas as plantas, LEU mostrou ser uma forragem de boa qualidade para suplementação protéica em dietas de ovinos, assim como STA e STD, contanto que para estas haja um melhor manejo de produção para evitar o alto conteúdo de fibras, especialmente de FDA. MIC poderia ser incluído na dieta de ovinos em baixa concentração, não com a finalidade principal de suplementação protéica, mas explorando esta leguminosa como aditivo para mitigação de metano. No Capítulo 4 são apresentados os resultados de outro ensaio in vitro (segundo objetivo). A técnica in vitro de produção de gás foi utilizada para avaliar as quatro leguminosas taniníferas (STA, STD, LEU e MIC) e o CYN como controle em dois horários, no t1/2 (tempo para obtenção da metade da GP) e após 24 h de incubação, medindo a produção total de gás, metano, amônia, ácidos graxos de cadeia curta (AGCC), massa microbiana (MM) e a degradabilidade verdadeira da matéria seca (VDMS). A produção de metano em t1/2 foi reduzida (P < 0,05) com adição das leguminosas em 17% e quando relacionado à VDMS, esta redução alcançou em média 50% com LEU e STA e 37% com MIC e STD. LEU e STA causaram aumento significante na MM seguida por STD, MIC e CYN. A relação MM/SCFA em t1/2 foram maiores para LEU (14,7) e STA (14,1) seguida por STD (6,1), MIC (5,6) e CYN (4,6). A maior MM para LEU e STA sugere uma produção de ATP maior, porém, as diferentes proporções de AGCC demonstraram diferentes rotas de aquisição de ATP. O Capítulo 5 se refere à quantificação de linhagens de bactéria ruminal, a qual foi realizada utilizando primers específicos para detecção de seqüências de gene 16S rDNA para metanogênicas e para a bactéria celulolítica Fibrobacter succinogenes através da reação em cadeia da polimerase em tempo real (qPCR). Foi também investigado a influência das leguminosas na comunidade metanogênica através da eletroforese em gel com gradiente denaturante (DGGE) de seqüências de gene 16S rDNA. As metanogênicas em t1/2 foram 2,0 e 0,9 vezes menores que com STA e LEU comparadas com o controle, mas foram 2,5 e 0,5 vezes maiores com MIC e STD. A população de F.succinogenes foi 2,3 e 1,8 vezes menores do que o controle quando LEU e STA foram incubadas. A análise de DGGE para metanogênicas resultou em diferente distribuição de bandas com os tratamentos. CYN apresentou algumas bandas mais fortes, as quais se tornaram fracas com as leguminosas, exceto em STA. Algumas bandas tanto desapareceram, como em LEU, STA e MIC, ou se tornaram mais fracas, especialmente em STA. MIC apresentou ligeiro aumento no número de bandas fracas. É confirmado que as plantas taniníferas estudadas foram capazes de reduzir a emissão de metano com diferentes proporções dos produtos finais de fermentação, afetando negativamente a população de F. succinogenes e causando alterações na estrutura da comunidade metanogênicas / Animals contribute to increasing the methane concentration in the atmosphere through the fermentation of livestock manure and the fermentation in the digestive tract, e.g, enteric fermentation. The enteric fermentation of ruminants, pseudoruminants (horses, donkeys, mules) and non-ruminants produce an average of 80 Tg/year of methane and comprise 28 % of global anthropogenic methane emission, from which 95% arise from ruminants. The aims of this study were (i) to scan new potential forage containing tannin, which may reduce enteric methane emission; (ii) to study the influence of those plants on methane production and fermentative parameters in vitro; (iii) to study the influence of those plants on the population of Fibrobacter succinogenes and the methanogen community in the fermentation fluid. The results are presented in the form of chapters, being the first objective studied described in the Chapter 3, in which refers to the characterization of the tannin-rich legumes Styzolobium aterrimum (STA), Styzolobium deeringianum (STD), Leucaena leucocephala(LEU), Mimosa caesalpiniaefolia Benth (MIC). They were appraised for the chemical composition, quantification of phenolic compounds and bioassay up to 96 h in vitro incubation using Cynondon x cynodon (CYN) as control, to evaluate the potential gas production, (A), lag phase (L), fractional rate of gas production (\'mü\') and the gas increment due to PEG addition after 8, 24 and 48 h incubation of the five plants. Legumes showed better fermentative performance (except MIC) than the grass. However, each legumes fermentation was limited diferently by the presence of condensed tannin or the indigestible fiber or by the additive action of both. Among the plants, LEU showed good quality forage for protein supplementation in sheep diets as well as STA and STD as long there is an agriculture management to reduce indigestible fiber, specially ADF. MIC could be included in a sheep diet in low concentration, aiming not the protein supplementation, but exploiting it as an additive to methane mitigation. In Chapter 4 the second object is discussed describing an in vitro gas test to evaluate the four tannin-rich legumes (STA, STD, LEU and MIC), and CYN as control at two main time points: t1/2 (time of half maximal gas production) and 24 h, measuring total gas production , methane, ammonia, short chain fatty acids (SCFA), microbial mass growth (MM) and true substrate degradability (TSD). Methane production at t1/2 was reduced (P < 0.05) with addition of legumes by 17 % but when related to TSD this reduction reached on average 50 % with LEU and STA and 37% with MIC and STD. LEU and STA caused a significant increase in MM followed by STD, MIC, and CYN. Additionally, high MM/SCFA ratios in t1/2 were found in LEU (14.7) and STA (14.1) and followed by STD (6.1), MIC (5.6) and CYN (4.6). The higher MM in LEU and STA suggested higher ATP production; however, the different proportion of the SCFA demonstrated different routes of ATP acquisition. Chapter 5 refers to the quantification of specific strains of rumen bacteria, which was performed using designed primers for detecting 16S rDNA gene sequences for methanogens and the cellulolytic bacteria Fibrobacter succinogenes by real-time polymerase chain reaction (qPCR). Also, the influence of those four legumes on the methanogenic community was investigated using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of 16S rDNA gene. Methanogens at t1/2 were 2.0 fold and 0.9 fold lower with STA and LEU compared to the control, but they were 2.5 fold and 0.5 fold higher with MIC and STD. F. succinogenes population was 2.3 and 1.8 fold lower than the control when LEU and STA was applied. DGGE analysis of the methanogenic population resulted in different band patterns with treatments. CYN presented some strong bands, which became weaker with the legumes, except in STA. Some bands either disappeared, as in LEU, STA and MIC, or became weaker, especially in STA. MIC increased slightly the number of weak bands. It is confirmed that the studied taninniferous plants were able to reduce enteric methane with different fermentation products proportions, as well negatively affected F. succinogenes population and caused changes in the methanogenic community structure

Neste trabalho foi realizada a caracterização microbiana anaeróbia de reatores anaeróbios diferenciais horizontais e em batelada, operados sob condições sulfetogênicas e mesofílicas (30ºC). Os reatores diferenciais foram preenchidos com diferentes materiais suportes (espuma de poliuretano, carvão vegetal, polietileno reciclado de baixa densidade e cerâmica porosa à base de alumina) visando a seleção do suporte adequado para otimização do processo sulfetogênico, para a relação DQO/sulfato de aproximadamente 0,67. Os reatores diferenciais foram alimentados diariamente com esgoto sintético, contendo aproximadamente 1000 mg/L de DQO e 1500 mg/L de sulfato, durante 28 dias de operação. A caracterização microbiana foi realizada através da técnica de hibridação in situ fluorescente (FISH), microscopia óptica e eletrônica de varredura. Foram realizadas quantificações, em termos de porcentagens, de microrganismos pertencentes ao Domínio Bacteria (EUB338), Domínio Archaea (ARC915) e bactérias redutoras do íon sulfato (BRS) da subdivisão delta de Proteobacteria (SRB385). Nos reatores diferenciais, houve predomínio de bactérias em todos os suportes estudados. Os reatores diferenciais operados com espuma e carvão apresentaram maiores porcentagens de BRS, com valores iguais a 57,6% e 69,7%, respectivamente. A cerâmica foi o material que apresentou melhor equilíbrio de bactérias e arqueas metanogênicas, com 59,6% e 40,9%, respectivamente. Os reatores em batelada foram operados com espuma de poliuretano e carvão vegetal com relação DQO/sulfato de aproximadamente 3. As porcentagens de BRS quantificadas pelo FISH foram iguais a 65,3% e 69,1% para espuma e carvão, respectivamente. Em ambos os reatores o carvão vegetal foi o material mais favorável à sulfetogênese. / This research reports an anaerobic microbial characterization of both, a horizontal differential anaerobic and a batch reactors, operated at sulfidogenic and mesofilic conditions at 30ºC. The differential reactors were filled with four support materials (polyurethane foam, vegetable coal, recycled polyethylene of low density and alumin based porous ceramic) aiming the selection of a more appropriated support for optimization of sulfidogenic processes (ratio COD/sulfate of approximately 0.67). Differential reactors were fed daily with synthetic sewage, containing approximately 1000 mg/L of COD and 1500 mg/L of sulfate concentrations, during 28 days of operation. Microbial characterization was accomplished using fluorescent in situ hybridization (FISH), optic and scanning electronic microscopy. It was realized a quantification, in percentages, of microorganisms belong to Bacteria Domain (EUB338), Archaea Domain (ARC915) and sulfate-reducing bacteria (SRB) of delta subdivision Proteobacteria (SRB385). Differential reactors have shown predominance of bacteria in all the support materials studied. Differential reactors operated with foam and coal presented the greatest percentages of SRB, with values equal to 57.6% and 69.7%, respectively. The ceramic was the material that presented the best equilibrium of bacteria and methanogenic archaea, with 59.6% and 40.9%, respectively. Batch reactors were operated with polyurethane foam and vegetable coal with COD/sulfate ratio of approximately 3. Percentages of SRB quantified by FISH were equals to 65.3% and 69.1% for foam and coal, respectively. In both reactors the vegetable coal have shown to be the most favorable material to sulfidogenesis.

Foram operados dois reatores UASB de bancada (volumes de 39,0 e 10,5 L) instalados em série, alimentados com águas residuárias de suinocultura com concentração de sólidos suspensos totais (SST), no primeiro reator, em torno de 5000 mg/L, com temperatura controlada (de 25 a 30 graus Celsius) e com tempo de detenção hidráulica (TDH) no primeiro reator de 62 a 16 h e no segundo de 16 a 4 h. O objetivo foi avaliar o desempenho e caracterizar física e microbiologicamente o lodo dos reatores UASB operados em dois estágios. Os resultados obtidos no ensaio 1, com TDH de 62 h no primeiro reator e SST no afluente de 5240 mg/L, mostraram eficiências de remoção de DQO total de 86% e 59% e SST de 82% e 57%, no primeiro e segundo reatores, respectivamente. A eficiência de remoção de DQO total e SST no sistema, no ensaio 1, foi de 95% e 94%. No ensaio 2, com TDH de 31 h no primeiro reator e SST de 5000 mg/L no afluente, observou-se eficiência de remoção de DQO total de 86% e 43% e SST de 85% e 58%, no primeiro e segundo reatores, respectivamente. A eficiência de remoção de DQO total e SST no sistema, no ensaio 2, foi de 92% e 94%. No ensaio 3, com TDH de 16 h no primeiro reator e SST de 5490 mg/L no afluente, observou-se eficiência de remoção de DQO total de 73% e 23% e SST de 65% e 20%, no primeiro e segundo reatores, respectivamente. A eficiência de remoção de DQO total e SST no sistema, no ensaio 3, foi de 79% e 73%. A TCOV aplicada no primeiro reator, no ensaio 1, foi de 4,55 kg DQO total/\'M POT.3\'.d, no ensaio 2 de 8,75 kg DQO total/\'M POT.3\'.d e no ensaio 3 de 18,65 kg DQO total/\'M POT.3\'.d. A produção de \'CH IND.4\' no primeiro reator foi de 17,50 a 68,20 L \'CH IND.4\'/d e no segundo reator de 1,62 a 5,50 L \'CH IND.4\'/d com a diminuição do TDH. Os reatores UASB instalados em série foram eficientes na remoção da fração dissolvida e, principalmente, da fração devido à concentração de SST do afluente. Para TCOV de 4,55 kg DQO/\'M POT.3\'.d no primeiro reator, pôde-se obter eficiências de remoção de DQO total e de SST acima de 90% e de DQO dissolvida acima de 85%. Para TCOV de 18,65 kg DQO/\'M POT.3\'.d no primeiro reator, as eficiências de remoção de DQO total e de SST foram acima de 70% e DQO dissolvida acima de 75%. As maiores produções específicas de metano foram obtidas com TCOV de 2,55 kg DQO/\'M POT.3\'.d para o segundo reator e de 8,65 kg DQO/\'M POT.3\'.d para o primeiro reator. A operação dos reatores UASB com valores de concentração de SST no afluente em torno de 5000 mg/L foram prejudiciais ao processo de granulação do lodo. Os grânulos apresentaram distribuição dispersa das morfologias microbianas ao longo da parede, não caracterizando a divisão em camadas definidas. As arqueas metanogênicas predominantes foram as semelhantes à Methanosaeta. / Two bench scale UASB reactors (volumes of 39,0 and 10,5 L) were operated in sequence, fed with swine wastewater with total suspended solids (TSS) concentration around 5000 mg/L in the first reactor, with controlled temperature (from 25 to 30 Celsius degrees) and operating with hydraulic detention time (HDT) in the first reactor varying from 62 to 16 h and in the second reactor from 16 to 4 h. The objective was to evaluate the performance and to characterize physically and microbiologically the sludge from UASB reactors operated in two stages treating swine wastewater. The results obtained in phase 1, with HDT of 62 h in the first reactor and TSS in the influent of 5240 mg/L, presented total COD removal efficiencies of 86% and 59% and TSS reduction efficiency of 82% and 57%, in the first and second reactors, respectively. The removal efficiency of total COD and TSS in the system, in phase 1, was 95% and 94%, respectively. In the phase 2, using HDT of 31 h in the first reactor and TSS of 5000 mg/L in the influent, it was observed a total COD removal efficiency of 86% and 43% and TSS reduction efficiency of 85% and 58%, in the first and second reactors, respectively. The system removal efficiency of total COD and TSS in phase 2, was 92% and 94%, respectively. In phase 3, with a HDT of 16 h in the first reactor and TSS of 5490 mg/L in the influent, it was observed a total COD removal efficiency of 73% and 23% and TSS reduction efficiency of 65% and 20%, in the first and second reactors, respectively. The total COD removal efficiency and TSS reduction efficiency in the system, in phase 3, was 79% and 73%, respectively. The volumetric organic loading rate (VOLR) applied in the first reactor, in phase 1, was 4,55 kg total COD/\'M POT.3\'.d, in phase 2 was 8,75 kg total COD/\'M POT.3\'.d and in phase 3 was 18,65 kg total COD/\'M POT.3\'.d. The \'CH IND.4\' production in the first reactor was from 17,50 to 68,20 L \'CH IND.4\'/d and in the second reactor from 1,62 to 5,50 L \'CH IND.4\'/d decreasing the HDT in the experiment phases. The UASB reactor installed in sequence were efficient in the dissolved fraction removal and, mainly, to the fraction due to the TSS influent concentration. The total VOL value of 4,55 kg COD/\'M POT.3\'.d was measured in the first reactor, it was achieved TSS and total COD removal efficiencies above 90% and dissolved COD above 85%. For the OVL of 18,65 kg COD/\'M POT.3\'.d in the first reactor the TSS and total COD removal were above 70% and dissolved COD above 75%. The larger methane specific production was obtained with a total VOL of 2,55 kg COD/\'M POT.3\'.d in the second reactor and 8.65 kg COD/\'M POT.3\'.d in the first reactor. The UASB reactors operation with the TSS concentration values of 5000 mg/L in the influent was prejudicing the sludge granulation process. The granules present a microbial morphology disperse distribution that doesn\'t characterize a layers defined distribution. The predominant metonogenic archeas were similar to Methanosaeta.

Os sistemas de cultivo agrícola são essenciais à sociedade. A questão atual é saber como mantê-los produtivos sem afetar drasticamente os diferentes ecossistemas e ciclos biogeoquímicos. Sabe-se que a atividade biológica dos solos é de crucial importância à saúde dos mesmos e à produtividade. Deste modo, a implantação de técnicas ambientalmente corretas com monitoramentos eficientes, baseados na qualidade do solo, é fundamental para valorizar a sua conservação. Esta tem sido o foco de pesquisas nas últimas décadas, sendo que refletem ação antrópica, principalmente pela emissão dos gases do efeito estufa (GEEs). O uso de sistemas conservacionistas destaca-se pela viabilidade econômica e ambientalmente benéfica em relação ao manejo convencional. O sistema integração lavoura-pecuária tem sido utilizado para minimizar os impactos ambientais da exploração agrícola, a fim de preservar as características físicas, químicas e biológicas do solo, estendendo sua resiliência e aumentando a produtividade. Os microrganismos são responsáveis por diversos processos biológicos essenciais ao ambiente e algumas espécies participam produzindo ou oxidando o metano (CH4), um dos gases do efeito estufa. Estes são influenciados principalmente pelas mudanças de uso do solo, que quando relacionadas ao manejo inadequado podem alterar a qualidade do solo, a produtividade e a emissão de gases. Assim, a avaliação dos solos dos sistemas agrícolas, sob a interação rizosférica de diferentes culturas e a criação de um ambiente anóxico se faz necessário para entender o comportamento de tais comunidades. Os sistemas de integração lavoura-pecuária e a rotação de culturas foram investigados em relação a microbiota funcional do solo, em função de fatores como ao histórico da área e umidade. Foram avaliadas a abundância, por PCR em tempo real, e a estrutura das comunidades Archaea e Bacteria por TRFLP, e a potencialidade de atuação do solo como emissor e mitigador de CH4 através da quantificação dos microrganismos metanogênicos e metanotróficos de áreas agrícolas e reflorestamento do Alto Xingu, no município de Querência. Com elas foi possível observar que os microrganismos são estruturados, primariamente, em função do tipo de solo e consecutivo efeito rizosférico dos vegetais, de forma que os sistemas de integração lavoura-pecuária (ILP) apresentaram sutilmente maior estabilidade em relação ao sistema rotacionado de soja/milheto, devido ao sistema radicular da pastagem fornecer maior proteção e liberação de exsudatos. Pelas semelhanças existentes com os sistemas ILP, a área de reflorestamento se encontra em recuperação transitória, em uma média da similaridade entre as enzimas de restrição HhaI e MspI, de 85%; e 65% em relação à floresta, que se estruturou de maneira diferenciada das demais áreas. Outro fator de diferenciação das áreas agrícolas foi a forte influência da calagem o que eleva o pH e concomitantemente apresentou teores elevados de Ca e Mg. Já as comunidades de metanotróficas não apresentaram variação em função das metanogênicas, em que a saturação hídrica promoveu seu crescimento somente nos solos de floresta, onde ocorre maior incorporação de matéria orgânica / Agricultural faming systems are essential to society. The current question is how to keep them productive without drastically affecting different ecosystems and biogeochemical cycles. It is known that the soil biological activity is crucial to the health and productivity. Thus, the implementation of environmentally correct techniques with efficient monitoring, based on soil quality is critical to enhance their conservation. This has been the focus of research in recent decades, and reflects human action, mainly by the emission of greenhouse gases (GHGs). The use of conservation tillage systems distinguished by economic viability and environmentally beneficial compared to conventional tillage systems. The crop-livestock system has been used to minimize the environmental impacts of farming, in order to preserve the physical, chemical and biological soil properties, extending its resilience and increasing productivity. Microorganisms are responsible for many essential biological processes to the environment and some species participate in production or oxidation of methane (CH4), a greenhouse gas. These are mainly influenced by land use changes, that when related to inadequate management may alter soil quality, productivity and gases emissions. Thus, the evaluation of soils for agricultural systems under the rhizospheric interaction of different cultures and creating an anoxic environment is needed to understand the behavior of such communities. Crop-livestock systems and crop rotation were investigated in relation to functional soil microbiota, depending on factors such as the area history and moisture. Genes abundance were assessed by real-time PCR, while Archaea and Bacteria community structure by TRFLP, and the potential role of soil as releaser and mitigator of CH4 through the quantification of methanogens and methanotrophs in agricultural areas and reforestation of the Upper Xingu, at Querência city. Through the techniques of qPCR and TRFLP was observed that microorganisms are structured primarily on the type of soil, followed by rhizosphere effect of plants. In this way, crop-livestock integration systems (CLI) are subtly stable then rotational system of soybean/millet due to pasture root system to provide greater protection and root exudation. Alike CLI systems, the reforestation area is in transient recovery on average between the restriction enzymes HhaI and MspI, 85%; and 65% in relation to forest, this structures itself in a differentiated manner from the other areas. The farming areas present strong influence of liming, which leads to grow pH and concomitantly high Ca and Mg contents. The methanotrophic community did not vary due to the methanogenic community, and the water saturation promotes the growth of methanogenic communities only in forest soils where occurs greater organic matter incorporation

O presente trabalho foi desenvolvido com o objetivo de verificar a eficiência de um reator anaeróbio híbrido (RAH) alimentado com uma mistura de ácidos orgânicos acético, propiônico, butírico, e láctico, bem como do álcool metanol, perfazendo uma DQO de 6,88 g/L, e avaliar nessas condições, a degradação do pentaclorofenol (PCP) na faixa de 2,0 a 21,0 mg/L. O RAH apresentou adequada performance na ausência de PCP, tendo sido inoculado com um lodo com AME cerca de 0,57 g DQO-CH4/g SV.d. Durante os 21 meses de operação do RAH na ausência de PCP verificou-se uma remoção média de DQO de 93% produção média de metano de 84%. Através de testes de toxicidade realizadas em batelada com o lodo granulado do RAH, antes da adição de PCP no reator, calculou-se o IC50, cujos valores foram 10, 12 e 13,69 mg/L. Na presença de PCP na faixa de 2,0 a 2,1 mg/L, o RAH apresentou remoção média de DQO de 96,7%, produção média de metano de 85,5% e remoção dos ácidos voláteis próxima a 74% do acético, 93% do butírico e 64% do propiônico. Individualmente, na presença da maior concentração de PCP adicionada, ocorreu decréscimo na remoção dos ácidos voláteis, principalmente do ácido propiônico e na taxa de conversão DQO/biogás. O PCP foi removido do sistema na ordem de 99% pela ação do lodo granulado com predominância do grupo das Archaea metanogênicas, verificada por exames microscópicos e hibridação \"in situ\". Valores da ordem de grandeza microbiana para os microrganismos metanogênicos nos períodos anteriores e posteriores a adição de PCP permaneceram na faixa de 105 e 106 céls./mL, quando cultivados em metanol e lactato mais sulfato, respectivamente. Os resultados sugerem que as Archaea metanogênicas podem estar envolvidas na degradação do PCP. A velocidade de remoção do organoclorado foi igual a 1,07 mg PCP/g SV.d quando a maior concentração de PCP foi estudada (21,0 mg/L). / The present research aimed to verify the efficiency of an Anaerobic Hybrid Reactor (AHR) supplied with a mixture of fatty acids, acetic, propionic, butyric and lactic and methanol as well. The total amount of COD was 6.88 g/L. The performance of the reactor was remarkably stable and efficient during PCP additions at range from 2.0 to 21.0 mg/L. The AHR showed a great performance in the PCP absence, inoculated with sludge with an specific methanogenic (SMA) activity of 0,057 g.COD-CH4/g. VS.d. During the 21 months of operation without PCP, the reduction of COD was around 93% and methane was up to 84% in the biogas. Before PCP addiction, two toxicity batch tests conducted with the granular sludge presented IC50 values around 10.12 mg/L and 13.69 mg/L. In the presence of PCP, at the range of 2.0 to 21.0 mg/L, the efficiency of volatile fatty acids breakdown was 93%, 64% and 74% respectively for butyric, propionic and acetic acids. Individually, at the presence of the higher PCP concentration studied, a decrease in the conversion of COD to biogas and organic acids removal occurred, mainly with propionic acid. PCP total removal of more than 99% was reached by granular sludge activities formed by the total time of reactor operation with a prevalence of methanogenic Archaea, verified under direct microscopy exams and in situ hybridization. Methanogenic cells predominance was noticed with 105 to 106 cells/mL during enumeration on methanol and lactate plus sulfate culture media, respectively. The results suggest that methanogenic Archaea can be involved in PCP degradation. The organochlorine removal rate was 1.07 mg PCP.g-1 VS.d-1 during the highest PCP (21.0 mg/L) concentration addition.

Foram estudados três procedimentos para o tratamento prévio de amostras provenientes de três sistemas de biodigestão anaeróbia operados com resíduos sólidos urbanos padronizados (RSUDp), com o fim de promover o desprendimento de células microbianas de fibras e outros materiais, e com isso obter um inóculo mais homogêneo para contagens celulares. Os tratamentos foram os seguintes: (a) suspensão de amostras em tampão fosfato e processamento em liqüidificador; (b) homogeneização mecânica e manual de amostras em solução mineral anaeróbia; (c) amostras submetidas a banho de ultra-som. O método do Número Mais Provável (NMP) foi utilizado para avaliar o número de bactérias celulolíticas e arqueas metanogênicas, em meio mineral contendo celulose em pó. Não foram constatadas diferenças entre os três tratamentos empregados, considerando-se os valores encontrados para ambos os grupos, da ordem de 102 células/mL. O tratamento com ultra-som foi escolhido para outras determinações em função da simplicidade quanto à manipulação. Assim, foram operados dois biorreatores anaeróbios com RSUDp para avaliação da reprodutibilidade dos valores das amostras após tratamento com ultra-som, para a determinação do número de microrganismos (celulolíticos, acetogênicos e metanogênicos) e avaliação da atividade microbiana anaeróbia na degradação do RSUDp. Os resultados das contagens de bactérias celulolíticas e arqueas metanogênicas pelo método do NMP em meio contendo celulose não foram superiores a 103 células/mL, e as réplicas foram bastante semelhantes. O aumento do número do grupo metanogênico pôde ser correlacionado com o aumento dos teores de metano no biorreator amostrado. As contagens de organismos acetogênicos e metanogênicos em meio mineral com fontes específicas revelou valores até 103 células/mL. Os tipos morfológicos predominantes nos exames microscópicos dos sistemas de biodigestão foram bacilos curvos, retos, sarcinas e cistos de sarcinas e as amostras dos tubos de contagem mostraram para celulolíticas, bacilos, cocos e sarcinas, para acetogênicas bacilos, bacilos espessos, cocos e cistos de sarcinas e para as arqueas metanogênicas bacilos fluorescentes e sarcinas. A evolução do processo de biodigestão anaeróbia nos dois últimos sistemas operados mostrou-se bastante próxima a proposta por BARLAZ et al. (1989b), em que o número de bactérias celulolíticas e de arqueas metanogênicas aumenta na fase considerada metânica acelerada. O conteúdo de sólidos totais diminuiu em 50% ao longo do processo e os teores de ácidos orgânicos voláteis diminuíram de 27,5 para 8, 79 g de ác. acético/L. / Three different treatments were applied to samples from three anaerobic biodigestion systems operated with standardized municipal solid waste to promote the release of microbial cells adhered to fibers and other materials, resulting in a more homogeneous inoculum to cellular counting. The following treatments were applied to the samples: a) suspension in phosphate buffer followed by blending; b) mechanical and hand homogenization in anaerobic mineral solution; c) sonication in ultrasound bath. The Most Probable Number (MPN) technique was employed to evaluate the populations of cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea, in mineral medium containing powdered cellulose. The populations of both groups of microorganisms were close to 102 cells/mL independently of the treatment applied to release the cells and no clear distinction among them could be made concerning their efficiencies. In view of this fact the ultrasound treatment was employed in all other determinations due to its simple execution. Two anaerobic bioreactors operated with standardized municipal solid waste were monitored to evaluate the reliability of sonication as a procedure for cell release, to determine microorganism populations (cellulolytic, acetogenic bacteria and methanogenic Archaea) and to evaluate the microbial anaerobic activity concerning the biodegradation of the standardized municipal solid waste. Cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea had similar populations (lower than 103 cells/mL) as well as acetogenic and methanogenic microorganisms (up to 103 cells/mL). The increase in the methanogenic population could be directly related to the increase of methane production in the studied reactor. The morphological types which predominate in the microscopic examinations of the biodigestion systems were curved and straight rods and sarcina. The tubes for MPN countings showed the presence of rods, coccus and sarcina for cellulolytic bacteria; rods, tick rods, coccus and sarcina for acetogenic bacteria and fluorescent rods and sarcina for methanogenic Archaea. The evolution of the anaerobic biodigestion process in the latter two monitored systems was very similar to the one proposed by BARLAZ et al. ( 1989b) where the number of cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea increase during the accelerated methane phase. The total content of solids decreased 50% during the process and the volatile acidity decreased from 27,5 g acetic acid/L to 8,79 g acetic acid/L.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-12-09Bitstream added on 2014-06-13T19:43:44Z : No. of bitstreams: 1 santana_am_dr_jabo.pdf: 5909203 bytes, checksum: 3d660be8aee8bbcfabdb656e3b158b48 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho avaliou-se o desempenho de sistema de tratamento combinado anaeróbio-aeróbio constituído por dois reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB), em série, em escala piloto (volumes de 510 e 209 L, respectivamente) seguidos de um reator em batelada seqüencial (RBS - volume de trabalho 210 L) aeróbio, tratando águas residuárias de suinocultura com concentrações médias de sólidos suspensos totais (SST) variando de 5 a 11 g L-1 e submetidos a tempos de detenção hidráulica (TDH) de 28 e 14 h no primeiro reator (R1), 11 e 6 h no segundo reator (R2) e de 58 e 26 h no RBS. As eficiências médias de remoção de DQO total e SST variaram de 54 a 90% e de 54 a 96%, respectivamente, no conjunto de reatores UASB em dois estágios (R1+R2), com carga orgânica volumétrica (COV) de 11 a 26 g DQO (L d)-1 no R1. A produção volumétrica máxima de metano de 1,613 m3 CH4 (m3 reator d)-1 ocorreu no R1, com COV de 19 g DQO (L d)-1 e TDH de 14 h. No RBS aeróbio, como pós-tratamento do efluente gerado nos reatores UASB, as eficiências médias de remoção foram 89%, 93%, 61%, 89% e 71% para a DQO total, SST, P-total, NTK e NT, respectivamente, com COV variando de 0,4 a 3,6 g DQO (L d)-1. Assim, no sistema de tratamento combinado anaeróbio-aeróbio (R1+R2+RBS), as eficiências médias de remoção da DQO total, SST, P-total, NTK e NT atingiram valores de 96 a 99%, 96 a 99%, 77 a 85%, 76 a 97% e 68 a 89%, respectivamente, e dos micronutrientes de 77 a 98%, 94 a 99%, 83 a 97% e de 62 a 99% para Fe, Zn, Cu e Mn, respectivamente, Para os coliformes termotolerantes, as eficiências de remoção médias foram de 93,80 a 99,99%, obtendo-se valores mínimos de 2,3 x 103 NMP/100 mL. A atividade metanogênica específica do lodo dos reatores UASB foi mais elevada quando se utilizou o propionato + butirato como fonte de substrato, e quando os reatores foram operados... / In this work a combination between aerobic and anaerobic treatment systems constituted by two Upflow Anaerobic Sludge Reactor (UASB) in series, in a pilot scale (510 and 209 L volume each respectively) followed by a sequential batch reactor (SBR – 210L net volume) aerobic, treating swine residual water having from 5 to 11 g L-1 of Total Suspended Solids (TSS) and under a hydraulic detention timing (HDT) of 28 and 14 hours in the first reactor (R1), 11 and 6 hours in the second reactor (R2) and 58 and 26 hours in the Sequential Batch Reactor (RBS). The COD and TSS average efficiency varied from 54 to 90% and from 54 to 96% respectively in the UASB two stages (R1 and R2), in a volumetric organic load (VOL) varying from 11 to 26g COD (L d)-1 in the R1. The maximum methane volumetric production was 1.613 m3 CH4 (m3 reactor d)-1 in the R1, having a 19g COD (L d)-1 and an HDT of 14h. Using an aerobic SBR as an effluent pretreater that was generate in the UASB reactors, it was reached an average of removing efficiency of 89%, 93%, 61%, 89% and 71% to total COD, TSS, total P, TNK and TN, respectively, COD varying from 0.4 to 3.6 g COD (L d)-1. This way, in the anaerobic-aerobic combined system (R1 + R2 + RBS) the total COD, TSS, total P, TNK and TN, average removing reached values from 96 to 99%, 96 to 99%, 77 to 85%, 76 to 97% and 68 to 89%, respectively. To Fe, Zn, Cu and Mn the average efficiency was from 77 to 98%, 94 to 99%, 83 to 97% and 62 to 99%, respectively. To the thermotolerant coliforms the removal efficiency average was from 93.80 to 99.99% reaching the lower value of 2.3 x 103 MPN/100 mL. The sludge specific methanogenic activity in the UASB reactors was more elevated when was used the propionate + butyrate as substrate in conjunction with the operation of 28 HDT, 11h and TSS affluent around 5 g L-1, reaching 0.443 and 0.206 mmol CH4 (g SV h)-1 in the reactors R1 and R2, respectively.

Os sistemas de cultivo agrícola são essenciais à sociedade. A questão atual é saber como mantê-los produtivos sem afetar drasticamente os diferentes ecossistemas e ciclos biogeoquímicos. Sabe-se que a atividade biológica dos solos é de crucial importância à saúde dos mesmos e à produtividade. Deste modo, a implantação de técnicas ambientalmente corretas com monitoramentos eficientes, baseados na qualidade do solo, é fundamental para valorizar a sua conservação. Esta tem sido o foco de pesquisas nas últimas décadas, sendo que refletem ação antrópica, principalmente pela emissão dos gases do efeito estufa (GEEs). O uso de sistemas conservacionistas destaca-se pela viabilidade econômica e ambientalmente benéfica em relação ao manejo convencional. O sistema integração lavoura-pecuária tem sido utilizado para minimizar os impactos ambientais da exploração agrícola, a fim de preservar as características físicas, químicas e biológicas do solo, estendendo sua resiliência e aumentando a produtividade. Os microrganismos são responsáveis por diversos processos biológicos essenciais ao ambiente e algumas espécies participam produzindo ou oxidando o metano (CH4), um dos gases do efeito estufa. Estes são influenciados principalmente pelas mudanças de uso do solo, que quando relacionadas ao manejo inadequado podem alterar a qualidade do solo, a produtividade e a emissão de gases. Assim, a avaliação dos solos dos sistemas agrícolas, sob a interação rizosférica de diferentes culturas e a criação de um ambiente anóxico se faz necessário para entender o comportamento de tais comunidades. Os sistemas de integração lavoura-pecuária e a rotação de culturas foram investigados em relação a microbiota funcional do solo, em função de fatores como ao histórico da área e umidade. Foram avaliadas a abundância, por PCR em tempo real, e a estrutura das comunidades Archaea e Bacteria por TRFLP, e a potencialidade de atuação do solo como emissor e mitigador de CH4 através da quantificação dos microrganismos metanogênicos e metanotróficos de áreas agrícolas e reflorestamento do Alto Xingu, no município de Querência. Com elas foi possível observar que os microrganismos são estruturados, primariamente, em função do tipo de solo e consecutivo efeito rizosférico dos vegetais, de forma que os sistemas de integração lavoura-pecuária (ILP) apresentaram sutilmente maior estabilidade em relação ao sistema rotacionado de soja/milheto, devido ao sistema radicular da pastagem fornecer maior proteção e liberação de exsudatos. Pelas semelhanças existentes com os sistemas ILP, a área de reflorestamento se encontra em recuperação transitória, em uma média da similaridade entre as enzimas de restrição HhaI e MspI, de 85%; e 65% em relação à floresta, que se estruturou de maneira diferenciada das demais áreas. Outro fator de diferenciação das áreas agrícolas foi a forte influência da calagem o que eleva o pH e concomitantemente apresentou teores elevados de Ca e Mg. Já as comunidades de metanotróficas não apresentaram variação em função das metanogênicas, em que a saturação hídrica promoveu seu crescimento somente nos solos de floresta, onde ocorre maior incorporação de matéria orgânica / Agricultural faming systems are essential to society. The current question is how to keep them productive without drastically affecting different ecosystems and biogeochemical cycles. It is known that the soil biological activity is crucial to the health and productivity. Thus, the implementation of environmentally correct techniques with efficient monitoring, based on soil quality is critical to enhance their conservation. This has been the focus of research in recent decades, and reflects human action, mainly by the emission of greenhouse gases (GHGs). The use of conservation tillage systems distinguished by economic viability and environmentally beneficial compared to conventional tillage systems. The crop-livestock system has been used to minimize the environmental impacts of farming, in order to preserve the physical, chemical and biological soil properties, extending its resilience and increasing productivity. Microorganisms are responsible for many essential biological processes to the environment and some species participate in production or oxidation of methane (CH4), a greenhouse gas. These are mainly influenced by land use changes, that when related to inadequate management may alter soil quality, productivity and gases emissions. Thus, the evaluation of soils for agricultural systems under the rhizospheric interaction of different cultures and creating an anoxic environment is needed to understand the behavior of such communities. Crop-livestock systems and crop rotation were investigated in relation to functional soil microbiota, depending on factors such as the area history and moisture. Genes abundance were assessed by real-time PCR, while Archaea and Bacteria community structure by TRFLP, and the potential role of soil as releaser and mitigator of CH4 through the quantification of methanogens and methanotrophs in agricultural areas and reforestation of the Upper Xingu, at Querência city. Through the techniques of qPCR and TRFLP was observed that microorganisms are structured primarily on the type of soil, followed by rhizosphere effect of plants. In this way, crop-livestock integration systems (CLI) are subtly stable then rotational system of soybean/millet due to pasture root system to provide greater protection and root exudation. Alike CLI systems, the reforestation area is in transient recovery on average between the restriction enzymes HhaI and MspI, 85%; and 65% in relation to forest, this structures itself in a differentiated manner from the other areas. The farming areas present strong influence of liming, which leads to grow pH and concomitantly high Ca and Mg contents. The methanotrophic community did not vary due to the methanogenic community, and the water saturation promotes the growth of methanogenic communities only in forest soils where occurs greater organic matter incorporation

Foram estudados três procedimentos para o tratamento prévio de amostras provenientes de três sistemas de biodigestão anaeróbia operados com resíduos sólidos urbanos padronizados (RSUDp), com o fim de promover o desprendimento de células microbianas de fibras e outros materiais, e com isso obter um inóculo mais homogêneo para contagens celulares. Os tratamentos foram os seguintes: (a) suspensão de amostras em tampão fosfato e processamento em liqüidificador; (b) homogeneização mecânica e manual de amostras em solução mineral anaeróbia; (c) amostras submetidas a banho de ultra-som. O método do Número Mais Provável (NMP) foi utilizado para avaliar o número de bactérias celulolíticas e arqueas metanogênicas, em meio mineral contendo celulose em pó. Não foram constatadas diferenças entre os três tratamentos empregados, considerando-se os valores encontrados para ambos os grupos, da ordem de 102 células/mL. O tratamento com ultra-som foi escolhido para outras determinações em função da simplicidade quanto à manipulação. Assim, foram operados dois biorreatores anaeróbios com RSUDp para avaliação da reprodutibilidade dos valores das amostras após tratamento com ultra-som, para a determinação do número de microrganismos (celulolíticos, acetogênicos e metanogênicos) e avaliação da atividade microbiana anaeróbia na degradação do RSUDp. Os resultados das contagens de bactérias celulolíticas e arqueas metanogênicas pelo método do NMP em meio contendo celulose não foram superiores a 103 células/mL, e as réplicas foram bastante semelhantes. O aumento do número do grupo metanogênico pôde ser correlacionado com o aumento dos teores de metano no biorreator amostrado. As contagens de organismos acetogênicos e metanogênicos em meio mineral com fontes específicas revelou valores até 103 células/mL. Os tipos morfológicos predominantes nos exames microscópicos dos sistemas de biodigestão foram bacilos curvos, retos, sarcinas e cistos de sarcinas e as amostras dos tubos de contagem mostraram para celulolíticas, bacilos, cocos e sarcinas, para acetogênicas bacilos, bacilos espessos, cocos e cistos de sarcinas e para as arqueas metanogênicas bacilos fluorescentes e sarcinas. A evolução do processo de biodigestão anaeróbia nos dois últimos sistemas operados mostrou-se bastante próxima a proposta por BARLAZ et al. (1989b), em que o número de bactérias celulolíticas e de arqueas metanogênicas aumenta na fase considerada metânica acelerada. O conteúdo de sólidos totais diminuiu em 50% ao longo do processo e os teores de ácidos orgânicos voláteis diminuíram de 27,5 para 8, 79 g de ác. acético/L. / Three different treatments were applied to samples from three anaerobic biodigestion systems operated with standardized municipal solid waste to promote the release of microbial cells adhered to fibers and other materials, resulting in a more homogeneous inoculum to cellular counting. The following treatments were applied to the samples: a) suspension in phosphate buffer followed by blending; b) mechanical and hand homogenization in anaerobic mineral solution; c) sonication in ultrasound bath. The Most Probable Number (MPN) technique was employed to evaluate the populations of cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea, in mineral medium containing powdered cellulose. The populations of both groups of microorganisms were close to 102 cells/mL independently of the treatment applied to release the cells and no clear distinction among them could be made concerning their efficiencies. In view of this fact the ultrasound treatment was employed in all other determinations due to its simple execution. Two anaerobic bioreactors operated with standardized municipal solid waste were monitored to evaluate the reliability of sonication as a procedure for cell release, to determine microorganism populations (cellulolytic, acetogenic bacteria and methanogenic Archaea) and to evaluate the microbial anaerobic activity concerning the biodegradation of the standardized municipal solid waste. Cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea had similar populations (lower than 103 cells/mL) as well as acetogenic and methanogenic microorganisms (up to 103 cells/mL). The increase in the methanogenic population could be directly related to the increase of methane production in the studied reactor. The morphological types which predominate in the microscopic examinations of the biodigestion systems were curved and straight rods and sarcina. The tubes for MPN countings showed the presence of rods, coccus and sarcina for cellulolytic bacteria; rods, tick rods, coccus and sarcina for acetogenic bacteria and fluorescent rods and sarcina for methanogenic Archaea. The evolution of the anaerobic biodigestion process in the latter two monitored systems was very similar to the one proposed by BARLAZ et al. ( 1989b) where the number of cellulolytic bacteria and methanogenic Archaea increase during the accelerated methane phase. The total content of solids decreased 50% during the process and the volatile acidity decreased from 27,5 g acetic acid/L to 8,79 g acetic acid/L.