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Tipo do documento: Tese
Título: Caracterização da diversidade molecular microbiana e simulação computacional da produção de biogás a partir de lodo de ETE
Título(s) alternativo(s): Characterization of microbial molecular diversity and optimization of biogas production from large-scale WWTP sludge
Autor: Rocha, Mariana Erthal 
Primeiro orientador: Teixeira, Lia Cardoso Rocha Saraiva
Primeiro coorientador: Mangiavacchi, Norberto
Segundo coorientador: Gomes, Marcia Marques
Primeiro membro da banca: Nakayama, Cristina Rossi
Segundo membro da banca: Enrich-Prast, Alex
Terceiro membro da banca: Andrade, Gilberto de Jesús Colina
Quarto membro da banca: Almeida, Paulo Afonso de
Quinto membro da banca: Salomão, André Luis de Sá
Resumo: A digestão anaeróbia (DA) é um processo biológico eficaz para o tratamento de diferentes tipos de resíduos orgânicos e produção de energia na forma de biogás. Bactérias e Archaea formam consórcios microbianos, tendo como produto, o gás metano (CH4). A DA e a estabilidade na formação do biogás, fundamentais para a operação de um reator, ainda não são totalmente compreendidas. Identificar os microrganismos (MO) envolvidos no processo permite conhecer o potencial metabólico do sistema em questão. Na presente investigação, o Modelo de Digestão Anaeróbia nº 1 (ADM1) foi utilizado para simular a produção de CH4 em um reator anaeróbio (RA), e um ensaio associado de potencial bioquímico de metano (BMP) em escala de bancada, foi conduzido tendo lodo de esgoto (LE) da estação municipal de tratamento de esgotos (ETE) Alegria/RJ como matéria-prima. O LE apresentou as seguintes características físico-químicas: pH (7,4 - 7,6), alcalinidade (2.382 ± 100 mg CaCO3 L-1), tDQO (21.903 ± 1000 mg L-1), COT (895 ± 100 mg L-1), ST, STV e SSV (2,0%, 1,1% e 0,8%, respectivamente). O ensaio de BMP foi realizado em seis réplicas sob condições mesófilas anaeróbias (37 ± 0,1°C) por 11 dias com rendimento de CH4 de 137,6 ± 6,39 NmL CH4 ou 124 ± 6,72 CH4 g-1 VS-1. Ao comparar os resultados obtidos no BMP com os dados gerados pelo modelo computacional ADM1, foram obtidas curvas de produção cumulativa de CH4 semelhantes, indicando a calibração e a validação do modelo ADM1. Utilizando a plataforma Illumina MiSeq, o sequenciamento do gene 16S RNAr revelou uma comunidade bacteriana central no material sólido, apresentando variações notáveis nos perfis. Antes da DA, a abundância relativa no LE era composta por: Proteobacteria > Bacteroidota > Actinobacteriota. Pós-DA, a abundância relativa mudou para Firmicutes > Synergistota > Proteobacteria, com Sporanaerobacter e Clostridium emergindo como gêneros dominantes. A comunidade metanogênica passou por uma mudança na via metabólica de acetoclástica para hidrogenotrófica nos reatores em escala de laboratório. No nível de gênero, Methanosaeta, Methanolinea e Methanofastidiosum predominaram inicialmente, enquanto pós-DA, Methanobacterium, Methanosaeta e Methanospirillum tiveram precedência. Esta transição metabólica pode estar ligada ao aumento da abundância de Firmicutes, particularmente Clostridia, que abrigam bactérias oxidantes de acetato (CH₃COO) facilitando a conversão de acetato em hidrogênio (H2). Firmicutes foi o filo dominante durante a DA, seguido por Synergistota. Sporanaerobacter e Clostridium foram os gêneros dominantes nos reatores BMP. A mudança da comunidade de arqueas metanogênicas de Methanosaeta para Methanobacterium pode estar relacionada ao aumento do filo Firmicutes e Synergistota nos reatores, afetando o grau de fermentação do substrato, o qual contém bactérias oxidantes de acetato, as quais convertem acetato em H2 que é eliminado pelos metanogênicos, tornando a reação termodinamicamente possível para esses grupos. Os perfis microbianos observados no presente estudo ampliam o conhecimento atual sobre possíveis relações sintróficas entre bactérias produtoras de H2 e arquéias metanogênicas hidrogenotróficas em LE. Os resultados obtidos ajudam a vislumbrar novos horizontes para futuros estudos de ecologia microbiana e melhoria da produção de biogás em ETEs.
Abstract: Anaerobic digestion (AD) is an effective biological process for treating various types of organic waste and producing energy in the form of biogas. Bacteria and Archaea form microbial consortia, with methane gas (CH4) as the product. AD and the stability in biogas formation, crucial for reactor operation, are not yet fully understood. Identifying the microorganisms (MO) involved in the process allows understanding the system's metabolic potential. In this investigation, Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) was used to simulate CH4 production in an anaerobic reactor (RA), and an associated Biochemical Methane Potential (BMP) assay on a bench scale was conducted using sewage sludge (SS) from Alegria/RJ municipal wastewater treatment plant (WWTP) as the raw material. The SS presented the following physicochemical characteristics: pH (7.4 - 7.6), alkalinity (2,382 ± 100 mg CaCO3 L-1), tCOD (21,903 ± 1000 mg L-1), COT (895 ± 100 mg L-1), ST, STV, and SSV (2.0%, 1.1%, and 0.8%, respectively). The BMP assay was performed in six replicates under mesophilic anaerobic conditions (37 ± 0.1°C) for 11 days with CH4 yield of 137.6 ± 6.39 NmL CH4 or 124 ± 6.72 CH4 g-1 VS-1. By comparing the results obtained in BMP with the data generated by computational model ADM1, similar cumulative CH4 production curves were obtained, indicating the calibration and validation of ADM1 model. Using Illumina MiSeq platform, 16S rRNA gene sequencing revealed a core bacterial community in the solid material, showing notable variations in profiles. Before AD, the relative abundance in SS was composed of: Proteobacteria > Bacteroidota > Actinobacteriota. Post-AD, the relative abundance changed to Firmicutes > Synergistota > Proteobacteria, with Sporanaerobacter and Clostridium emerging as dominant genera. The methanogenic community underwent a shift from acetoclastic to hydrogenotrophic metabolic pathway in the laboratory-scale reactors. At the genus level, Methanosaeta, Methanolinea, and Methanofastidiosum initially predominated, while post-AD, Methanobacterium, Methanosaeta, and Methanospirillum took precedence. This metabolic transition may be linked to the increased abundance of Firmicutes, particularly Clostridia, harboring acetate-oxidizing bacteria facilitating acetate conversion into hydrogen. Firmicutes was the dominant phylum during AD, followed by Synergistota. Sporanaerobacter and Clostridium were dominant genera in BMP reactors. The change from Methanosaeta to Methanobacterium in the methanogenic archaeal community may be related to increased Firmicutes and Synergistota phyla in the reactors, affecting the degree of substrate fermentation, which contains acetate-oxidizing bacteria converting acetate into H2 eliminated by methanogens, making the reaction thermodynamically feasible for these groups. The microbial profiles observed in this study expand the current knowledge on potential syntrophic relationships between H2-producing bacteria and hydrogenotrophic methanogenic archaea in SS. The results obtained help envision new horizons for future studies of microbial ecology and improvement of biogas production in WWTPs.
Palavras-chave: Engenharia ambiental
Biogás
Águas residuais - Microbiologia
Lodo residual
Água - Estações de tratamento
Environmental engineering
Biogas
Sewage - Microbiology
Sewage sludge
Water treatment plants
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL::CONTROLE DA POLUICAO
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
Citação: ROCHA, Mariana Erthal. Caracterização da diversidade molecular microbiana e simulação computacional da produção de biogás a partir de lodo de ETE. 2024. 228 f. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23582
Data de defesa: 7-Mai-2024
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Ambiental



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