Uma revisão sobre: tratamento biológico de drenagem de mina — cenário atualizado, perspectivas e recomendações de futuros trabalhos / Biological treatment of mine drainage — scenario updated, perspectives, and recommendations for future works

RESUMO Rochas contendo sulfetos metálicos podem ser oxidadas em um processo catalisado por procariotos quimiolitoautotróficos ou Fe3+. A atividade mineradora acelera esse processo ao gerar resíduos contendo sulfetos metálicos com grande superfície de contato. O lixiviado resultante, conhecido como drenagem de mina (DM), é rico em sulfato, íons hidrogênio e contaminantes químicos inorgânicos como ferro (Fe), zinco (Zn), cádmio (Cd), manganês (Mn), níquel (Ni), arsênio (As) e alumínio (Al). Para remover tais poluentes, atualmente, o principal tratamento utilizado é a adição de reagentes alcalinos. Entretanto, esse método tem limitada eficiência, alto custo e gera grandes volumes de resíduos sólidos tóxicos de relativa solubilidade. Bactérias redutoras de sulfato (BRS) podem oxidar matéria orgânica com geração de sulfeto. Algumas vias metabólicas do processo consomem H+neutralizando o pH. O sulfeto produzido pode reagir com contaminantes inorgânicos e precipitá-los, permitindo sua recuperação da fase líquida. O uso de subprodutos industriais e urbanos contendo diferentes fontes de carbono como doadores de elétrons no tratamento de DM tem sido investigado. Este artigo sumariza dados sobre as variáveis relevantes para a atividade microbiana durante o tratamento biológico de DM, analisando o atual cenário de pesquisas com fontes alternativas de carbono. Discute-se ainda novas fontes de matéria orgânica ainda não aplicadas para tratamento biológico de efluentes e que, sob aspectos de sustentabilidade, dos pontos de vista sustentável e econômico, podem ser usadas no tratamento de resíduos.

ABSTRACT Rocks containing metal sulfides be can oxidized biologically or chemically. Chemolithoautotrophics prokaryotes and Fe3+ catalyze this process. The mining activities also accelerate the process for creates metal sulphides tailings with a big contact surface. The leached formed is called Mine Drainage (MD) whose composition is rich in sulphate, hydrogen ions and inorganic chemical contaminants such as Fe, Zn, Mn, Cd, Ni, As e Al. Currently, in order to remove these pollutants, the main treatment used is the addition of alkaline reagents. However, the method has limited efficiency, high cost with input reagents and generates wide amounts of toxic solid residues with high solubility. The sulphide reducing bacterias (RSB) can oxidize organic matter generating sulphide. Some metabolic pathways consume H+ neutralizing the pH. The sulphide formed can react and precipitate inorganic pollutants, allowing their recuperation from the liquid phase. The use of industrial and urban by-products containing different carbon sources have been investigated as an electron donor in the MD treatment. The diverse microbial consortia synergic acting can present bigger efficiency in the presence of mixed carbon sources, besides lower cost in relation to the pure matter. Here will be detailed the biological treatment about which and how the variables of the system can influence the microbial activity and relevant molecules to the treatment. After is described the current situation of the research about alternative carbon sources. New carbon sources whose are a by-product of the expanding industry presenting good feature to anaerobic degrading are suggested. The by-product potential is described from the point of view of sustainability, and waste management.

Detecção e quantificação de bactérias resistentes aos antibióticos ampicilina e cloranfenicol em estações de tratamento de esgoto doméstico / Detection and quantification of bacteria resistant to ampicillin and chloranphenicol in domestic sewage treatment plants

RESUMO Estações de tratamento de esgotos (ETEs) estão entre as principais fontes de disseminação de bactérias resistentes a antibióticos (BRAs) e genes de resistência (GRAs) no ambiente. Este trabalho quantificou a ocorrência de bactérias resistentes aos antibióticos ampicilina e cloranfenicol no esgoto bruto (EB), no efluente tratado (ET) e no lodo de duas ETEs em escala plena por um período de nove meses. As unidades investigadas utilizavam os seguintes sistemas de tratamento: ETE-A, sistema de lodos ativados convencional; e a ETE-B, reatores anaeróbios (UASB) seguidos de filtros biológicos percoladores (FBP). Os resultados evidenciaram que a ETE-A foi mais eficiente na redução das concentrações de bactérias resistentes à ampicilina e ao cloranfenicol (cerca de 1,1 e 0,7 log10UFC.mL−1 de remoção, respectivamente), quando comparada com a ETE-B (0,5log10 UFC.mL−1 de remoção para as bactérias resistentes ao cloranfenicol e nenhuma remoção para as resistentes à ampicilina). As amostras de lodo, de ambas ETEs, apresentaram elevadas concentrações de bactérias heterotróficas totais — BHTs (4,8-7,6 log10UFC.mL−1) e de BRAs (3,0-6,3 log10UFC.mL−1). A maioria das cepas resistentes à ampicilina e ao cloranfenicol isoladas foi identificada como sendo da família Enterobacteriaceae. Algumas das espécies identificadas são bactérias potencialmente patogênicas, tais como: Klebsiella pneumoniae, Aeromonas hydrophila, Escherichia coli, Enterococcus faecium, Salmonella spp. Os resultados chamam a atenção para a disseminação de BRAs, potencialmente patogênicas, no meio ambiente a partir do efluente final (proveniente do tratamento secundário) das ETEs, independentemente do tipo de sistema adotado. Fica evidente que para reduzir significativamente a concentração das BRAs no ET, este deveria passar por tratamento adicional e desinfecção.

ABSTRACT Sewage treatment plants (STP) are among the main sources of dissemination of antibiotic-resistant bacteria (ARB) and antibiotic-resistance genes (ARG) into the environment. This work quantified the occurrence of cultivable ampicilin-resistant and chloramphenicol-resistant bacteria in raw sewage, treated effluent and sludge samples from two full-scale STP over nine months. The STP investigated used the following treatment systems: STP-A used conventional activated sludge system; and STP-B, anaerobic reactors (UASB) followed by percolating biological filters (PBF). Results showed that was more efficient in reducing the concentrations of ampicilin- and chloramphenicol-resistant bacteria (around 1.1 and 0.7 log10UFC.mL−1, respectively) when compared to STP-B (0.5 log10 UFC.mL−1 removal of cloramphenicol-resistant bacteria and no-removal of ampicilin-resistant bacteria). Sludge samples, from both STP, showed high concentrations of total heterotrophic bacteria (THB; 4.8-7.6 log10UFC.mL−1) and ARB (3.0-6.3 log10UFC.mL−1). Most of the isolated ampicilin- and chloramphenicol-resistant strains were identified as members of the Enterobacteriaceae family. Some of the identified species are potential pathogenic bacteria, such as Klebsiella pneumoniae, Aeromonas hydrophila, Escherichia coli, Enterococcus faecium, Salmonella spp. These results call attention to the spread of ARB, potentially pathogenic, in the environment from the final effluent (from secondary effluent) on the STP, regardless of the type of system adopted. It is evident that in order to significantly reduce the concentration of ARB in the treated effluent, it should undergo additional treatment and disinfection.

Comparação de métodos para quantificação de bactérias nitrificantes / Comparison of methods for quantification of nitrifying bacteria

RESUMO A quantificação de bactérias nitrificantes é de extrema importância para o monitoramento de sistemas biológicos de tratamento que promovam a nitrificação. Neste trabalho, 15 amostras de efluentes coletadas em sistema de tratamento por lodos ativados (LA) foram analisadas de modo a quantificar bactérias nitrificantes por meio de duas técnicas: tubos múltiplos ou técnica do número mais provável (NMP); e hibridação in situ fluorescente (FISH). Os resultados sugerem que houve uma tendência de se obter valores diferentes para bactérias oxidadoras de amônia por meio da NMP em comparação com a FISH. Não obstante, a análise estatística revelou que a diferença de quantificação encontrada entre as técnicas não foi significativa, indicando que ambas podem ser usadas. Para as oxidadoras de nitrito, não foi possível realizar comparação, uma vez que os gêneros que estavam sendo determinados em cada uma das técnicas provavelmente eram diferentes. Sendo assim, as técnicas NMP e FISH se mostraram métodos relativamente simples e adequados para quantificação de microrganismos nitrificantes, com vantagens e limitações inerentes a cada uma.

ABSTRACT The quantification of nitrifying bacteria is of utmost importance for monitoring biological treatment systems designed to promote nitrification. In this study, 15 activated sludge samples were analyzed in order to quantify nitrifying bacteria by two different methods: the most-probable number (MPN); and the fluorescence in situ hybridization (FISH). The results suggest that there was a tendency to obtain different values for ammonia-oxidizing bacteria by MPN compared to FISH. However, statistical analysis of these data revealed that the difference found between the two techniques was not significant, indicating that both can be used for quantification of ammonia-oxidizing bacteria. For nitrite-oxidizing bacteria it was not possible to make this comparison, since the bacterial genera that were being determined in each technique were likely different. Thus, MPN and FISH techniques proved to be relatively simple and suitable for quantification of nitrifying microorganisms in sludge samples, each of them with advantages and limitations.

Enriquecimento de microrganismos metanotróficos a partir de lodo de reator UASB tratando esgotos domésticos / Enrichment of methanotrophic microorganisms from sludge of UASB reactor treating domestic sewage

RESUMO Nesse estudo, microrganismos metanotróficos foram enriquecidos a partir de lodo proveniente de um reator UASB tratando esgotos domésticos em reator em batelada sequencial (RBS) com meio autotrófico contendo nitrito e nitrato. As eficiências médias de remoção de nitrito e nitrato foram de 68% e 53%, respectivamente, provavelmente devido à atividade heterotrófica desnitrificante. A detecção de arquéias dos grupos ANME-I e ANME-II foram realizadas por PCR durante todo período de cultivo. A estrutura da comunidade microbiana presente no inóculo e enriquecida no RBS após 100 dias de operação foi estudada por pirosequenciamento. Os resultados das análises demonstraram que a comunidade enriquecida no reator foi diferente à inoculada. Os filos dominantes no inóculo foram Synergistestes , Firmicutes e Euryarchaeota , ao passo que na biomassa enriquecida Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi e Proteobacteria predominaram. As condições de cultivo do RBS reduziram a abundância de Methanobacterium (8% para 1%) e selecionaram bactérias metanotróficas como Methylocaldum , Methylocistis e Methylosinus . As sequências de Methylocaldum sp. apresentaram abundância relativa de 2.5%. A presença e elevada predominância do filo Verrucomicrobia na biomassa enriquecida do RBS sugere que outras espécies de metanotróficas, ainda pouco conhecidas, relacionadas a este filo podem estar presentes no reator. O potencial de oxidação anaeróbia do metano foi determinado para ambas amostras e revelaram que a atividade metanotrófica da biomassa foi aproximadamente três vezes maior que a do inóculo. Em suma, estes resultados sugerem que o inóculo usado e as condições de cultivo aplicadas foram adequados para o enriquecimento de metanotróficas.

ABSTRACT In this study, methanotrophic microorganisms were enriched from sludge derived from a UASB reactor treating domestic sewage. The enrichment was performed in a sequencing batch reactor (RBS) with an autotrophic medium containing nitrite and nitrate. The nitrite and nitrate removal efficiencies were 68% and 53%, respectively, probably due to heterotrophic denitrification. Archaeal cells of the ANME-I and ANME-II groups were detected by PCR throughout the whole cultivation period. The microbial community composition of the biomass present in the inoculum and enriched in RBS after 100 days of operation was investigated and compared with the help of data obtained from pyrosequencing analyses. Pyrosequencing analysis demonstrated that the community enriched in the reactor had differing composition from the inoculum. The dominant phyla detected in the inoculum were Synergistestes , Firmicutes and Euryarchaeota while in the enriched biomass Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi and Proteobacteria predominated. The cultivation conditions applied decreased the abundance of Methanobacterium (from 8 to 1%) and selected for methanotrophic bacteria such as Methylocaldum , Methylocistis and Methylosinus . Sequences of Methylocaldum sp. accounted for 2.5% of the total reads. The presence and high predominance of Verrucomicrobia in the enriched biomass suggest that other unknown methanotrophic species related to this phylum might also have occurred in the reactor. The potential for anaerobic oxidation of methane was determined for both samples and revealed that the methanotrophic activity of the enriched biomass was almost three times greater than in the inoculum. Taken together these results indicated that the inoculum used and the cultivation conditions applied were adequate for the methanotrophic enrichment.

Enriquecimento de bactérias anaeróbias oxidadoras de amônia - anammox / Enrichment of anaerobic ammonium oxidizing bacteria - anammox

Bactérias anaeróbias oxidadoras de amônia (bactérias Anammox, do inglês anaerobic ammonium oxidizing bacteria) foram enriquecidas em reator em batelada sequencial (RBS), a partir de lodo proveniente de um sistema convencional de lodos ativados tratando esgoto doméstico de Belo Horizonte (MG). Após três meses de cultivo, atividade Anammox foi detectada no sistema pelo consumo de quantidades estequiométricas de NO2- e NH4+. Análises de hibridação in situ fluorescente (FISH, do inglês fluorescent in situ hybridization) confirmaram a presença de bactérias Anammox, provavelmente Candidatus Brocadia anammoxidans, e revelaram que estas representavam 53 por cento do total de células (após 6 meses de cultivo). O desempenho do reator ao longo dos sete meses de operação demonstrou remoção quase que total de nitrito, baseada em concentração afluente de 61 a 95 mg N-NO2-/L. A eficiência máxima de remoção de amônia alcançada foi de 95 por cento, a partir de concentração afluente de 55 a 82 mg N-NH4+/L.

Anaerobic ammonium-oxidizing (Anammox) bacteria were enriched from sludge collected at a conventional activated sludge system treating domestic wastewater of Belo Horizonte(MG), Brazil, employing a sequencing batch reactor (SBR). After three months of cultivation, Anammox activity was detected in the system by the consumption of stoichiometric amounts of NO2- and NH4+. Fluorescent in situ hybridization (FISH) results revealed the presence of Anammox bacteria (probably Candidatus Brocadia anammoxidans) and showed that they accounted for 53 percent of the total bacterial population (after 6 months of cultivation). The reactor performance during the seven months of operation showed a near perfect removal of nitrite, based on the influent NO2--N concentration of 61-95 mg/L. The maximum ammonia removal efficiency was 95 percent from the influent N-NH4+ concentration of 55-82 mg/L.