Resumo do Artigo

425 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 RESUMO Este artigo de revisão aborda o uso do carvão ativado biológico no tratamento das águas para consumo humano O tratamento biológico tem aplicação na redução da instabilidade da água potável causada por matéria orgânica biodegradável e compostos inorgânicos reduzidos presentes em baixas concentrações A instabilidade tem efeitos prejudiciais à qualidade da água potável tais como o crescimento de bactérias e a formação de biofilmes na rede de distribuição O artigo discute as causas e consequências da instabilidade as medidas de avaliação da matéria orgânica os mecanismos de formação e controle de biofilmes no carvão ativado granular e as técnicas de avaliação microbiológica e da biodiversidade nos biofilmes Além disso analisase também a integração do carvão ativado biológico com outros processos usados no tratamento de água para consumo humano Palavraschave carvão ativado biológico biofiltração instabilidade da água tratamento biológico da água 1Doutoranda em Saneamento Ambiental e Recursos Hídricos pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Mestre em Meio Ambiente Saneamento e Recursos Hídricos pelo Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte MG Brasil 2Professora do Departamento de Microbiologia Imunologia e Parasitologia do Instituto de Ciências Básicas da Saúde da UFRGS Doutora em Biologia Molecular pela Glasgow University Escócia Reino Unido 3Professor do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS Doutor em Engenharia Ambiental pela Cornell University Pósdoutor do Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology EAWAG Dübendorf Suíça Endereço para correspondência Ana Paula Campos Westphalen Avenida Bento Gonçalves 9500 Agronomia 91501970 Porto Alegre RS Brasil Email campos1984hotmailcom Recebido 231114 Aceito 270116 Reg ABES 143108 Revisão de Literatura Utilização de carvão ativado biológico para o tratamento de água para consumo humano Use of biological activated carbon for drinking water treatment Ana Paula Campos Westphalen1 Gertrudes Corção2 Antônio Domingues Benetti3 ABSTRACT This review article portrays the use of biological activated carbon for drinking water treatment Biological treatment has applications in the reduction of drinking water instability caused by the presence of low levels of biodegradable organic matter and reduced inorganic compounds Instability causes deterioration in the quality of drinking water such as bacterial growth and biofilm formation in the water distribution system The article discusses the causes and consequences of instability the measures used for organic matter evaluation the formation and control mechanisms of biofilms in granular activated carbon and the techniques used for microbiological and biodiversity assessment of biofilms In addition it analyzes the integration of biological activated carbon with other processes used for drinking water treatment Keywords biological activated carbon biofiltration drinking water instability drinking water biological treatment INTRODUÇÃO A presença de pequenas concentrações de matérias orgânica e inorgânica reduzidas na água potável causa a instabilidade bioló gica da água RITTMANN SNOEYINK 1984 Bactérias uti lizam estes compostos como doadores de elétrons em reações de oxidaçãoredução obtendose energia e promovendo seu cres cimento em redes de distribuição de água A instabilidade bio lógica apresenta efeitos adversos na qualidade da água potável incluindo o crescimento de bactérias a formação de biofilmes na rede de distribuição de água a produção de compostos mal cheirosos resultantes do metabolismo microbiano e a corrosão de canalizações RITTMANN HUCK 1989 URFER et al 1997 HAMMES et al 2010 O tratamento biológico da água para consumo humano objetiva reduzir a instabilidade da água por meio de oxidação da matéria orgânica biodegradável e compostos inorgânicos presentes na forma reduzida tais como ferro manganês enxofre e amônia Exemplos de processos para o tratamento de água em que microrganismos atuam são a filtração em margem a filtração lenta e o carvão ativado bio lógico CAB O primeiro exemplo tem sido utilizado em cidades ao longo do rio Reno por mais de 100 anos SONTHEIMER 1980 A fil tração lenta é o processo mais antigo de purificação da água tendo DOI 101590S141341522016143108 426 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Westphalen APC Corção G Benetti AD sido inicialmente empregada na Escócia e Inglaterra no século XIX HUISMAN WOOD 1974 Carvão ativado granular é usado tra dicionalmente como um adsorvente de contaminantes orgânicos hidrofóbicos presentes em baixas concentrações na água tais como pesticidas e compostos causadores de gosto e odor Contudo estudos realizados a partir do final da década de 1970 constataram a presença de atividade biológica no carvão ativado SONTHEIMER et al 1978 McCARTY et al 1979 A partir desses estudos iniciais a biofiltra ção em carvão ativado passou a ser o tema de investigação por seu potencial de reduzir a instabilidade da água e decompor substâncias orgânicas recalcitrantes Este artigo de revisão trata do processo de CAB e da remoção de matéria orgânica biodegradável por microrganismos aderidos aos grâ nulos O artigo está organizado em cinco seções principais A primeira delas introduz a motivação para o estudo deste tópico Na segunda são discutidas as principais causas da instabilidade biológica e suas con sequências na qualidade da água potável A terceira seção descreve as principais medidas de avaliação da matéria orgânica presente na água para consumo humano A quarta parte é específica ao CAB apresen tando os princípios do processo os fatores que influenciam e contro lam o crescimento de biofilmes e os métodos de avaliação da biomassa crescida em biofilmes A quinta seção discute a inserção do processo de CAB ao tratamento de água para consumo humano Por fim nas considerações finais realizase uma integração do que foi apresen tado na revisão CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS DA INSTABILIDADE BIOLÓGICA NA ÁGUA POTÁVEL A instabilidade biológica decorre da presença de pequenos teores de matéria orgânica biodegradável na água potável Outros compostos que contribuem para a instabilidade incluem as formas reduzidas de nitrogênio amônia e nitrito ferro Fe2 manganês Mn2 enxofre H2S HS S2O3 2 e gás hidrogênio H2 A matéria orgânica e as for mas reduzidas destes compostos servem como doadores de elétrons em reações de oxidaçãoredução mediadas por microrganismos Com estas reações os microrganismos obtêm energia e elétrons para crescimento celular Este metabolismo que ocorre dentro da rede de distribuição de água é prejudicial à qualidade da água potável pois resulta em aumento do número de bactérias heterotróficas e de coli formes na água Embora não necessariamente patogênico o número de bactérias poderá estar em desacordo com os padrões de qualidade da água estabelecidos na legislação A maior parte das bactérias que oxidam a matéria orgânica e compostos reduzidos cresce aderida às paredes das canalizações formando biofilmes Eventualmente elas se desprendem das paredes e são levadas pela água potável Outro problema associado à instabilidade biológica dentro do sis tema de distribuição de água é a formação de subprodutos do meta bolismo bacteriano como os compostos malcheirosos geosmina e metilisoborneol MIB Actinomicetos microrganismos comumente encontrados em biofilmes crescidos em paredes de canalizações são conhecidos por produzirem estes compostos A corrosão e a solubilização de metais são efeitos deletérios da ins tabilidade biológica Snoeyink e Jenkins 1980 citam que biofilmes aderidos a superfícies metálicas favorecem a corrosão pelo aumento do potencial eletroquímico Os metais solubilizados pela corrosão podem formar complexos com grupos funcionais como ácidos carbo xílicos aminoácidos e fenóis os quais estão presentes em compostos que causam a instabilidade No tratamento da água cloro é dosado de modo a permitir um residual na rede de distribuição O objetivo disso é controlar o cresci mento de bactérias na rede as quais têm origem na instabilidade da água potável Contudo esta solução favorece a formação de uma série de subprodutos halogenados tóxicos formados em reações do cloro com a matéria orgânica RECKHOW SINGER 2011 MEDIDAS DE AVALIAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA NO TRATAMENTO BIOLÓGICO DE ÁGUAS PARA CONSUMO HUMANO A matéria orgânica presente em água para consumo humano pode ter origem em três fontes THOMPSON et al 2007 matéria orgânica natural MON matéria introduzida por atividades humanas e com postos adicionados ou formados por reações químicas durante o tra tamento e a distribuição da água A avaliação agregada da matéria orgânica presente em águas para consumo humano é feita por meio da concentração de carbono orgâ nico total COT Instrumentos analíticos modernos podem detectar aquelas de até 10 μgL1 APHA et al 2012 O COT subdividese em carbono orgânico dissolvido COD e particulado COP O primeiro é medido em amostra de água que passa através de um filtro de 045 μm Já o COP é a fração retida no filtro Nem todos os compostos orgânicos medidos pelo COT são bio degradáveis O COD biodegradável CODB mensura a fração de COD que pode ser degradada por metabolismo microbiano O car bono orgânico assimilável COA mede aquela do COD que é bio degradável e rapidamente assimilada por microrganismos Segundo Escobar e Randall 2001 o COA e o CODB representam respecti vamente entre 01 e 90 e 10 e 30 do COD de água para consumo humano A formação de COA é influenciada pelo tipo de oxidante usado no tratamento da água Ramseier et al 2011 mediram a for mação de COA mediante oxidação com ozônio dióxido de cloro cloro permanganato e ferrato Ozônio e ferrato proporcionaram a 427 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Carvão ativado biológico maior formação de COA enquanto que os outros oxidantes pro duziram pouco ou nenhum COA CODB e COA têm sido usados como indicadores do potencial de crescimento das bactérias na rede de distribuição de água O COD pode ser fracionado de acordo com diferentes métodos Por exemplo a cromatografia líquida com detector de carbono orgâ nico separa o COD em cinco classes com base na hidrofobicidade no peso molecular e na carga medindo a concentração de cada uma HAMMES et al 2010 Outro método consiste em fracionálo em quatro classes ácidos muito hidrofóbicos ácidos levemente hidro fóbicos ácidos hidrofílicos e hidrofílicos neutros A separação é realizada por adsorção em diferentes resinas CHOW et al 2004 A predominância de uma ou outra forma afeta algumas etapas do tratamento como a coagulação e a desinfecção CRC 2005 O COD ainda pode ser classificado em volátil ou não volátil baseado no seu potencial de purga A absorção da radiação ultravioleta no comprimento de onda em 254 nm UV254 pode ser empregada como um parâmetro represen tativo de COT COD ou precursores de trihalometanos Isso ocorre porque compostos orgânicos com estrutura aromática ou liga ções duplas de carbono são absorvidos pela radiação ultravioleta a 254 nm Outra medida é a absorbância específica à radiação ultra violeta ASUV definida como a razão entre a absorção UV254 e o COD Substâncias húmicas que constituem a maior parte da maté ria orgânica natural possuem estrutura aromática e ligações duplas CC Por esta razão possuem ASUV superiores a outras matérias orgânicas naturais constituindose um bom indicador do poten cial de formação dos subprodutos da desinfecção EDZWALD TOBIASON 2011 CARVÃO ATIVADO BIOLÓGICO Princípios do tratamento biológico de água para consumo humano O tratamento biológico é realizado por microrganismos que utilizam enzimas para catalisar reações de oxidaçãoredução as quais resul tam na biodegradação da matéria orgânica e de compostos reduzi dos Por meio destas reações os microrganismos obtêm energia para manutenção e reprodução celular Para que os microrganismos pos sam realizar as reações de biodegradação devem ter acesso contínuo a um doador de elétrons a um aceptor de elétrons e a nutrientes O doador de elétrons pode ser a matéria orgânica ou os compostos inorgânicos reduzidos O aceptor é um composto que se encontra na forma oxidada e pode receber elétrons do doador sendo o mais usual o oxigênio O2 mas em sua ausência compostos como nitrato NO3 e sulfato SO4 2 podem exercer este papel A transferência de elétrons do doador para o aceptor é um processo que envolve múltiplas etapas oportunizando a captura de elétrons em unidades discretas de trifos fato de adenosina ATP As baixas concentrações de matéria orgânica em águas para consumo humano selecionam naturalmente um grupo de hetero tróficos chamados de oligotróficos Estes crescem aderidos a super fícies sólidas formando biofilmes Os oligotróficos sobrevivem em ambientes com baixas concentrações de matéria orgânica Por exem plo Namkung e Rittmann 1987 mostraram que a concentração de 01 mgL1 de COD suportou um crescimento de biofilme oligotró fico capaz de degradar os compostos odoríferos MIB e geosmina além de fenol e naftaleno A concentração mínima de substrato que suporta a biomassa em condições permanentes é dada pela Equação 1 RITTMANN HUCK 1989 cuja obtenção é feita igualandose os termos que representam a síntese de novas células e o decaimento endógeno na equação que indica a taxa líquida de crescimento bacteriano como notado na Equação 2 METCALF EDDY 2014 1 2 Onde rx taxa líquida da síntese de novas células g célulasm3d1 Y coeficiente de produção celular verdadeiro g microrganismosg1 substrato k máxima taxa específica de utilização do substrato g substratog1 microrganismosd1 X concentração de biomassa ativa g microrganismosL1 S concentração do substrato g substratoL1 Ks constante de meiavelocidade do substrato g substratoL1 b coeficiente de decaimento específico endógeno g microrganismosg1 microrganismosd1 Se a concentração do substrato for inferior a Smin a biomassa não poderá ser sustentada uma vez que a perda por decaimento é maior que a síntese O parâmetro Smin é crítico no tratamento biológico de água para consumo humano Para garantir uma água estável as con centrações do substrato deverão estar sempre próximas a Smin Os termos filtração biologicamente ativa ou biofiltração são geral mente empregados para expressar o processo no qual microrganismos se acumulam na superfície de um meio granular como areia antracito 428 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Westphalen APC Corção G Benetti AD ou carvão ativado em decorrência da disponibilidade de substratos biodegradáveis Quando carvão ativado granular é usado como meio suporte para o crescimento de organismos o processo denominase CAB ou carvão ativado biologicamente ativo Neste caso além da ati vidade biológica a adsorção e a filtração contribuem para a remoção de contaminantes da água Biofilme referese aos agregados micro bianos que crescem aderidos às superfícies sólidas associados a uma matriz de substâncias poliméricas extracelulares SPE FLEMMING WINGENDER 2010 Mecanismos de remoção dos substratos orgânicos no carvão ativado biológico Estudos têm demonstrado que as colunas de carvão ativado granular CAG continuam removendo matéria orgânica mesmo quando sua capacidade de adsorção se encontra esgotada VELTEN et al 2011 Isto se deve à atividade das comunidades microbianas que colonizam a superfície externa e os macroporos das partículas de CAG SERVAIS et al 1994 Filtros de CAB passam por um processo de transição entre adsorção e biodegradação O período para isso se estende entre três a nove meses e se caracteriza por uma diminuição da capacidade adsortiva do carvão e um concomitante aumento de atividade bioló gica SUMMERS et al 2011 Inicialmente a maioria da remoção da matéria orgânica dissolvida ocorre por adsorção seguindose uma combinação de adsorção e biodegradação e finalizando com predomi nância da biodegradação DUSSERT VAN STONE 1994 Na opera ção de longo prazo ocorre também a biorregeneração definida como a biodegradação da matéria orgânica previamente adsorvida ao CAG AKTAŞ ÇEÇEN 2007 De acordo com Rittmann et al 2012 o parâmetro fundamental de dimensionamento dos processos de tratamento com biofilme é a taxa de aplicação de carga no meio suporte com biofilme que é defi nido pela Equação 3 3 Onde J fluxo do substrato no biofilme ou seja a taxa de aplicação de carga superficial no meio suporte com biofilme ML2T1 Q vazão L3T1 Si concentração do substrato no afluente ML3 V volume do reator L3 a área superficial específica L2L3 A cinética da degradação biológica em biofilmes apresenta três aspectos relevantes RITTMAN HUCK 1989 O primeiro deles é que a concentração de substrato não é a mesma para todos os orga nismos no biofilme uma vez que a utilização dele e a sua difusão den tro do biofilme ocorrem de maneira simultânea O segundo aspecto relevante é que a resistência ao transporte de massa existente na inter face biofilmelíquido diminui a taxa global de reação O terceiro diz respeito às condições permanentes ou não no biofilme as quais são definidas como as condições nas quais o crescimento do biofilme em função do uso de substrato é igual à perda de massa do biofilme por causa da respiração e separação Um biofilme em condições perma nentes tem valores únicos de concentração fluxo de substrato e espes sura do biofilme A biodegradação é menos eficiente na remoção de COD do que a adsorção porém tem a vantagem de atuar na parte mais pro blemática do COD que é a sua parcela biodegradável responsável pela instabilidade da água potável HAMMES et al 2010 É possí vel aumentar a fração biodegradável do COD por meio de oxidação prévia Por exemplo o uso de ozônio antes do filtro estimula a ati vidade biológica no carvão ativado granular Isso decorre da ação de ozônio sobre as moléculas recalcitrantes de alto peso molecular tornandoas menores e mais biodegradáveis Embora a concentra ção de COD permaneça a mesma há um aumento nas concentra ções de CODB e COA A combinação entre oxidação por ozônio e filtro de carvão biológico pode reduzir a concentração de COD entre 35 e 40 CRITTENDEN et al 2012 ou 70 e 80 da CODB HAMMES et al 2010 O fato de que nem todo o CODB é remo vido decorre do limitado tempo de contato entre microrganismos e matéria orgânica uma vez que filtros de CAB operam com veloci dades de filtração da ordem de 5 a 15 mh1 HAMMES et al 2011 CRITTENDEN et al 2012 Summers et al 2011 mostraram que a atividade biológica em fil tros de carvão ativado granular apresenta eficiência levemente superior àquela medida em areia e antracito além de atenuar melhor as variações de concentrações no afluente ao filtro A Tabela 1 inclui os resultados observados por Wang et al 1995 ao remover parâmetros orgânicos em água de manancial superficial rio Ohio com o uso de diferentes meios filtrantes A água era decantada préozonizada e com tempo de contato em leito vazio TCLV de 92 minutos As amostras foram toma das após cinco a nove meses da operação dos filtros todos com desen volvimento de atividade biológica Os resultados deste estudo indicaram que as colunas com CAG foram maiores aos outros meios na remoção de orgânicos Entre os CAG testados aqueles com predominância de microporos tiveram resultados superiores aos de meso e macroporos Além de diminuir a instabilidade da água e seus efeitos negativos organismos crescidos em CAG são capazes de degradar compostos orgânicos individuais problemáticos como os compostos odoríferos MIB e geosmina a cianotoxina microcistina os subprodutos da desin fecção e os agrotóxicos CRITENDEN et al 2012 429 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Carvão ativado biológico Formação crescimento e controle de biofilmes em carvão ativado granular Biofilmes desenvolvemse por meio de processos de aderência cres cimento desprendimento e morte de microrganismos PALMER WHITE 1997 HAMMES et al 2011 O grau de desenvolvimento do biofilme depende das propriedades da superfície de aderência a rugosidade e da composição físicoquímica da água tais como concentração e características do carbono orgânico nutrientes pH e temperatura A Figura 1 ilustra o processo de desenvolvimento do biofilme em uma superfície tendo matéria orgânica natural e sua Tabela 1 Remoção dos parâmetros orgânicos presentes em água decantada e préozonizada em diferentes meios filtrantes Parâmetro Antracito Areia Carvão ativado granular Microporoso Mesoporoso Macroporoso COT 16 20 29 27 21 COAXON 39 43 51 47 42 PFTHM 23 23 40 34 27 PFXOT 28 25 52 44 31 COT carbono orgânico total COA carbono orgânico assimilável XON halogênios orgânicos naturais PFTHM potencial de formação de trihalometanos PFXOT potencial da formação de halogênios orgânicos totais Fonte Wang et al 1995 Matéria orgânica natural 05 10 mgL1 de carbono orgânico dissolvido Matéria orgânica biodegradável 05 45 da matéria orgânica natural Reservatório de biomassa Reservatório de substrato Célula suspensa Célula aderida Adesão Crescimento Carbono orgânico facilmente assimilável COA Carbono orgânico dissolvido biodegradável CODB Desprendimento Célula morta Figura 1 Formação do biofilme e consumo de carbono Fonte Adaptada de Hammes et al 2011 430 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Westphalen APC Corção G Benetti AD fração biodegradável como substratos para crescimento bacteriano Inicialmente bactérias suspensas aderemse à superfície sólida pela excreção de SPE Os organismos passam a metabolizar os nutrien tes presentes na fase líquida e crescem formando agregados unidos pelas SPE Eventualmente parte daqueles associados ao biofilme desprendese para a água enquanto outros morrem por predação e outros fatores Um biofilme bem estruturado contém não somente bactérias mas também fungos protozoários e outros eucariotos Bactérias indíge nas normalmente têm vantagem sobre as patogênicas em ambientes oligotróficos como os encontrados em água para consumo humano Bactérias patogênicas são mais competitivas em ambientes com con centrações de nutrientes altas No tratamento biológico de água para consumo humano o objetivo é manter uma população microbiana benigna capaz de remover o CODB e reduzir a instabilidade da água SOBECKA et al 2006 HAMMES et al 2011 Além da disponibilidade de CODB na fase líquida o cresci mento do biofilme também está associado ao consumo de subs trato inicialmente adsorvido na superfície do carvão Este pro cesso denominado de biorregeneração depende de fatores como a reversibilidade da adsorção as propriedades do substrato aderido o tamanho e a porosidade do carvão a concentração da biomassa e o processo de ativação do carvão SPEITEL DiGIANO 1987 KLIMENKO et al 2003 Tem sido demonstrado que a atividade do biofilme aumenta com a sua espessura até atingir um nível crítico que geralmente situase entre 50 e 500 μm BOYLE et al 1999 BRANDA et al 2005 Acima dessa espessura a difusão de nutrientes e de oxigênio para os microrganismos do biofilme tornase limitante LAZAROVA MANEM 1995 Por outro lado um biofilme excessivamente fino não proporciona a remoção adequada de substratos SCHOLZ MARTIN 1997 Um dos desafios na aplicação do CAB para a produção de água potável é controlar o crescimento excessivo de microrganismos ati vos no biofilme pois pode haver colmatação perda de carga exces siva e anaerobiose WALKER WEATHERLEY 1999 SIMPSON 2008 Como resultado há uma perda na eficiência de remoção das substâncias orgânicas picos de turbidez no efluente além de uma concomitante redução do OD e do pH Este problema expõe os con sumidores de água ao risco de doenças infecciosas associadas ao avanço de microrganismos no sistema da distribuição de água potá vel KEINANEN et al 2004 Várias estratégias têm sido propostas para controlar o cresci mento de biofilmes no CAB Walker e Weatherley 1999 citam a retrolavagem e a injeção de ar para remover o excesso de biomassa Embora uma fração da biomassa bacteriana fixada no CAG possa ser eliminada durante a retrolavagem o biofilme é geralmente resistente ao cisalhamento permanecendo aderido aos grânulos de carvão Em experimentos com retrolavagem Yunan et al 2011 mediram 29 de perda da biomassa durante o período de formação do bio filme diminuindo para 12 no estado estacionário Wang et al 1995 propuseram o controle da quantidade de carbono orgânico assimi lável e fósforo disponíveis aos microrganismos por meio do manejo da vazão de alimentação reduzindoa ou aumentandoa de acordo com a composição da água Técnicas de avaliação microbiológica e da biodiversidade no biofilme Por muito tempo a caracterização microbiológica da água potável baseouse em métodos convencionais de cultivo como a contagem de heterotróficas em placas e o plaqueamento seletivo para patóge nos Variações destes métodos têm sido adotadas como indicadores da qualidade microbiológica de água por mais de 100 anos ALLEN et al 2004 Porém a contagem de heterotróficas em placas e os outros métodos tradicionais de cultivo apresentam limitações sendo a principal delas a discrepância entre a contagem de células culti váveis e totais BERNEY et al 2008 Normalmente a água potável contém ordens de magnitude de bactérias heterotróficas a mais do que o detectado com o método de contagem em placas HAMMES et al 2008 Da mesma forma as técnicas convencionais de micro biologia para identificar espécies de microrganismos presentes no biofilme têm limitações já que não são capazes de cultivar micror ganismos autótrofos dentre outros que apresentam metabolismos mais exigentes A colonização dos filtros de CAG por bactérias foi inicialmente observada por meio de técnicas como a microscopia eletrônica de varredura as convencionais de contagem bacteriana e determina ção da concentração do ATP SERVAIS et al 1994 Com o advento da Biologia Molecular a investigação da composição de biofilme associado ao CAG teve um grande avanço sendo possível identifi car gêneros bacterianos envolvidos na dinâmica da biodegradação de matéria orgânica Técnicas como a hibridação in situ fluores cente FISH a determinação da concentração do ATP a citome tria de fluxo FCM a reação em cadeia da polimerase PCR a eletroforese em gel de gradiente desnaturante DGGE e a meta genômica são atualmente essenciais ao avanço dos estudos de bio filmes A seguir serão apresentadas algumas dessas técnicas que já vêm sendo empregadas com sucesso na avaliação de biofilmes associados ao CAG Hibridação in situ fluorescente O uso da FISH fluorescent in situ hybridization em inglês permite quantificar e identificar por meio da microscopia de fluorescência microrganismos em diversos ambientes sem a necessidade de se 431 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Carvão ativado biológico fazer a extração do DNA Os organismos podem ser identificados dentre uma população mista por apresentarem uma região com plementar de seu RNA ribossômico à sonda utilizada Cada célula ativa contém entre 103 e 105 ribossomos e parte desses constitui os RNAs ribossomais RNAr 5S RNAr 16S e RNAr 23S AMANN FUCHS 2008 Dependendo das sondas empregadas a FISH pode ser empregada para detectar e quantificar os microrganismos de dife rentes níveis filogenéticos Zhang et al 2013 avaliaram o funcionamento de um filtro CAG semeado com cinco espécies de bactérias provenientes de outro bio logicamente ativo Com o emprego da FISH os autores constataram que no dia 180 de operação do filtro as bactérias semeadas represen tavam 93 da contagem total Outros autores que também utilizaram FISH para acompanhar o desenvolvimento de populações microbianas em biofilmes foram Manz et al 1999 Araya et al 2003 Kindaichi et al 2004 e Di Gioia et al 2009 Concentração do trifosfato de adenosina O ATP é aplicado como moeda de energética por todos os organis mos desde as bactérias até os seres humanos Por isto é considerado um parâmetro adequado para a quantificação da biomassa ativa em sistemas biológicos A análise do ATP requer um equipamento analí tico simples é rápida e tem limite de detecção baixo VELTEN et al 2007 Foi descrito por Velten et al 2007 um método para a estima tiva da biomassa ativa aderida ao CAG O método combina a deter minação direta do ATP sobre as partículas de CAG com o valor espe cífico de ATP por célula bacteriana Os resultados são então converti dos para concentrações de ATP por meio de uma curva de calibração Em seguida a concentração de ATP bacteriana é transformada em um número correspondente de bactérias usando um fator de conver são específico Com este método Velten et al 2007 investigaram a formação de biofilme em filtro piloto de CAG tratandose água do Lago Zurique Suíça Os dados finais indicaram que tal método pode ser usado para determinar a biomassa ligada ao CAG aos biofilmes em desenvolvimento ou em estado estacionário Outros estudos que investigaram biofilmes aderidos ao CAG também adotaram essa meto dologia para quantificar microrganismos MAGICKNEZEV VAN DER KOOIJ 2004 BOON et al 2011 LAUTENSCHLAGER et al 2013 ORIOL et al 2013 Citometria de fluxo Um método rápido para quantificar microrganismos é a citometria de fluxo realizado por um equipamento denominado citômetro Essa téc nica permite a quantificação de células viáveis e mortas numa popula ção de microrganismos SILVA et al 2004 A suspensão celular que é injetada no citômetro atravessa uma câmara na qual encontra um feixe de radiação perpendicular ao fluxo Pelo controle da espessura de solução da amostra o fluxo ocorre em regime laminar com passa gem de uma célula por vez Podem ser detectadas até 10000 células por segundo Tal técnica analisa as células individualmente permi tindo a detecção de uma variedade de estados fisiológicos existentes na população NEBEVONCARON et al 2000 A citometria de fluxo foi usada por Velten et al 2011 para realizar a contagem de células de microrganismos presentes no efluente de um filtro CAG operado em escalapiloto Prest et al 2014 também a usaram para monitorar as alterações da população microbiana em um sistema de distribuição de água potável com filtro CAG Reação em cadeia da polimerase A PCR consiste na amplificação de um segmento do DNA que seja de interesse no estudo como o gene 16S rRNA SAIKI et al 1985 MULLIS FALLONA 1987 Sua principal vantagem é possibilitar o estudo de comunidades in situ como em biofilmes Minillo et al 2013 observaram a biodegradação de microcistinas por micror ganismos em filtros de CAG Amostras de biomassa coletadas nos filtros e submetidas à extração de DNA à técnica de PCR e ao sequenciamento em um sequenciador de capilar indicaram domí nio de quatro gêneros de bactérias Acinetobacter Pseudomonas Cupriavidus e Stenotrophomonas e duas famílias Burkholderiaceae e Oxalobacteraceae Outros autores têm utilizado a técnica de PCR para investigar a constituição das populações microbianas em bio filmes LYAUTEY et al 2005 BABBIT et al 2009 YUNAN et al 2011 WANG et al 2013 Eletroforese em gel de gradiente desnaturante Na DGGE a dupla fita de DNA é submetida à eletroforese em gel de poliacrilamida com um gradiente de agente desnaturante ureia ou formamida Nestas condições ocorre a separação das moléculas de DNA resultando em segmentos denominados domínios A DGGE analisa os produtos da PCR conforme as suas sequências de pares de bases e não as diferenças no tamanho dos produtos Moléculas de DNA com o mesmo tamanho mas com sequência diferente de nucleotídeos apresentam comportamento eletroforético diferente quando expostas ao gradiente de agentes desnaturantes A sequên cia de nucleotídeos de um fragmento de DNA definirá a posição no gradiente em que a fita dupla irá se desnaturar passando a DNA fita simples e interrompendo sua migração no gel ROSADO DUARTE 2002 A DGGE aliada ao sequenciamento permite a determinação da diversidade genética de comunidades microbianas e a identifica ção filogenética de seus membros Esta técnica tem sido empregada em trabalhos associados à investigação de comunidades micro bianas presentes em biofilmes Hoefel et al 2006 com base nas sequências de genes de 16S rRNA detectadas por DGGE e posterior 432 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Westphalen APC Corção G Benetti AD sequenciamento identificaram três bactérias que formavam um consórcio responsável pela biodegradação da geosmina Boon et al 2011 investigaram por DGGE a diversidade de espécies em um filtro piloto CAG que recebia água do Lago Zurique Outros auto res que usaram DGGE para analisar comunidades microbianas em biofilmes incluem Lyautey et al 2005 Babbit et al 2009 e Lautenschlager et al 2013 Metagenômica A metagenômica permite estudar os genomas de microrganismos de um nicho ecológico sem a necessidade de fazer culturas individuais O metagenoma por sua vez é o genoma coletivo da microbiota total encontrada em um determinado hábitat Por meio da metagenômica o DNA microbiano pode ser utilizado para compreensão da fisiologia e da genética de organismos não cultiváveis HANDELSMAN 2004 Assim como outras ferramentas de Biologia Molecular tal técnica tem sido usada para investigar a composição de comunidades microbia nas em biofilmes Lautenschlager et al 2014 examinaram a composição e a abun dância da comunidade microbiana em filtros de areia lento rápido e CAG e seus respectivos efluentes em uma estação de tratamento de água Os resultados indicaram que a concentração da biomassa variou de 2 a 5x1015 em todos os filtros Baseado em mais de 400 pirosequen ciamentos dos genes 16S rRNA os mesmos autores verificaram táxons semelhantes nos três biofiltros e em seus respectivos efluentes predo minando Proteobacteria Planctomycetes Acidobacteria Bacteriodetes Nitrospira e Chloroflexi Porém as razões entre os táxons nos biofiltros eram diferentes variando entre 50 e 60 INTEGRAÇÃOAPLICAÇÕES DO CARVÃO ATIVADO BIOLÓGICO NO TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO O tratamento biológico em águas para consumo humano tem tido maior aplicação em países europeus seja pela filtração em margem ou pela filtração lenta em areia ou carvão ativado MOEL et al 2006 Rittmann e Huck 1989 apresentaram exemplos de uso da biofiltra ção na Holanda Alemanha França Suíça e Inglaterra Uma legisla ção mais restritiva relativa ao controle de subprodutos da desinfeção de microcontaminantes orgânicos e melhoria da qualidade estética da água tende a favorecer o uso do tratamento biológico da água Isto se deve ao seu potencial de diminuir a instabilidade da água potável redu zindo o recrescimento de microrganismos na rede de distribuição da água e demanda de cloro residual além da degradação de compostos orgânicos problemáticos tais como geosmina e microcistinas URFER et al 1997 TAKEUCHI et al 1987 Efluentes de filtros CAB geralmente mostram número de bacté rias superior ao afluente ao filtro em função do desprendimento de organismos associados ao biofilme SERVAIS et al 2005 Assim a pósdesinfecção é recomendada para garantir a qualidade microbio lógica da água Embora não seja regra geral algumas estações de tra tamento de água na Europa distribuem água tratada biologicamente sem pósdesinfecção Por exemplo a estação de tratamento de água Leiduin em Amsterdan substitui a pósdesinfecção por filtros len tos de areia cobertos A água bruta contudo recebe um tratamento extensivo constituído por coagulaçãofloculaçãosedimentação fil tração rápida em areia filtração em dunas reservação subterrânea entre 60 dias e 1 ano aeração abrandamento ozonização adsorção em carvão ativado e filtração lenta MOEL et al 2006 A estação de tratamento de água Lengg de Zurique emprega préozonização ajuste de pH filtração rápida ozonização carvão ativado granular bioló gico e filtração lenta em areia e não há pósdesinfecção PRONK KAISER 2008 O prétratamento ao filtro de CAB é recomendado com o objetivo de remover partículas em suspensão e matéria orgânica O seu grau dependerá do manancial de água e das características da água bruta ELDER BUDD 2011 Quando ozônio é utilizado como oxidante ou desinfetante no tratamento da água há a formação de compostos biodegradáveis de baixo peso molecular incluindo aldeídos e áci dos orgânicos Estes tenderão a se degradar na rede de distribuição ocasionando o crescimento bacteriano e a formação de biofilmes em tal local Por esta razão a ozonização é frequentemente seguida por filtração biológica para produzir água mais estável RECKHOW SINGER 2011 Embora a remoção de microrganismos não seja o objetivo princi pal o estudo de Hijnen et al 2010 demonstrou que o CAB reduziu a concentração dos protozoários Cryptosporidium parvum e Giardia lamblia em 13 a 27 unidades logarítmicas Contudo fagos MS2 não foram removidos e Escherichia coli apresentou redução de 01 a 11 uni dades logarítmicas CONSIDERAÇÕES FINAIS O tratamento biológico de água para consumo humano diminui a instabilidade da água caracterizada principalmente pela presença de matéria orgânica em baixas concentrações Os benefícios de uma água mais estável incluem a redução do recrescimento de bactérias da for mação de biofilmes e de corrosão na rede de distribuição Além disso decresce a necessidade dos residuais de desinfetantes minimizando a formação de subprodutos tóxicos derivados de reações entre o desin fetante e a matéria orgânica Os biofiltros podem degradar microcon taminantes problemáticos como os compostos causadores de gosto e 433 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Carvão ativado biológico AKTAŞ Ö ÇEÇEN F 2007 Bioregeneration of activated carbon a review International Biodeterioration Biodegradation v 59 n 4 p 257272 ALLEN MJ EDBERG SC REASONER DJ 2004 Heterotrophic plate count bacteria what is their significance in drinking water International Journal of Food Microbiology v 92 n 3 p 265274 AMANN R FUCHS BM 2008 Singlecell identification in microbial communities by improved fluorescence in situ hybridization techniques Nature Reviews Microbiology v 6 n 5 p 339348 AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION APHA AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION AWWA WATER ENVIRONMENT FEDERATION WEF 2012 Standard methods 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odor MIB e geosmina a cianotoxina microcistina e os hormônios como o estradiol A instabilidade da água pode ser causada pela presença de maté ria orgânica eou de compostos inorgânicos reduzidos como amô nia Este artigo focouse na discussão do uso de CAB como técnica para reduzir a instabilidade da água causada pela presença de maté ria orgânica em baixas concentrações No CAB a matéria orgânica e os nutrientes adsorvidos ao carvão permitem o desenvolvimento de atividade biológica que emprega a matéria orgânica biodegradá vel responsável pela instabilidade da água como doador de elétrons em reações de oxidaçãoredução Uma vez estabelecido o biofilme a matéria orgânica na água é consumida pelos microrganismos à medida que se difunde pelo biofilme Em paralelo ocorre o processo de bior regeneração do carvão ativado por meio do uso da matéria orgânica adsorvida Desta maneira a atividade biológica em CAG estende o uso do carvão por um período maior do que aquele no qual apenas a adsorção é considerada As técnicas de Biologia Molecular permitem conhecer a constitui ção das comunidades microbianas que formam os biofilmes associados ao carvão É possível avaliar a resposta dos microrganismos às car gas de poluentes presentes na água à dinâmica de desenvolvimento e controle do biofilme e à biodegradação de contaminantes por sua parte O biofilme ideal deve apresentar uma espessura que seja sufi ciente para realizar a biodegradação e que não cause colmatação e excessiva perda de carga no filtro Um melhor conhecimento sobre as atividades e a composição de microrganismos que crescem em biofilmes associados aos grânulos de carvão ativado permitirá um melhor aproveitamento da técnica CAB ao tratamento de água para consumo humano AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Financiadora de Estudos e Projetos FINEP pelo suporte financeiro deste trabalho por meio da Chamada Pública MCTMCidadesFINEPAção Transversal Saneamento Ambiental e Habitação 72009 projeto Estudo para melhoria do desempe nho da adsorção em carvão ativado para remoção de contaminan tes químicos 434 Eng Sanit Ambient v21 n3 julset 2016 425436 Westphalen APC Corção G Benetti AD DUSSERT B VAN STONE G 1994 The biological active carbon process for water purification Water Engineering Management v 141 n 12 p 2224 EDZWALD JK TOBIASON JE 2011 Chemical principles source water composition and watershed protection In EDZWALD JK Ed Water quality and treatment a handbook on drinking water 6th ed New York McGrawHillAmerican Water Works Association chapter 3 ELDER D BUDD GC 2011 Overview of water treatment processes In EDZWALD JK Ed Water quality and treatment a handbook on drinking water 6th ed New York McGrawHillAmerican Water Works Association chapter 5 ESCOBAR IC RANDALL AA 2001 Assimilable organic carbon AOC and biodegradable dissolved organic carbon BDOC complementary measurements Water Research v35 n 18 p 44444454 FLEMMING HC WINGENDER J 2010 The biofilm matrix Nature Reviews Microbiology v 8 p 623633 HAMMES F 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