1) IMAGENS ANNAMOX

https://www.google.com.br/search?q=anammox&newwindow=1&client=firefox-a&hs=4Y6&rls=org.mozilla:pt-BR:official&channel=np&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=fbXXUsuqFY6gkQenyYDwCA&ved=0CDAQsAQ&biw=1280&bih=656

Anammox

Anammox,: oxidación anaerobia del ion amonio, es un proceso biológico que forma parte del ciclo del nitrógeno. En este proceso biológico, nitrito y amonio se convierten directamente en gas nitrógeno. Un alto porcentaje de la conversión de nitrógeno en los océanos se realiza mediante este proceso. La reacción catabólica total es:1

NH4+ + NO2

- → N2 + 2H2O.

Las bacterias que realizan el proceso anammox pertenecen al orden Planctomycetes y corresponden a los géneros Brocadia, Kuenenia, Jettenia, Anammoxoglobus (todos de agua dulce), y Scalindua (marinos). De interés especial es la producción de hidracina (utilizada normalmente como combustible de cohetes y venenosa para la mayoría de los organismos vivos) como compuesto intermedio. Otra característica llamativa del organismo es su tasa de crecimiento extremadamente lenta, con un tiempo de división de casi dos semanas.

Una posible aplicación del anammox es la eliminación de nitrógeno en el tratamiento de aguas residuales. En contraste con el proceso convencional de nitrificación-desnitrificación, solamente la mitad del nitrógeno tiene que ser oxidado a nitrito. Para el enriquecimiento de los

organismos anammox, parece adecuado un sistema de biopelículas, especialmente porque puede asegurar el tiempo de crecimiento en los lodos de más de 20 días que requieren los Planctomycetes. Otras posibilidades son los reactores secuenciales de lotes (SBR) y los reactores cíclicos de gas usando lodo granular. La reducción de costes comparada con las técnicas convencionales es considerable; sin embargo, la técnica es todavía joven. La primera planta de tratamiento a gran escala que usó el anammox fue construida en 2000 en Hattingen (Alemania). A fecha 2006 hay tres plantas en funcionamiento en los Países Bajos.

3 Processo Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)http://anammox.com.br/

A oxidação da amônia sob condições anaeróbias (Anammox) representa um processo microbiológico “novo” para a remoção de nitrogênio e foi descoberto na década de 90 em Delft (Holanda) por Arnold Mulder, em um reator biológico tratando efluente de uma indústria de fermento (Gist Brocades) (MULDER et al., 1995). O processo envolve a oxidação do íon amônio diretamente a nitrogênio gasoso usando o nitrito como aceptor final de elétrons sob condições anaeróbias estritas (STROUS et al., 1997), conforme a equação:

NH4+ + NO2

- → N2 + 2 H2O ( DG= - 275 KJ/mol . NH4+ ).

Estudos com 15N mostraram que um dos átomos de nitrogênio dos dois átomos que formam o N2 produzido, se origina do nitrito enquanto que o outro é proveniente do íon amônio. Hidroxilamina (NH2OH) e hidrazina (N2H4) foram identificados como intermediários do processo anammox (Van de GRAAF 1997).

A possibilidade da existência de um microrganismo capaz de catalizar a reação anammox já havia sido prevista por Broda (1977) baseada em cálculos termodinâmicos, porém até 1995 nenhuma bactéria capaz de realizar tal reação havia sido descoberta. A primeira bactéria anammox identificada foi chamada de Brocadia anammoxidans. Como ela não foi isolada por técnicas clássicas de microbiologia, mas foi purificada fisicamente (centrifugação em gradiente com percol), posteriormente, quando foi identificada, a ela foi dado o status de Candidatus, sendo então chamada de Candidatus Brocadia anammoxidans (Figura 1). O modo de crescimento autotrófico dessas bactérias (em combinação com a necessidade de alta manutenção da célula) resulta em uma estequiometria que apresenta um baixo rendimento de biomassa (STROUS et al., 1998), conforme a equação:

NH4+ + 1,32 NO2

- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ → 1,02 N2 + 0,26

NO3- + 0,066 CH2O 0,5N0,15 + 2,03 H2O.

Figura 1- Microscopia eletrônica de transmissão de Candidatus Brocadia anammoxidans. N, representa o DNA da célula, R, a região com os ribossomos, e Z, a região rica em proteínas que é o anammoxossomo (Fonte: Strous et al. 1999).

A fixação do carbono celular envolve a rota da acetil-CoA (STROUS et al., 2006). Baseado na formação de biomassa e de nitrato em um reator batelada seqüencial (RBS) realizando o processo anammox, bem como em cálculos estequiométricos verificou-se que os equivalentes redutores para a redução do CO2 eram originados da oxidação do nitrito a nitrato (STROUS et al., 1998). As bactérias anammox são caracterizadas por uma alta afinidade com seus substratos. Amônio e nitrito são utilizados mesmo em baixas concentrações (Ks < 5 ?M). Entretanto, a atividade metabólica dessas bactérias é baixa (15 a 80?mol de N2 formado por g de peso seco de células por minuto), o que pode explicar até certo ponto a baixa taxa de crescimento dessas células.

Os organismos Anammox estão classificados no grupo dos Planctomicetos, cinco dos quais foram denominados provisoriamente de Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua wagneri, Candidatus Anammoxoglobus propionicus (KARTAL et al., 2007) e Candidatus Jettenia asiatica (QUAN et al., 2008), que se constituem em um grupo interessante de bactérias com muitas propriedades raras ou únicas. Elas apresentam morfologia de cocos com diâmetro menor que 1 ?m (VAN NIFTRIK et al., 2004), tempo de duplicação de aproximadamente 11 dias e são fisiologicamente distintas dos outros membros do grupo, pois são anaeróbias e quimiolitoautótrofas.

Estudos recentes revelaram que as bactérias anammox podem não ser quimiolitoautotróficas estritas, mas poderiam apresentar um estilo de vida mais versátil. Além do íon amônio, esses microrganismos são capazes de utilizar o ferro ferroso ( Fe+2 ) e uma variedade de compostos orgânicos, incluindo ácidos carboxílicos (formiato, acetato, propionato, metilaminas), como doadores de elétrons (STROUS et al 2006; KARTAL et al 2007; 2008). O enriquecimento de Candidatus

Anammoxoglobus propionicus e Candidatus Brocadia fulgida, levantaram questões interessantes a respeito de diferenciação de nicho e mecanismos de adaptação espécie-específicos. Ambas as espécies foram enriquecidas a partir da mesma amostra de lodo através da operação, em paralelo, de dois reatores em batelada sequencial com condições idênticas exceto pela adição de um composto extra de carbono. Candidatus B. fulgida foi a espécie que predominou quando o reator foi alimentado com acetato, enquanto que Candidatus A. propionicus foi dominante no reator alimentado com propionato. Embora ambas as espécies sejam capazes de oxidar acetato e propionato, a taxa específica de oxidação de acetato é maior para B. fulgida enquanto que para A. propionicus a taxa de oxidação do propionato é mais favorecida. Essas pequenas diferenças aparentemente conferem aos organismos vantagens competitivas (Jetten et al., 2009). Notadamente, todos os outros microrganismos redutores de nitrito ou nitrato presentes no inóculo foram eliminados indicando que a presença de amônia favoreceu e selecionou as células anammox em detrimento das outras presentes no lodo de inóculo.

Além do nitrito, as bactérias anammox também podem empregar Fe+3, óxidos de manganês e nitrato como aceptores de elétrons em seu metabolismo (STROUS et al., 2006). O uso do nitrato é especialmente interessante. Assim como na desnitrificação clássica esse composto é convertido em nitrogênio gasoso, mas através de uma rota diferente. O nitrato é reduzido à nitrito e este posteriormente combina-se com o íon amônio para formar o N2 através do mecanismo anammox e dessa forma, as bactérias anammox são capazes de se disfarçar de desnitrificantes e, portanto, serem confundidas como tais (KARTAL et al., 2007).

O processo Anammox representa uma contribuição ao ciclo do Nitrogênio na natureza, conforme esquematizado na

Figura 2. Desde sua descoberta em 1995, o processo anammox evoluiu de parte não explorada do ciclo biológico do nitrogênio para uma parte importante e crucial do ciclo global do nitrogênio. Não obstante, as pesquisas nos últimos 10 anos têm demonstrado que o conhecimento do ciclo microbiológico do nitrogênio e os principais envolvidos ainda não está completo (JETTEN, 2008). Descobertas espetaculares tais como a oxidação anaeróbia da amônia (anammox) (JETTEN et al., 1998; STROUS et al., 1999), oxidação da amônia por Crenarchaea (AOA) (Koennecke et al., 2005; Francis et al., 2007), a interação entre esses dois grupos (LAM et al., 2007), redução de nitrato à nitrogênio gasoso pelos foraminíferos (Risgaard-Petersen et al., 2006), oxidação de nitrito por fotótrofos (GRIFFIN et al., 2007), oxidação anaeróbia de metano dependente de nitrito (N-DAMO – Nitrite Dependent Anaerobic Methane Oxidation) (Rasghoebarsing et al, 2006; Ettwig et al., 2008), arqueias produtoras de metano hipertermófilas e fixadoras de N (Mehta e Baross, 2006), e seqüenciamento do genoma de vários organismos envolvidos no ciclo do N (Chain et al., 2003; Starkenburg et al., 2006; Strous et al., 2006; Arp et al., 2007; Stein et al., 2007), são exemplos de que existe uma enorme biodiversidade e capacidade metabólica de conversão de nitrogênio escondidas no mundo microbiano das quais se conhece muito pouco até o presente (JETTEN, 2008). Além disso, as novas tecnologias de sequenciamento e o refinamento dos métodos moleculares de fato mostraram quantos segredos a vasta maioria da diversidade funcional microbiana do ambiente ainda se escondem (YOOSEPH et al., 2007).

Figura 2- Ciclo biológico do nitrogênio com o processo Anammox.

Recentemente, vários trabalhos têm reportado a detecção e identificação de bactérias anammox em diferentes ambientes (nas diversas partes do mundo), tais como, em lodos oriundos de sistemas de tratamento de águas residuárias (SCHMID et al., 2003; DAPENA-MORA et al., 2004; ARAUJO &CHERNICHARO, 2007; ARAUJO et al., 2010), em sedimentos marinhos (DALSGAARD; THAMDRUP, 2002; TAL; WATTS; SCHREIER, 2005), em ambientes de água doce (JETTEN et al., 2003; SCHUBERT et al., 2006), e de águas salobras (SANCHEZ-MELSIÓ et al., 2009). Não obstante, a maioria das bactérias ANAMMOX ainda não foi isolada, portanto, técnicas moleculares como a hibridação in situ fluorescente (FISH) e a reação em cadeia da polimerase (PCR) são essenciais para o futuro das pesquisas com estas bactérias (SCHMID et al., 2005).

O processo anammox se constituí em uma nova e promissora alternativa para a remoção de nitrogênio amoniacal de águas residuárias. Comparado ao processo

convencional de nitrificação e desnitrificação (utilizado para a remoção biológica de N-amoniacal de efluentes domésticos e industriais), o método anammox economizaria 100% da fonte de carbono sintética requerida (ou seja, metanol) e 50% do oxigênio requerido. Isso leva a uma redução de 90% nos custos operacionais e uma diminuição nas emissões de CO2 em mais de 100% (van DONGEN et al., 2001).

O processo Anammox em combinação com o processo SHARON (Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite) vem se constituindo em uma nova alternativa para remover compostos nitrogenados de efluentes contendo alta concentração de amônia e pequenas quantidades de matéria orgânica biodegradável. A aplicação desses dois processos combinados reduziria em 60% a demanda por oxigênio (comparado com o processo convencional de nitrificação e desnitrificação) e eliminaria a necessidade de adição de metanol (VAN DONGEN et al., 2001).

Não obstante, a aplicação do processo anammox está limitada pela disponibilidade de biomassa anammox e pela dificuldade associada em cultivar e manter grandes quantidades de bactérias anammox. O isolamento e enriquecimento das anammox a partir de uma comunidade bacteriana mista requer a otimização das condições que favorecem o processo anammox, enquanto limita o crescimento dos outros tipos microbianos. Diferentes reatores vêm sendo utilizados com sucesso para desenvolver a atividade anammox, tais como reator de leito fluidizado (MULDER et al., 1995; VAN DE GRAAF et al., 1996) e reator em batelada seqüencial (RBS) (STROUS et al., 1998; VAN DONGEN et al., 2001), entre outros. Dentre eles, o RBS vem sendo recomendado para o enriquecimento das anammox pela simplicidade operacional, eficiente retenção de biomassa, homogeneidade na mistura, estabilidade por um longo

período de operação, e estabilidade sob condições limitantes de substrato (STROUS et al., 1998; VAN DONGEN et al., 2001).

O primeiro reator anammox em escala industrial (75m3) do mundo localiza-se em Rotterdam (Holanda, Abma et al., 2007; van der Star et al., 2007). O reator foi projetado diretamente partindo da escala de laboratório para escala plena e trata cerca de 750 Kg de N/dia. O reator apresenta desempenho estável frente à esta alta taxa de carregamento e este parece ser o resultado da formação de grânulos anammox com alta densidade e alta velocidade de sedimentação. Utilizando a biomassa deste reator como inóculo, dois outros reatores em escala plena foram implantados (Jetten et al., 2009).

No Brasil, as pesquisas com as bactérias Anammox vêm sendo realizadas há mais de 8 anos em diferentes universidades como UFSC, EESC/USP, UFMG e pela EMBRAPA (Concórdia/SC). Pesquisas realizadas no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental (DESA) da UFMG revelaram que foi possível desenvolver biomassa anammox, a partir de amostra proveniente de um sistema de lodos ativados, a partir de 120 dias de cultivo em meio de cultura autotrófico (sem fonte de carbono) e condições anaeróbias (ARAUJO et al., 2011). Este trabalho ainda revelou que dois filotipos distintos de anammox pertencentes ao gênero Brocadia foram enriquecidos simultaneamente nesse experimento, a partir do mesmo inóculo. O grupo predominante apresentou similaridade com Candidatus Brocadia sinica (uma espécie de anammox recentemente descoberta na China em reatores usados na remoção de nitrogênio amoniacal, HU et al., 2010), e o segundo grupo (minoritário) foi constituído por sequencias de anammox diferentes daquelas já descritas até o momento, e portanto, podem representar uma nova espécie de anammox, que foi chamada provisoriamente de Candidatus Brocadia brasiliensis (ARAUJO et al., 2011).

3 ANAMMOX®

O processo ANAMMOX® (oxidação anaeróbia de amônia) é um processo biológico inovador que representa um grande avanço na remoção de nitrogênio. Esta é uma forma de remoção de amônia de águas e gases residuários de baixo custo operacional, robusta e sustentável. Comparada com a nitrificação/desnitrificação convencional, os custos operacionais e os níveis de emissão de CO2 são reduzidos em até 90%. Isso torna a pegada de carbono da fábrica mínima.

A conversão ANAMMOX® é um atalho elegante no ciclo natural do nitrogênio. Em combinação com a nitrificação ANAMMOX®, bactérias transformam ammonia (NH4+) em gás de dinitrogênio. Trabalhando em conjunto com a Universidade de Tecnologia Delft, a Paques desenvolveu o processo patenteado ANAMMOX® para uso comercial.

Presença global

A primeira estação ANAMMOX® de grande escala foi instalada na Holanda em 2002. Dez anos depois já existem 11 instalações ANAMMOX® funcionando. A experiência da Paques em 20 anos de projeção, montagem e operação de estações biológicas de tratamento de águas residuárias resultou em um reator ANAMMOX® que retém a biomassa excelentemente e forma grânulos em uma boa mistura. Transformação efetiva e funcionalidade estável estão assim garantidos.

Vantagens do ANAMMOX® comparado com nitrificação/denitrificação convencional

Alta remoção de nitrogênio Sem dosagem de metanol para a denitrificação Redução no consumo de energia de até 60% Produção mínima de lodo excessivo Redução de emissão de CO2 em até 90% Necessidade de até 50% menos espaço

Aplicações

O processo ANAMMOX® pode ser usado para a remoção de amônia de todos os tipos de efluentes com uma concentração de amônia relativamente alta (NH4+-N > 100 mg/l).

Alguns exemplos de processos e indústrias em que é possível encontrar esses efluentes:

Tratamento municipas de águas residuárias (água de rejeitos de digestor de lodo)

Tratamento de resíduos sólidos orgânicos (aterros, decompostagem, digestão)

Indústria alimentícia Indústria de processamento de estrume Indústria de fertilizantes Indústria (petro)química Indústria de metais e mineração

Princípio de funcionamento

No reator ANAMMOX® a amônia é transformada em gás nitrogênio. A reação é realizada por dois tipos diferentes de bactéria, que coexistem no reator. A bactéria de nitrificação oxida cerca de metade da amônia em nitreto. A bactéria Anammox transforma a amônia e o nitreto em gás nitrogênio.

O reator ANAMMOX® é aerado e equipado com um sistema de retenção de biomassa. O reator contém biomassa granular. O reator recebe efluentes continuamente. A aeração é responsável pela rápida mistura do afluente com o conteúdo do reator, contato intenso com a biomassa e fornecimento de oxigênio para levar a transformação.

O efluente tratado deixa o reator através do sistema de retenção de biomassa no topo do reator. A biomassa granular é separada do efluente limpo, assegurando grande quantidade de biomassa no reator. Juntamente com as propriedades de transformação típicas para a biomassa granular, a grande quantidade de biomassa é responsável pela alta taxa de transformação e assim um volume baixo no reator.

Usos industriais do processo ANAMMOX®

Meihua

Mais de 90% de remoção de amônia em fábrica de processamento...

Angel Yeast

Remoção de amônia de baixo consumo de energia e pequena ocup...

Hulshof Royal Dutch Tanneries

Tratamento de efluentes complexos de curtumes com a tecnolog...

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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SITES ANAMMOX – ARTIGOS

http://naldc.nal.usda.gov/catalog/45572