Ecologia Numérica Aula 4: Modelagem da dinâmica bacteriana

Apresentação em tema: "Ecologia Numérica Aula 4: Modelagem da dinâmica bacteriana"— Transcrição da apresentação:

1 Ecologia Numérica Aula 4: Modelagem da dinâmica bacteriana
Carlos Ruberto Fragoso Júnior 11:11

2 Sumário Importância do conhecimento da dinâmica de microorganismos
O crescimento bacteriano Limitação do crescimento devido ao substrato Modelagem da cinética microbial em um reator fechado Modelagem da cinética microbial em um reator aberto 11:11

3 Importância do conhecimento da dinâmica bacteriana
Microorganismos bacterianos degradam matéria orgânica; Processos bacterianos governam os processos em reatores para tratamento de águas residuais; Grande relevância também para ecossistemas naturais; Cinética microbrial tem muita influência na qualidade da água 11:11

4 Importância do conhecimento da dinâmica bacteriana
Relacionado a produção de gases de efeito estufa; Base para o entendimento da dinâmica de agentes patogênicos (bactérias, vírus, protozoários, vermes). 11:11

5 O crescimento bacteriano
O número de bactérias tipicamente se manifestam em quarto fases no tempo: cresc. exp. estacionariedade morte retardo Log(número de células vivas) tempo 11:11

6 O crescimento bacteriano
Fase de retardo: tempo requerido para as bactérias se aclimatizarem no novo ambiente Fase de crescimento exp.: devido a abundância de substrato (alimento), elas crescem a uma taxa máxima limitada apenas a habilidade de processar o substrato; Fase estacionária: níveis de crescimento reduzem em função da baixa quantidade de substrato. A taxa de crescimento de novas células ficam em balanço com a taxa de mortalidade de células velhas. Fase de mortalidade: Se a incubação continuar, mortalidade superará o crescimento 11:11

7 O crescimento bacteriano
Este simples balanço de massa representa um ponto inicial para a modelagem: onde X é a concentração de bactérias (mg/L), kg é a taxa de crescimento bacteriano (h-1) e kd é a taxa de mortalidade (h-1). 11:11

8 O crescimento bacteriano
É importante destacar que as taxas de crescimento e de mortalidade podem não ser necessariamente constantes; Se a taxa de crescimento for constante e a mortalidade for desprezada, o modelo representará apenas a fase de crescimento exponencial; Se a taxa de mortalidade for muito maior do que a taxa de crescimento o modelo apenas representará a fase de mortalidade; Teremos uma aproximação mais fiel se fizermos o crescimento dependente da quantidade de substrato. 11:11

9 Limitação do crescimento devido ao substrato
A relação entre taxa de crescimento e concentração do substrato pode ser descrita através da equação de Michaelis-Menten (equação de Monod): onde kg,max é a taxa de crescimento máximo (abundância de alimento), S é a concentração do substrato (mg/L) e ks é a constante de meia saturação (mg/L) 11:11

10 Coeficiente de meia saturação
1 0,5 ks S 11:11

11 Limitação do crescimento devido ao substrato
Se S << ks Se S >> ks 11:11

12 Limitação do crescimento devido ao substrato
kg(hr-1) Kg,max 2 1 ks S (mg/L) 11:11

13 Determinação da taxa de crescimento
Experimento kg Temperatura ótima Variação da conc. de substrato S 11:11

14 Modelagem da cinética microbial em um reator fechado
Considere a dinâmica de bactéria e de substrato no reator fechado abaixo: Bactéria X Substrato S Y 11:11

15 Modelagem da cinética microbial em um reator fechado
As bactérias crescem pela utilização do substrato; Mas nem todo carbono do substrato é utilizado para se tornar novas células; Uma significante parte é convertida em dióxido de carbono (CO2) e água. A eficiência de conversão de carbono orgânico para carbono da célula pode ser escrita como: 11:11

16 Modelagem da cinética microbial em um reator fechado
Células são degradadas em dois processos: mortalidade e decaimento; Mortalidade representa perda onde o carbono é liberado de volta ao compartimento de substrato; Decaimento representa perda da biomassa de bactérias pela sintetização de novas células ou pela respiração (liberação de carbono orgânico) 11:11

17 Modelagem da cinética microbial em um reator fechado
11:11

18 Exercício usando o GRIND
Um reator fechado tem as seguintes características: X0 = 2mgC/L S0 = 998 mgC/L kg,max = 0,2 hr-1 kd = kr = 0,1 hr-1 ks = 150 mgC/L Y = 0,5 gC células/ gC substrato 11:11

19 Modelagem da cinética microbial em um reator aberto
Considere a dinâmica de bactéria e de substrato no reator aberto abaixo: Sin Bactéria X Substrato S Y 11:11

20 Modelagem da cinética microbial em um reator aberto
11:11

21 Modelagem da cinética microbial em um reator aberto
V/Q é o tempo de residência. Tempo de residência é quantidade média de tempo que uma partícula reside (passa) em um sistema em particular. Esta medida varia diretamente com a quantidade de substância que está presente no sistema. É um termo largamente usado em disciplinas científicas, tecnológicas e médicas. 11:11

22 Exercício usando o GRIND
Um reator aberto tem as seguintes características: X0 = 2mgC/L S0 = 0 mgC/L kg,max = 0,2 hr-1 kd = kr = 0,1 hr-1 ks = 150 mgC/L Y = 0,5 gC células/ gC substrato Sin = 1000 mgC/L Simule como o substrato e as bactérias variam no time considerando 3 tempos de residência: (a) 20 h; (b) 10 h; e (c) 5 h. 11:11