Composição da comunidade microbiana de resíduos alimentares antes da digestão anaeróbica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12703 (2023) Citar este artigo

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A digestão anaeróbica é amplamente utilizada para processar e recuperar valor dos resíduos alimentares. As instalações comerciais de digestão anaeróbica de resíduos alimentares buscam melhorias na eficiência do processo para permitir maior rendimento. Há informações limitadas sobre a composição das comunidades microbianas nos resíduos alimentares antes da digestão, limitando a exploração racional do potencial catalítico dos microrganismos nos processos de pré-tratamento. Para resolver esta lacuna de conhecimento, as comunidades bacterianas e fúngicas em amostras de resíduos alimentares de uma instalação comercial de digestão anaeróbica foram caracterizadas ao longo de 3 meses. A abundância de genes bacterianos 16S rRNA foi aproximadamente cinco ordens de grandeza maior que a abundância da sequência do espaçador intergênico fúngico (ITS), sugerindo a dominância numérica das bactérias sobre os fungos nos resíduos alimentares antes da digestão anaeróbica. São apresentadas evidências da proliferação em massa de bactérias em resíduos alimentares durante o armazenamento antes da digestão anaeróbica. A composição da comunidade bacteriana mostra variação ao longo do tempo, mas as linhagens dentro da família Lactobacillaceae são consistentemente dominantes. O conteúdo de nitrogênio e o pH estão correlacionados à variação da comunidade. Estas descobertas constituem uma base para a compreensão da ecologia microbiana dos resíduos alimentares e proporcionam oportunidades para melhorar ainda mais o rendimento da digestão anaeróbica.

Em 2017, foram gerados globalmente 2 mil milhões de toneladas de resíduos sólidos urbanos. Em que 84% foram recolhidos e apenas 15% foram reciclados1. Aproximadamente 60% deste fluxo de resíduos é orgânico2 e pode ser digerido anaerobicamente para recuperação de energia. No Relatório de Geração de Resíduos do Governo Australiano de 2018, 87% dos resíduos alimentares foram depositados em aterros, criando problemas de gases de aterro e lixiviados. Apenas 1% dos resíduos alimentares foram para instalações de valorização energética3. A má gestão da fração orgânica dos resíduos urbanos pode causar a geração de gases de efeito estufa, lixiviados de aterros sanitários e outros produtos nocivos provenientes da decomposição descontrolada de resíduos orgânicos4, 5. Os gases e lixiviados de aterros sanitários são prejudiciais ao meio ambiente e levantam preocupações de segurança6, 7. Engineered a digestão anaeróbica (AD) de resíduos orgânicos pode aliviar a pressão dos aterros sanitários ao coletar biogás e nutrientes dos resíduos orgânicos. Este estudo concentra-se na fração de resíduos alimentares do fluxo de resíduos orgânicos.

A digestão anaeróbica depende de microrganismos que decompõem substâncias orgânicas na ausência de oxigênio8. O processo de digestão envolve quatro etapas (hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese), cada uma realizada por diferentes grupos de microrganismos. Matrizes alimentares complexas são hidrolisadas extracelularmente em compostos mais simples, depois acidificadas e acetificadas, que por fim são fermentadas em acetato, dióxido de carbono e di-hidrogénio pelas bactérias9. Esses produtos servem então como substratos para a produção de metano por arqueas metanogênicas10. Os sistemas comerciais de digestão anaeróbica foram otimizados ao longo de décadas, com foco em maiores rendimentos de biogás, maiores proporções de metano:dióxido de carbono e menores rendimentos de sólidos residuais11. Raramente se prestou atenção ao aumento do rendimento do digestor, apesar do compromisso económico que uma maior capacidade de carga pode oferecer12. Isto é surpreendente, dado que a maior parte das receitas das instalações de AD provém de pagamentos pela eliminação de resíduos alimentares. Portanto, aumentar a taxa de carregamento do digestor melhora a viabilidade financeira de tais instalações e desvia mais resíduos orgânicos dos aterros.

Os alimentos têm uma comunidade microbiana associada e são altamente suscetíveis à decomposição abiótica e à biodegradação. A morte começa assim que o alimento é colhido, processado ou produzido. As instalações de digestão anaeróbica recebem resíduos alimentares numa fase inicial de decomposição de uma comunidade microbiana indígena cada vez mais activa13. Apesar do potencial da comunidade microbiana nativa dos resíduos alimentares para desempenhar um papel na digestão anaeróbica a jusante, existem dados limitados disponíveis sobre a comunidade microbiana da matéria-prima dos resíduos alimentares (resíduos alimentares antes da digestão anaeróbica) para instalações de AD. Por exemplo, a diversidade e uniformidade das comunidades bacterianas e fúngicas nos resíduos alimentares e como a composição da comunidade microbiana é impactada por parâmetros ambientais como pH, teor de água e conteúdo de elementos são desconhecidos. Dado que a composição dos resíduos alimentares pode variar, é razoável esperar que a composição da comunidade microbiana também varie, embora isto nunca tenha sido investigado.