Efeito de metais pesados em reatores sulfetogênicos: uma análise comparativa entre doadores de elétrons prontamente disponíveis e de lenta liberação

Abstract

O tratamento e recuperação de metais de drenagens ácidas de minas (DAM) usando bactérias redutoras de sulfato (BRS) é promissor, mas a formação de partículas finas dificulta sua aplicação em larga escala. Afinal, quanto menores as partículas, mais difícil se torna separar os cristais por métodos físicos como filtração. Materiais lignocelulósicos (ML) como doadores de elétrons de lenta liberação (DELL) buscam contornar esse problema, promovendo a formação de precipitados de sulfetos metálicos maiores e diminuindo o custo do processo. Este trabalho investigou o uso de ML em duas etapas complementares. Primeiramente, buscou-se analisar e comparar o efeito de metais (Fe, Cu, Co, Ni, Zn) em diferentes substratos utilizando planejamento experimental. Um design Plackett-Burman selecionou os metais influentes na produção de sulfeto com bagaço de cana de açúcar (BCA) como substrato. Em sequência, um planejamento fatorial fracionário (PFF) foi empregado com os metais selecionados (zinco e ferro) em reatores alimentados com BCA ou um mix de doadores de elétrons (lactato, glicerol, sacarose). O cobre também foi testado mesmo não sendo significativo na primeira etapa por se tratar de um metal comumente associado as DAM. Para o BCA, ferro e zinco apresentaram efeitos significativos (p-valor = 0,000001 e 0,01, respectivamente), enquanto o cobre apresentou um efeito não significativo. Para o mix, os três metais testados foram significativos. Zinco, cobre e ferro (p-valor respectivamente 0,00003, 0,0007 e 0,003). Esta etapa revelou como o tipo de substrato modula a influência e o efeito dos metais nos biorreatores, O BCA apresentou maior produção de sulfeto em todas as condições. Na segunda etapa, foram operados dois reatores contínuos de leito estruturado e fluxo descendente. Grão gasto de cevada (GGC) foi o DELL e material suporte. Para o reator (RGGC), GCC foi a única fonte de carbono, enquanto no outro (Rco-sub), lactato foi adicionado como co-substrato para avaliar a bioestimulação das bactérias redutoras de sulfato. Na fase inicial, o Rco-sub exibiu maior produção de sulfeto (150.0 mg L⁻¹) e potencial redox mais favorável (-250 mV) comparado ao RGGC (90.0 mg L⁻¹ e -100 mV), mantendo superioridade mesmo sob exposição a 50 mg L⁻¹ de cobre e zinco. A análise microbiana 16S rRNA indicou enriquecimento de BRS em ambos os reatores, com dominância de bactérias fermentativas. Os resultados demonstram que o substrato usado pode influenciar a toxicidade dos metais nos reatores e que o uso de um co-substrato associado a um DELL pode facilitar o processo sulfetogênico nas fases iniciais. A pesquisa também mostrou que nas condições estudadas o bagaço de cana de açúcar foi mais eficiente na redução de sulfato do que o mix usado.

The treatment and recovery of metals from acid mine drainage (AMD) using sulfate-reducing bacteria (SRB) is promising; however, the formation of fine particles hinders its large-scale application. Indeed, the smaller the particles, the more difficult it becomes to separate crystals through physical methods such as filtration. Lignocellulosic materials (LM) as slow-release electron donors (SRED) aim to overcome this issue by promoting the formation of larger metal sulfide precipitates and reducing process costs. This study investigated the use of LM in two complementary stages. First, the effect of metals (Fe, Cu, Co, Ni, Zn) on different substrates was analyzed and compared using experimental design. A Plackett–Burman design was applied to identify the metals influencing sulfide production with sugarcane bagasse (SB) as substrate. Subsequently, another fractional factorial design (FFD) was performed with the selected metals (zinc and iron) in reactors fed with SB or a mix of electron donors (lactate, glycerol, sucrose). Copper was also tested, despite being non-significant in the first stage, due to its common occurrence in AMD. For SB, iron and zinc showed significant effects (p-value = 0.000001 and 0.01, respectively), whereas copper had a non-significant effect. For the mix, all three tested metals were significant: zinc, copper, and iron (p-value = 0.00003, 0.0007, and 0.003, respectively). This stage revealed how the type of substrate modulates the influence and effect of metals in the bioreactors. Reactors with SB exhibited higher sulfide production under all conditions. In the second stage, two continuous downflow structured-bed reactors were operated. Brewer’s spent grain (BSG) was used as both SRED and support material. For one reactor (RBSG), BSG was the sole carbon source, while in the other (Rco-sub), lactate was added as a co-substrate to assess biostimulation of sulfate-reducing bacteria. In the initial phase, Rco-sub exhibited higher sulfide production (150.0 mg L⁻¹) and a more favorable redox potential (-250 mV) compared to RBSG (90.0 mg L⁻¹ and -100 mV), maintaining superiority even under exposure to 50 mg L⁻¹ of copper and zinc. The 16S rRNA microbial analysis indicated SRB enrichment in both reactors, with dominance of fermentative bacteria. The results demonstrate that the substrate employed can influence metal toxicity in the reactors and that the use of a co-substrate in association with an SRED can facilitate the sulfidogenic process in the early stages. The study also showed that, under the conditions evaluated, sugarcane bagasse was more efficient in sulfate reduction than the tested donor mix.