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Dec 07, 2023

Estimativa de um biofilme

npj Biofilmes e Microbiomas

npj Biofilms and Microbiomes volume 1, Número do artigo: 15014 (2015) Cite este artigo

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Os biofilmes e especificamente os biofilmes de hidrólise de ureia são de interesse para a comunidade médica (por exemplo, infecções do trato urinário), cientistas e engenheiros (por exemplo, precipitação de carbonato induzida microbianamente). Para modelar adequadamente esses sistemas, são necessárias taxas de reação específicas do biofilme. Um método simples para determinar as taxas de reação específicas do biofilme é descrito e aplicado a um biofilme de hidrólise de ureia.

Os biofilmes foram cultivados em pequenos tubos de silicone e as concentrações de ureia afluente e efluente foram determinadas. Imediatamente após a amostragem, os tubos foram seccionados para estimar o perfil de espessura do biofilme ao longo do comprimento do tubo. Dados de concentração de uréia e espessura de biofilme foram usados ​​para construir um modelo inverso para a estimativa da taxa de hidrólise de uréia.

Verificou-se que a hidrólise de uréia em biofilmes de Escherichia coli MJK2 é bem aproximada pela cinética de primeira ordem entre concentrações de uréia de 0,003 e 0,221 mol/l (0,186 e 13,3 g/l). O coeficiente de velocidade de primeira ordem (k1) foi estimado em 23,2±6,2 h−1. Também foi determinado que a advecção dominou o sistema experimental em vez da difusão, e que a hidrólise da uréia dentro dos biofilmes não foi limitada pelo transporte difusivo. Além do biofilme específico de hidrólise de ureia discutido neste trabalho, o método tem potencial para ampla aplicação em casos onde taxas específicas de biofilme devem ser determinadas.

A hidrólise da ureia por microorganismos tem sido amplamente mostrada como um método eficaz para a produção in situ de alcalinidade e a subsequente precipitação de minerais de carbonato. Em pH circunneutro, a hidrólise da ureia (CO(NH2)2) pode ser escrita como

onde dois íons amônio e um íon bicarbonato são formados para cada molécula de uréia que é hidrolisada. Além disso, um próton é consumido, o que aumenta o pH. Quando o cálcio ou outros cátions bivalentes estão presentes, a precipitação mineral de carbonato pode ser possível devido a um aumento na concentração de carbonato (CO32−).

A formação de minerais de carbonato por meio de ureólise microbiana é significativa na medicina devido ao papel que os microrganismos ureolíticos podem ter na formação de cálculos renais e do trato urinário, bem como incrustações de cateter.1,2 A formação de minerais por meio de ureólise também foi estudada extensivamente para aplicações de engenharia em materiais de construção3 e no subsolo para redução da permeabilidade, estabilização do solo e remediação de contaminantes.4 A hidrólise da uréia microbiana também é de interesse em configurações de tratamento de águas residuais industriais e agrícolas, onde uma porção significativa do nitrogênio total é atribuída à uréia.5 Em todos os sistemas mencionados acima, particularmente onde a razão área de superfície para volume é alta, é provável que uma porção significativa da atividade ureolítica seja atribuída a biofilmes.

Um obstáculo significativo na previsão do comportamento do sistema em sistemas contendo biofilme é a falta de caracterização quantitativa e específica do sistema de transporte reativo. Este estudo analisa especificamente a ureólise em um sistema de biofilme modelo para lançar luz sobre o ambiente de transporte reativo que provavelmente está presente em sistemas que têm ou foram estimulados a ter atividade ureolítica. A ureólise em culturas planctônicas foi investigada minuciosamente e houve uma série de estudos para quantificar as taxas médias de ureólise por volume em meios porosos contendo microorganismos6–9 e enzima imobilizada.10,11 Os estudos mais aplicáveis ​​concentram-se na taxa de precipitação nesses sistemas deixando as características de transporte reativo em microescala da ureólise em biofilmes em grande parte sem discussão.

Em vez de adotar uma abordagem de volume médio, os biofilmes ureolíticos foram cultivados em tubos de silício que imitam o ambiente de fluxo laminar que seria encontrado em um poro do solo ou no trato urinário. Nenhum cálcio ou outros cátions que poderiam causar precipitação mineral foram fornecidos ao sistema para que a hidrólise da uréia pudesse ser estudada em detalhes sem as complicações introduzidas quando ocorre a precipitação. A precipitação tem o potencial de impactar a cinética da hidrólise da uréia, mas não foi investigada neste estudo. Os tubos de silício foram amostrados de forma destrutiva e seccionados de forma fina para obter um perfil de espessura de biofilme preciso ao longo do comprimento do tubo. Os perfis de espessura do biofilme foram combinados com medições de ureia afluente e efluente para obter uma taxa de ureólise por volume de biofilme (aqui referido como uma taxa específica de biofilme). Este artigo fornece um método para a medição de taxas de reação efetivas em biofilmes e uma maior compreensão do ambiente de transporte reativo da hidrólise de ureia catalisada por biofilme por meio da aplicação de técnicas de adimensionalização.