Desenvolvimento de técnicas de análise de imagem para aplicação em processos biotecnológicos

Abstract

Os objectivos principais deste trabalho foram os seguintes: – Reconhecimento e identificação automática de algumas espécies de protozoários presentes em estações de tratamento de águas residuais por técnicas de análise de imagem. A Análise de Componentes Principais foi utilizada com o intuito de obter os melhores eixos possíveis. – Estudo da influência de três tóxicos (cicloheximida, cobre e triton X-100) na mobilidade do protozoário ciliado Tetrahymena pyriformis em meio líquido. Os parâmetros velocidade e número de mudanças de direcção foram determinados através de técnicas de análise de imagem. – Estudo da correlação entre dimensões fractais, diâmetro equivalente, actividade metanogénica acetoclástica e velocidade de sedimentação de agregados microbianos de dois digestores anaeróbios de diferentes configurações. As dimensões fractais, dimensão fractal estrutural mássica, dimensão fractal estrutural área vs. diâmetro de Feret e dimensão fractal área vs. perímetro e o diâmetro equivalente foram determinados através de técnicas de análise de imagem. – Estudo das actividades metanogénicas acetoclástica e hidrogenofílica de um consórcio de microrganismos de um digestor anaeróbio perturbado, bem como a correlação com a fluorescência observada, quando excitado a 420 nm. Os parâmetros índice de fluorescência, número de bactérias fluorescentes por floco e fluorescência do fundo foram estudados através da análise de imagem. As principais conclusões retiradas destes trabalhos são as seguintes: – Os protozoários Trachelophyllum, Tetrahymena, Opercularia, Colpidium, V. microstoma com pedúnculo, V. convallaria com pedúnculo, Zoothamnium com pedúnculo, Glaucoma, V. convallaria e Prorodon foram bem identificados e os diferentes grupos de protozoários ciliados (nadadores, sésseis, móveis de fundo e carnívoros) foram reconhecidos e separados. Os protozoários indicadores de uma baixa eficiência de uma estação de tratamento de águas residuais, como V. microstoma e Opercularia foram razoavelmente bem identificados. – As formas das linhas de tendência foram as esperadas, uma vez que, com o aumento da concentração dos tóxicos, a velocidade da T. pyriformis diminuiu. Os resultados obtidos para o número de mudanças de direcção mostraram-se fortemente dependente do número de T. pyriformis presente a cada concentração de tóxico. A mobilidade deste protozoário pode ser utilizada como um bom indicador biológico de poluição, uma vez que é um bom indicador da presença e concentração de tóxicos. – A dimensão fractal melhor correlacionada com o diâmetro equivalente e com a actividade acetoclástica foi a dimensão fractal estrutural mássica, enquanto que a dimensão fractal estrutural área vs. diâmetro de Feret se mostrou a melhor correlacionada com a velocidade de sedimentação. A determinação destes parâmetros morfológicos pode ser usada como um método simples e rápido de monitorizar, em certa medida, a estabilidade das propriedades morfológicas dos agregados microbianos anaeróbios, que têm um papel importante na tecnologia do tratamento anaeróbio de águas residuais. – As bactérias presentes num digestor anaeróbio revelaram-se bastante sensíveis às perturbações efectuadas (suspensão de alimentação e suspensão de alimentação mais entrada de ar), bem como as actividades metanogénicas específicas acetoclástica e hidrogenofílica que demonstraram uma tendência geral crescente ao longo do tempo. Os parâmetros índice de fluorescência, número de bactérias fluorescentes por floco e fluorescência do fundo não se mostraram correlacionáveis com os anteriores, à excepção da fluorescência do fundo que se correlacionou com a concentração de sólidos voláteis de um forma exponencial.

The main objectives of this work were the following: – Automatic recognition and identification of protozoan species present in wastewater treatment plants by image analysis techniques. Principal Component Analysis was used to obtain the best possible axis. – The influence of three toxics (cicloheximide, copper and triton X-100) in the mobility of the ciliated protozoan Tetrahymena pyriformis in PPY (Proteose Peptone Yeast Extract Medium) liquid medium was studied. The parameters velocity and movement changes were determined by image analysis techniques. – The correlation between fractal dimensions, equivalent diameter, methanogenic activity in acetate and settling velocity of microbial aggregates from two anaerobic digesters with different configurations was studied. The mass structural fractal dimension, area vs. Feret diameter structural fractal dimension and area vs. perimeter fractal dimension, were determined by image analysis techniques. – The methanogenic acetoclastic and hydrogenophilic activities of a bacterium consortia from a disturbed anaerobic digester, and correlating with the fluorescence observed when excited at 420 nm was studied. The parameters fluorescence index, fluorescent bacterial number per floc and background fluorescence were studied by image analysis techniques. The main conclusions to be withdrawn are the following: – The protozoa Trachelophyllum, Tetrahymena, Opercularia, Colpidium, V. microstoma with stalk, V. convallaria with stalk, Zoothamnium with stalk, Glaucoma, V. convallaria and Prorodon were reasonably well identified and, the different ciliated protozoa groups (free-swimming, sessile, crawling and carnivorous) were recognised and separated. Also, the protozoan indicators of a low efficiency of a wastewater treatment plant, like V. microstoma and Opercularia were reasonably well identified. – The shapes of the trend lines were as expected: With the increase of the toxic’s concentrations the velocity of the Tetrahymena pyriformis decreased. The results obtained for the number of direction changes is heavily dependent on the number of T. pyriformis present at each toxic concentration. The protozoan mobility can be used as a good biological pollution indicator, as it is a good indicator of the presence and concentration of a toxic. – The fractal dimension best correlated with the equivalent diameter and with the acetoclastic activity was the mass fractal dimension, whereas the fractal dimension area vs. Feret diameter was the best correlated with the settling velocity. The determination of these morphological parameters may be used, as a fast and simple method, to monitor, at some extent, the stability of the morphological properties of anaerobic microbial aggregates which play a crucial role in the anaerobic wastewater treatment technology. – The methanogenic activity and the biomass concentration were shown to be sensitive to the disturbances (starvage and starvage + air). The parameters fluorescence index, fluorescent bacterial number per floc and background fluorescence were not correlated with the abovementioned parameters, exception made to the background fluorescence and the volatile solids concentration which were shown to correlate in an exponential way.