Biorremediacao

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Biorremediacao

  1. 1. MICROBIOLOGIA AMBIENTAL: BIODEGRADAÇÃO E BIORREMEDIAÇÃO
  2. 2. Definições Biodegradação: processo natural onde compostos químicos são degradados por via biológica. O termo é utilizado para indicar diferentes graus de degradação, desde a perda algum componente até a completa mineralização. Biodegradável: material capaz de ser decomposto por microrganismos Mineralização: conversão de compostos orgânicos até seus constituintes inorgânicos: C, N, P, S,.. (CO2, H2O, CH4,H2) Biorremediação: processo tecnológico no qual organismos vivos são utilizados para remover ou reduzir (remediar) contaminantes no ambiente. Intervenção humana que visa acelerar os processos microbianos naturais de degradação de poluentes ambientais. Biotransformação: alterações na estrutura molecular de compostos mediada por via biológica. Pode aumentar ou diminuir a complexidade química e resultar na conversão de um composto inócuo em um tóxico ou transformar um composto biodegradável em recalcitrante.
  3. 3. Poluentes: compostos de ocorrência natural no ambiente mas que estão presentes em altas concentrações. Exemplos: petróleo bruto e refinado, fosfatos e metais pesados. Xenobióticos: moléculas sintéticas “estranhas” (xeno) ao ambiente natural. Não ocorrem naturalmente na natureza. Exemplos: pesticidas, herbicidas, plásticos Recalcitrantes: moléculas orgânicas de difícil degradação que acumulam no ambiente. Podem ser naturais (lignina) ou sintéticas (agrotóxicos).
  4. 4. Bases microbiológicas da biodegradação: - Comunidades microbianas em ambientes naturais são formadas por diferentes microrganismos altamente interdependentes. - Comensalismo: associação interativa de duas populações de diferentes espécies que vivem em conjunto sendo que uma população se beneficia da associação e outra não é afetada. - Mutualismo: é uma simbiose ou seja ambas as populações associadas se beneficiam. Densidade populacional de microrganismos em solo de clima temperado Organismos Bactérias Actinomicetos Fungos filamentosos Leveduras Algas e cianobactérias Protozoários Células/g 10 - 109 105-108 101-102 103 102-104 104-106 6
  5. 5. Comensalismo: - Requerimento fatores nutricionais: muitos microrganismos do solo necessitam vitaminas e aminoácidos que são produzidos por outros microrganismos alimentação cruzada - Produção e consumo de O2: a capacidade de anaeróbicos de sobreviver no solo depende do consumo do O2 pelos organismos aeróbicos. - cadeia nutricional: ácidos orgânicos produzidos pela degradação fúngica da celulose são utilizados como nutrientes por bactérias. Etanol produzido por leveduras a partir de açúcares é oxidado até acido acético por espécies de Acetobacter. Metano produzido por bactérias metanogênicas é oxidado aeróbicamente pelas metilotróficas.
  6. 6. Mutualismo: -Quando fixadores de N coexistem com decompositores de celulose cada organismo utiliza compostos produzidos pelo outro. - Desulfovibrio realiza respiração anaeróbica, tendo SO4-2 como aceptor final de elétrons convertendo até H2S, que é utilizado por bactérias púrpura como fonte de elétrons produzindo novamente o sulfato. - Lactobacillus arabinosus produz ácido fólico requerido por S. faecalis enquanto S. faecalis produz fenilalanina que o L. arabinosus necessita. Geralmente os compostos orgânicos são degradados com maior eficiência em ambientes contendo muitas espécies do que em culturas puras de um único microrganismo; pois o produto da degradação parcial de um organismo serve como substrato para outro microrganismo. Uma comunidade microbiana também é mais resistente do que uma cultura pura a produtos tóxicos resultantes da biodegradação pois um de seus indivíduos pode ser capaz de detoxificá-lo.
  7. 7. Principais comunidades microbianas
  8. 8. Uma comunidade microbiana é dinâmica: responde as condições ambientais e se adapta para utilizar os nutrientes disponíveis do modo mais efetivo. Quando um novo composto biotransformável é inserido no ambiente ocorre período de adaptação após o qual a taxa de transformação é aumentada seleção de microrganismos resistentes e aptos a degradar ou transformar o composto. O destino de um composto orgânico introduzido no solo é determinado por fatores físicos, químicos e biológicos. - Físicos: volatilização ou adsorção - Químicos: degradação fotoquímica, oxidação e hidrólise - Biológicos: biodegradação microbiana A degradação biológica ocorre muito mais rapidamente!!!
  9. 9. Os microorganismos são capazes de utilizar uma grande variedade de substancias orgânicas naturais ou sintéticas como fonte de nutrientes e energia Por quê? estão há milhões de anos coexistindo com grande diversidade de compostos que são potenciais substratos para seu crescimento. Uma mutacão pode promover a síntese de uma nova enzima capaz de utilizar um novo substrato e o m.o. possuidor desta nova capacidade poderia colonizar um novo nicho ecológico. A capacidade degradativa dos m.o tem sido posta a prova com a introdução de compostos XENOBIÓTICOS na natureza!! Os xenobióticos: - têm sido produzidos massivamente nos últimos 50 anos - possuem estruturas químicas novas (não reconhecidas por enzimas existentes) - a capacidade evolutiva da natureza não tem conseguido adaptar-se a enorme variabilidade destes compostos, de modo que se pode afirmar que somente alguns xenobióticos com moléculas relacionadas as naturais sofrem biodegradação.
  10. 10. A maioria dos compostos xenobióticos são recalcitrantes, devido: - estrutura - baixa solubilidade em água e elevada toxicidade - alto peso molecular COMPOSTOS XENOBIÓTICOS Halocarbonados Freons: CCl3F,CCl2F2 (aerossóis) Trihalometanos (clorofórmio) Clorados como o tricloroetileno (TCE)
  11. 11. Haloaromáticos: fenóis clorados (herbicidas, inseticidas, fungicidas) PCBs (Bifenilas-policlorinadas)
  12. 12. Nitroaromáticos (explosivos, corantes, pesticidas) Dioxinas: produzidas na queima de halogenados e na produção de cloreto de polivinila. Altamente carcinogénicos ABSs (alquilbenzeno sulfonatos) Detergentes anionicos
  13. 13. Plásticos Polietileno, cloreto de polivinila, poliestireno Organofosforados - Pesticidas
  14. 14. Biodegradabilidade de alguns compostos químicos Readily Somewhat Difficult to Generally degradable degradable degrade recalcitrant ____________ ____________ ____________ ____________ fuel oils, gasoline creosote, coal tars chlorinated solvents (TCE) ketones and alcohols pentachlorophenol (PCP) some pesticides polychlorinated and herbicides biphenyls (PCB) monocyclic aromatics bicyclic aromatics (naphthalene) dioxins
  15. 15. Fatores biológicos importantes que influenciam a degradação de xenobióticos: - Biodegradação gratuita: quando uma enzima é capaz de transformar outras moléculas além de seu substrato natural. A enzima exerce sua atividade catalítica se o substrato não-natural for capaz de se ligar no sítio ativo. - Co-metabolismo: transformação de um composto sem que este forneça carbono ou energia para o organismo degradador. O m.o. necessita de substrato verdadeiro para crescer mas consegue degradar ou transformar um composto presente no ambiente. Na degradação de xenobióticos o sistema biológico é o mais eficiente porém muitos fatores ambientais influenciam a capacidade de um sistema microbiano em biodegradar uma molécula. Fatores físicos que influenciam a biodegradabilidade: - natureza da matriz (água, solo, sedimento): adsorção e disponibilidade - temperatura: reduz atividade metabólica m.o. reduzindo taxa degradação - luz
  16. 16. Fatores químicos que influenciam a biodegradabilidade: - composição química da matriz ambiental (define capacidade nutritiva) - pH - umidade - oxigênio dissolvido - potencial redox - estrutura química do poluente: não foram isolados m.o. capazes de mineralizar nitroaromáticos como TNT, orizalin e trifluralina, que apresentam três grupos nitro no anel aromático o que dificulta a degradação. Onde se aplica a biorremediação? - acidentes com derramamento de petróleo - tratamento de resíduos - remoção e ou recuperação de metais pesados - degradação compostos químicos
  17. 17. Tipos de biorremediação: 1. Biorremediação in situ: no local original. Utiliza a microflora original presente no ambiente, partindo da idéia de que os m.o. presentes já estão adaptados aos contaminantes existentes. BIOESTIMULAÇÃO: realizada através da adição de nutrientes e/ou surfatantes diretamente no local contaminado com o objetivo de aumentar a atividade de populações de m.o. autóctones degradadores ou a biodisponibilidade do poluente. Exemplo: o acidente com o navio Exxon Valdez derramou toneladas de óleo cru contaminando quilômetros de praia. Para a limpeza da areia foram adicionados fertilizantes para acelerar crescimento de m.o. e consequentemente a degradação do óleo.
  18. 18. Biorremediação in situ do tricloroetileno (TCE).
  19. 19. Uma variação desta técnica é a BIOAUMENTAÇÃO ou BIOAUMENTO que consiste na introdução de microrganismos degradadores. Bioaumentação OGM autóctones alóctones Propagação e introdução no ambiente A biorremediação in situ oferece diversas vantagens: - é mais barata que incineração - não expõe trabalhadores aos riscos associados a escavação e remoção do solo contaminado - é adequada para tratamento de grandes áreas
  20. 20. Processos ex situ 2. Compostagem: processo biológico, através do qual os microrganismos convertem a parte orgânica dos resíduos (restos plantas, esterco ....) em material estável tipo húmus, conhecido como composto. Importância: - Aumenta a disponibilidade de nutrientes; - Promove o aproveitamento de resíduos - Despoluição A compostagem vem sendo incentivada para biodegradação de compostos nitrogenados explosivos: estudos demonstraram a transformação de 90% dos explosivos após 80 dias de compostagem a 55° . Depo is de 150 dias a C concentração inicial de 18.000 mg/g solo foi reduzida para 74 mg/g. 3. Landfarming: utilizado para a disposição e degradação de resíduos oleosos (borra) resultante de operações de refino de petróleo. Os resíduos são misturados ao solo e submetidos a uma biorremediação in situ (bioestimulação).
  21. 21. A indústria de petróleo é uma fonte geradora de resíduos oleosos de diversos tipos,em praticamente todas as suas operações, desde a perfuração, produção, armazenamento, transporte, refino, até a distribuição dos derivados. Esses resíduos oleosos são compostos basicamente de hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos, água e sólidos, em proporções que variam conforme suas origens, possuindo pequenas quantidades de metais pesados. No landfarming o processo de biodegradação se dá na camada superior do solo, entre 15 e 20 centímetros. O processo baseia-se na aração do solo, para renovação do oxigênio, e na manutenção de um certo teor de nutrientes e de microrganismos aeróbios. Desta forma, os íons metálicos presentes nos resíduos são liberados e, incorporados naturalmente ao solo sem que haja contaminação dos lençóis freáticos. Desvantagem: processo é lento e incompleto, além disso, ocorre acúmulo gradual de metais pesados no solo de landfarming impedindo seu uso posterior como fertilizante.
  22. 22. 4. Reatores above-ground: são reatores comuns que são adaptados para o tratamento de solo ou água contendo altos níveis de contaminantes. O principal objetivo do uso dos reatores é o controle das condições ambientais durante o processo. O solo contaminado é misturado com água e introduzido no reator, que é previamente preenchido com carvão, plástico, esferas de vidro ou terra diatomácea que permitem a obtenção de grande área superficial e a rápida formação do biofilme responsável pela biodegradação. O inóculo pode vir da própria população presente no ambiente contaminado; de lodos ativados ou de cultura pura de microrganismo apropriado. Os reatores podem ser operados em série e de forma aeróbica ou anaeróbica. Biodegradação e Biorremediação não são conceitos novos, pois os processos biológicos tem sido aplicados há muito tempo no tratamento de resíduos; O direcionamento atual é o uso de processos biológicos para a remoção de compostos tóxicos do ambiente
  23. 23. USOS DA BIORREMEDIAÇÃO 1. Biodegradação de compostos orgânicos - petróleo - xenobióticos 2. Transformação de Metais: - recuperação - detoxificação BIODEGRADAÇÃO DO PETRÓLEO O petróleo é um produto natural formado pela ação de microrganismos sob condições de alta temperatura e pressão. Formado por hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos. A utilização do petróleo na sociedade moderna têm gerado uma série de problemas ao meio-ambiente como o aumento dos níveis de CO2 na atmosfera (pela queima dos hidrocarbonetos); bem como a contaminação de águas, e solo durante os processos de extração, transporte e armazenamento.
  24. 24. Os hidrocarbonetos são substratos adequados para diversos m.o. que utilizam enzimas da classe das oxigenases para degradar e utilizar estes compostos como sua fonte de carbono.
  25. 25. Microrganismos degradadores de petróleo: Em amostras de solos impactados com petróleo encontram-se bactérias do gêneros: Pseudomonas ,Burkholderia, Acinetobacter, Sphingomonas Também várias espécies de fungos Em amostras de águas são encontrados os gêneros: Alcanivorax, Cycloclastius, Oleiphilus, Oleispira, Neptunomonas, Planococcus, Marinobacter, Pseudoalteromonas CH3-(CH2)n-CH3 Rotas de biodegradação aeróbica de ALCANOS CH3-(CH2)n-CH2OH CH3-(CH2)n-CHO CH3-(CH2)n-COOH CH3-(CH2)n-COSCoA β-oxidação
  26. 26. Técnicas de biorremediação são utilizadas em derramamentos acidentais de petróleo, sendo a mais utilizada a biorremediação in situ com adição de nutrientes inorgânicos que promovem o aumento da biomassa de m.o. nativos degradadores. DEGRADAÇÃO DE XENOBIÓTICOS Pesticidas: muitos são altamente tóxicos Degradação microbiana: - conversão a compostos inócuos - processo chave para que estes compostos possam continuar a serem usados - pequena modificação na estrutura grande diferença na persistência
  27. 27. Anaeróbica: descloração redutiva: Dehalococcoides Aeróbica: oxigenases (degradação do 2,4,5-T) RECUPERAÇÃO DE METAIS Lixiviação bacteriana: utiliza microrganismos capazes de promoverem a solubilização de metais. É aplicada em escala industrial para recuperação secundária de metais como cobre, urânio e ouro. Thiobacillus ferrooxidans, acidofílica (pH 1,5-2,0) aeróbica e autotrófica que obtém energia da oxidação de Fe+2 / Fe+3 ou formas reduzidas de S para H2SO4 .
  28. 28. Lixiviação indireta: O sulfato férrico e o ácido sulfúrico são produzidos pelo T. ferrooxidans a partir da metabolização da pirita (FeS2) contida dentro dos minérios: FeS2 + H2O + 3.5 O2 ------> FeSO4 + H2SO4 2FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4 --- Fe2(SO4)3 (sulfato férrico) O sulfato férrico é um forte agente oxidante utilizado para dissolver diversos minerais de importância econômica: CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 -------> CuSO4 + 5 FeSO4 + 2S0 (calcopirita) (sulfato de cobre solúvel) Lixiviação direta: a bactéria adere diretamente nas partículas minerais e suas enzimas promovem a oxidação e solubilização do metal. CuS + 0.5 O2 + 2H+ S0 + 1.5 O2 + H2O Cu+2 + S0 + H2O H2SO4
  29. 29. Tipos de biolixiviação Recuperação metais por lixiviação bacteriana
  30. 30. Origem da poluição por metais pesados Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni e Sn Cr3+ e Cr6+ Pilhas e baterias Aterro sanitário Contaminação de águas subterrâneas, córregos e riachos Mineração (garimpo) Couro Rios e mares Os oceanos recebem por ano 400.000 t de metais pesados 80.000 t só de mercúrio Bioacumulação ⇒ danos ao SNC
  31. 31. Remoção de metais pesados de efluentes líquidos (detoxificação) Bactérias sulfato redutoras (BSR): capazes de obter energia utilizando sulfato como aceptor final de elétrons sob condições anaeróbicas (respiração anaeróbica). O produto da redução do sulfato é o H2S, sendo a atividade destas bactérias a principal fonte de gás sulfídrico da natureza. São anaeróbicas estritas e capazes de utilizar diversos tipos de substratos como fonte de carbono incluindo ácidos graxos, ácidos aromáticos, metanol, glicerol, compostos fenólicos e amino-ácidos. Principais gêneros de BSR: Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfotomaculum, Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfococcus e Desulfosarcina. São encontradas em ambientes aquáticos e terrestres que se tornam anaeróbicos devido a decomposição microbiana (sedimentos). Sua atividade é muito importante por contribuir para o estabelecimento de depósitos de enxofre elementar, sulfetos e na formação do petróleo.
  32. 32. As BSR estão relacionadas a corrosão microbiana, pois o H2S produzido promove a corrosão de Fe e outros metais. A capacidade do H2S em se ligar a metais pode ser benéfica no tratamento de resíduos ricos em metais pesados, contribuindo para a despoluição ambiental.
  33. 33. Precipitação de sulfetos metálicos Águas residuárias de mineração ou de alguns processos químicos industriais possuem altas concentrações de metais pesados e sulfatos. O enriquecimento desta águas com matéria-orgânica permite o crescimento de bactérias sulfatoredutoras que, através da produção de H2S promovem a precipitação de metais pesados como (Cd, Cu, Zn, Hg, Ni, Pb) na forma de sulfetos (CdS, CuS, ZnS...). O HS- forma um complexo insolúvel com os íons metálicos presentes na água levando a precipitação e facilitando a remoção destes poluentes. .
  34. 34. Partículas cobertas com BSR O descarte de lixo e resíduos em rios e lagos aumenta teor de matéria-orgânica e conseqüentemente a redução de sulfato. O HS- é tóxico por se combinar com Fe dos citocromos e outros componentes essenciais das células levando a morte de peixes e outros organismos aquáticos. Reator leito fixo para remoção metais tóxicos Uma alternativa para detoxificação do HS- em águas é a adição de sais de Fe para formação de FeS insolúvel (biorremediação de águas contaminadas). Em ambientes onde ocorre a redução de sulfato observa-se coloração escura no sedimentos devido a acúmulo de compostos insolúveis de enxofre.

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