Este documento discute microbiologia ambiental, biodegradação e biorremediação. Apresenta definições de biodegradação, biorremediação e biotransformação. Também descreve as principais comunidades microbianas no solo e os processos de comensalismo e mutualismo entre microrganismos. Por fim, aborda a degradação de poluentes e xenobióticos, assim como técnicas de biorremediação.

1. MICROBIOLOGIA AMBIENTAL:
BIODEGRADAÇÃO E BIORREMEDIAÇÃO

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. 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. 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. 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. 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. Principais comunidades microbianas

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. 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. 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. Haloaromáticos: fenóis clorados (herbicidas, inseticidas, fungicidas)
PCBs (Bifenilas-policlorinadas)

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. Plásticos
Polietileno, cloreto de polivinila,
poliestireno
Organofosforados
- Pesticidas

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. 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. 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. 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.

20. Biorremediação in situ do tricloroetileno (TCE).

21. 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

23. 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).

24. 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.

25. 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

26. 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.

27. 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.

28. 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

29. 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

30. 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 .

31. 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

32. Tipos de biolixiviação
Recuperação metais por lixiviação
bacteriana

33. 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

34. 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.

35. 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.

36. 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. .

37. 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.