Biorremediação: Tecnologia de Remediação Ambiental

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BIORREMEDIAÇÃO
Remediação ambiental
Conjunto de tecnologias adotadas para redução ou eliminação de compostos perigosos ao ambiente. Recuperar áreas que
sofreram danos ambientais: Acidentais (ação do homem) e Naturais (ação da natureza). O processo de remediação
ambiental começa com uma avaliação profunda e detalhada que determina:
★ Qual o nível de poluição do ambiente?
★ Quais os melhores métodos de descontaminação a serem empregados neste caso?
Esse processo de identificação da área contaminada é dividido em etapas, que consistem:
I. Avaliação preliminar (levantamento do histórico do local)
II. Investigação confirmatória (testes que auxiliarão na constatação da presença ou ausência de substâncias tóxicas
no local)
III. Investigação detalhada (determina o grau de contaminação em que se encontra a área e quais as substâncias
químicas presentes)
IV. Avaliação de riscos
Contaminação x Poluição
CONTAMINAÇÃO é a presença de uma substância que não deve estar presente naturalmente naquele ambiente.
POLUIÇÃO é quando o contaminante causa danos a seres vivos ou à infraestrutura do local.
Denomina-se XENOBIÓTICAS as moléculas estranhas ao ambiente natural.
Xenobióticos:
✓Não persistentes (biodegradáveis) : passíveis de serem transformados completamente, resultando em, quando
orgânicos, CO2 e água. Exemplos: hidrocarbonetos derivados do petróleo, preservantes de madeira, solventes halogenados
e os pesticidas
✓Moderadamente persistentes: não degradáveis de acordo com a condição ambiental. Exemplo: ‘Os doze sujos’: aldrin,
endrin, dieldrin, clordano, DDT, toxafeno, mirex, heptacloro, hexaclorobenzeno, bifenilas poli-cloradas, dioxinas e furanos
✓Persistentes ou Recalcitrantes: resistem a biodegradação na maioria dos ambientes. Exemplos: dioxinas,
hidrocarbonetos aromáticos (benzo-αpireno), bifenilas policloradas, pentaclorofenol e hexaclorobenzeno
Processos de Remediação Ambiental:
In Situ: Tratamento no local exato onde ocorreu a contaminação.
Ex Situ: Necessita da remoção de componentes locais a fim de serem tratados em
laboratório.
Formas de tratamento de remediação ambiental: Químicos; Físicos; Naturais; Biológicos (Biorremediação)
Biorremediação
Processo no qual organismos vivos, normalmente plantas ou microrganismos, são utilizados para remover ou remediar
contaminações no ambiente, sendo elas em ar, águas (superficiais e subterrâneas) e solos. O processo biotecnológico de
biorremediação é geralmente a alternativa ecologicamente mais adequada e eficaz para o tratamento de ambientes
contaminados.
Vantagens:
● Baixo custo;
● Aplicável a uma grande variedade de
contaminantes;
● Possibilidade de tratamento in situ;
● Eliminação permanente do resíduo;
● Maior aceite público;
● Não interfere nas operações que já estão
sendo realizadas, podendo ser utilizada
em locais de difícil acesso;
● Microrganismos agem na redução de contaminantes transformandoos em subprodutos menos nocivos
Desvantagens:
● Não é uma solução imediata;
● Os locais a serem tratados devem dar suporte a ação dos microorganismos;
● Alguns métodos são excessivamente laboriosos;
● Manutenção do inóculo em níveis adequados;
● Diversas substâncias não são susceptíveis à biodegradação (metais pesados,
radionuclídeos, alguns organoclorados).
Tipos de biorremediação
Biorremediação Microbiana
Processo biotecnológico no qual se utiliza o
metabolismo de microorganismos para a eliminação
de xenobióticos, com o objetivo de reduzir sua
concentração a níveis aceitáveis, transformado-os em
compostos de baixa toxicidade.
Fundamentos da Biorremediação Microbiana:
I. Existência de microrganismos com capacidade de degradar o contaminante;
II. O contaminante deve estar disponível ou acessível ao ataque microbiano ou enzimático;
III. Condições ambientais adequadas para o crescimento/atividade do agente biorremediador
Fatores essenciais para a Biorremediação Microbiana:
★ População microbiana
★ Oxigênio e água
★ Nutrientes
★ Temperatura e pH
Tipos de Biorremediações
Microbianas:
Biomagnificação (ou bioaumentação):
● Adição de microrganismos com alto potencial de degradação dos contaminantes no local contaminado;
● Aplica-se misturas específicas de microrganismos;
● Mais utilizado quando o ambiente recebe um xenobiótico e não há no local populações microbianas capazes de degradar
eficientemente este composto.
Bioestimulação:
● Adição de nutrientes orgânicos e inorgânicos ao ambiente contaminado visando a estimular a atividade dos
microrganismos degradadores;
● A técnica deve ser precedida de criteriosa avaliação, visando a determinar os nutrientes e as doses que necessitam ser
adicionados ao local afetado.
● Dentre as técnicas de bioestimulação, há a Bioventilação, que é uma forma de bioestimulação por meio da adição de
gases estimulantes (Ex.: O2 ) para aumentar a atividade microbiana decompositora
Compostagem:
● Uso de microrganismos termofílicos aeróbios para degradação de contaminantes;
● Solo normalmente é removido do local de origem e colocado na forma de pilhas;
● Pode ser utilizada para o tratamento do solo contaminado com hidrocarbonetos
aromáticos policíclicos;
● Os microrganismos aeróbios irão degradar os contaminantes orgânicos,
transformando-os em material orgânico estabilizado, CO2 e água
Biorreatores:
● Uso de grandes tanques fechados;
● O solo contaminado é misturado com água, de modo a
formar uma suspensão com 10 a 40% de sólidos, que é
mecanicamente aerada através de rotações;
● A formação da suspensão no interior do biorreator
possibilita o aumento da disponibilidade dos
contaminantes aos microrganismos degradadores e a
eliminação da heterogeneidade da distribuição dos contaminantes;
● O pH, a disponibilidade de nutrientes, a aeração e a temperatura são otimizadas para o máximo crescimento microbiano;
● É possível também a inoculação de microrganismos comprovadamente degradadores dos contaminantes
Landfarming:
● Aplicação controlada de resíduos sobre o solo para degradação biológica e química dos mesmos;
● Estimulação de microrganismos presentes por aeração do solo;
● Simplicidade: usada pelas refinarias e indústrias petroquímicas de vários de países;
● Necessidade de controle periódico de nutrientes e umidade no solo;
● Para componentes tóxicos: técnica deverá ser licenciada pelas agências de proteção ambiental;
● Erros em sua operação pode levar a casos de contaminação superficial do solo
Principais Microrganismos Aplicados à Biorremediação:
Bactérias aeróbias
● Exemplos: Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus e Mycobacterium
● Degradam pesticidas, hidrocarbonetos, alcanos e poliaromáticos
● Capazes de usar o contaminante como fonte de carbono e energia
Bactérias metanotróficas
● Bactérias aeróbicas que utilizam metano como fonte de carbono e energia
● Ativa contra uma série de compostos: alifáticos clorados como tricloroetileno e 1,2-dicloroetano
Bactérias anaeróbias
● Não é utilizado com tanta frequência como as bactéria aeróbias;
● Aplicado na biorremediação de bifenil policlorados, tricloroetileno e clorofórmio
Fungos
● Capazes de degradar uma ampla variedade de poluentes ambientais tóxicos e persistentes;
● Colonização de grandes áreas e produção de enzimas de interesse;
● Menos utilizado para ambientes aquáticos
Acidente Exxon Valdez
Primeira utilização de biorremediação em larga escala. Ocorreu em 24 de março de 1989, Blight's Reef, em Prince William
Sound, no Alasca. 42 milhões de litros de óleo cru no mar se espalharam por 1.990 km de área costeira. 53ª posição na
lista dos maiores vazamentos de petróleo do mundo.
As estimativas colocam o número de mortos em 250.000 aves marinhas, 2.800 lontras marinhas, 300 focas, 250
águias, 22 baleias e milhares de ovos de salmão. Com custo de US$ 2,1 bilhões, as técnicas de remediação utilizadas foram:
★ Contenção
★ Bombeamento
★ Remoção Manual
★ Lavagem
★ Biorremediação
As praias foram pulverizadas com água quente de alta pressão para lavar o óleo de volta ao oceano para coleta.
Levantamento feito em 2001 revelou muitoóleo remanescente na área.
Aplicações Biorremediação
Biorremediação para tratamento de vinhaça
● Vinhaça ou vinhoto: resíduo pastoso e mal cheiroso que sobra após a destilação fracionada do caldo de canade-açúcar
para a obtenção do etanol (álcool etílico);
● Resíduo tem levado conteúdo mineral (K, Ca e Mg) e é bastante ácido (pH 4,0 a 4,8)
● 1L de álcool = 12L de vinhoto;
● Se lançado diretamente na água promove uma desoxigenação intensa, resultando em mortandade de fauna.
Biorremediação para metais pesados:
Cupriavidus metallidurans
● Bactéria Gram-negativa;
● Isolada em sedimentos de tanques de decantação de zinco
em Liège, Bélgica;
● Capaz de crescer em elevadas concentrações de, pelo
menos, treze diferentes íons de metais pesados.
Fitorremediação
Emprego de plantas, sua microbiota associada e de amenizantes (corretivos, fertilizantes, matéria orgânica, etc) do solo,
além de práticas agronômicas que, se aplicadas em conjunto, removem,
imobilizam ou tornam os contaminantes inofensivos para o ecossistema.
Vantagens:
● Reduzido impacto ambiental;
● Possibilidades de remediar águas contaminadas, o solo, e subsolo;
● Custo relativamente baixo;
● Propriedades biológicas e físicas do solo preservadas;
● Ajuda no controle do processo erosivo
Desvantagens:
● Dificuldade na seleção de plantas;
● Tempo para obtenção de despoluição;
● Clima e condições edáficas podem restringir o crescimento da planta;
● Elevados níveis de contaminante podem impedir o crescimento da planta;
● Potencial de contaminação na cadeia alimentar;
● Possibilidade da planta fitorremediadora se tornar planta daninha
Tipos de Fitorremediação
Fitoextração:
● Absorção pelas raízes sendo armazenados, transportados e acumulados nas
partes aéreas;
● Metais pesados;
● Depende da capacidade da planta de crescer e acumular metais: clima e solo
Fitoestabilização:
● Limitar mobilidade e biodisponibilidade de contaminantes orgânicos ou
inorgânicos no solo;
● O contaminante é imobilizado por meio de sua lignificação (na parede vegetal) ou de humificação no solo;
● Metais pesados são precipitados e tornam-se insolúveis, ficando presos na matriz, imobilizados;
● Exemplos: Haumaniastrum, Eragrostis, Ascolepis, Gladiolus e Alyssum
Fitodegradação:
● Contaminantes orgânicos: degradados ou mineralizados dentro das células vegetais;
● Enzimas específicas:
✓ Nitroredutases (degradação de nitroaromáticos)
✓ Desalogenases (degradação de solventes clorados e pesticidas)
✓ Lacases (degradação de anilinas)
● Exemplos: Myrophyllium spicatum e Populus sp.
Fitoestimulação:
● Raízes em crescimento (extremidades e ramificações laterais) promovem a proliferação de micro-organismos
degradativos na rizosfera;
● Microrganismos usam os metabólitos exudados pela planta como fonte de carbono e energia = Promoção da
biodegradação microbiana;
● Contaminantes orgânicos;
● Comunidade microbiana heterogênea, porém destaca-se o gênero Pseudomonas
Fitovolatilização:
● Degradação de contaminantes orgânicos, mas também utilizada para mercúrio, selênio e arsênio;
● Absorção pelas raízes, conversão em formas não-tóxicas, liberação na atmosfera;
● Não remove completamente o contaminante, só desloca-o de local: do solo para a atmosfera
Rizofiltração:
● Plantas terrestres para absorver, concentrar e/ou precipitar os contaminantes de um meio aquoso através de seu
sistema radicular;
● Metais pesados ou elementos radioativos
Outras Estratégias
Barreiras Hidráulicas:
● Utiliza-se próximo ao local do acidente árvores de grande porte, com raízes
profundas para barrar o espalhamento da contaminação;
● Água do subsolo ou dos lençóis freáticos;
● Contaminantes metabolizados pelas enzimas vegetais;
● Vaporizados junto com a água ou simplesmente aprisionados nos tecidos vegetais
Açudes Artificiais:
● Formado por solos orgânicos, micro-organismos, algas e plantas aquáticas vasculares;
● Tratamento dos efluentes: através de filtração, troca iônica, adsorção e precipitação
Exemplos Fitorremediação
Fábrica de hexaclorociclohexano:
● Uma fábrica de hexaclorociclohexano (HCH), pesticida organoclorado, foi desativada entre os anos de 1960 e 1965,
permanecendo no local todo seu acervo abandonado, inclusive os estoques e resíduos da produção, em torno de 200
litros.
Ministério da Saúde decidiu proceder à neutralização do HCH:
✓ Cal virgem: a mistura com HCH piorou a situação, gerando um composto ainda mais tóxico
✓ Partiram para o plantio de espécies florestais na área contaminada (Eucalyptus grandis e Corymbria citriodora)
Após 7 anos: Recuperação do pH do solo. C. citriodora: solo menos argiloso e maior conteúdo de matéria orgânica
Kennedy Space Center, NASA
● Biomass Production Chamber (BPC): Câmara que estava sendo testada para cultivo de alimentos no espaço.
● Remoção de compostos orgânicos voláteis (COV)
Talinum cuniefolium:
● Avaliação de Talinum cuniefolium como biorremediador de
água contendo arsênio.
Papel da biotecnologia na
fitorremediação:
Requisitos das plantas fitorremediadoras:
★ Capacidade de degradar ou concentrar o contaminante em altos níveis de biomassa
★ Alta tolerância ao poluente
★ Capacidade de absorver altas quantidades de água do solo
★ Sistema radicular profundo e denso
★ Alta taxa de crescimento e produção de biomassa
Quando alguma planta cumpre alguns dos requisitos mas não todos, usa-se a engenharia genética ao nosso favor com os
seguintes passos:
I. Entender o mecanismo subjacente envolvido na decomposição ou mineralização do contaminante
II. Identificar se existe superexpressão de transportadores de membrana e/ou enzimas responsáveis pela tolerância
III. Introdução do gene responsável na nova planta
Brasil:
● Flora mais diversificada do mundo, com número superior a 55 mil espécies descritas (22% do total mundial);
● Um quarto das espécies de microalgas de água doce
● Essa diversidade pode agregar em diversas novas tecnologias voltadas à biorremediação
Biorremediação enzimática
Enzimas: catalizadores biológicos que facilitam a conversão de
substratos em produtos, facilitando as reações, diminuindo a
energia de ativação das reações.
Vantagens:
● Reduzido impacto ambiental (biodegradável);
● Possibilidades de remediar múltiplos ambientes;
● Pode ser reciclado (coleta do local);
● Pode ser usado com diferentes substratos
Desvantagens:
● Dificuldade para manter as concentrações enzimáticas;
● Dificuldade de otimização da técnica;
● Altos custos
Apresentação da enzima:
Solúvel
● Pode ser adicionada em pontos isolados, espalhada por difusão ou dispersão;
● Pode chegar às águas subterrâneas ou superficiais.
Imobilizada
● Enzimas podem ser imobilizadas em um carreador que pode ser granular, fibroso, um tubo ou uma membrana;
● No geral, a imobilização deixa a enzima mais resistente a mudanças de pH, temperatura, e concentração de substrato.
Exemplos de enzimas aplicadas na biorremediação:
Lipase
● Catalisa reações de hidrólise de triacilgliceróis insolúveis para gerar ácidos graxos livres, monoacilgliceróis,
diacilgliceróis e glicerol;
● Catalisa reações reversas, como esterificação, transesterificação, aminólise e lactonização.
Lacase
● Catalisam a oxidação de uma série de compostos aromáticos, especialmente compostos fenólicos.
Horseradish peroxidase
● Peroxidase de rábano
● Catalisa a oxidação de fenóis, bisfenóis, anilina, benzidinas, dentre outros, através do peróxido de hidrogênio;
Lignina peroxidase (LiP)
● Catalisa a oxidação de compostos fenólicos, não fenólicos, hidratos de carbono aromáticos, dentre outros, na presença
de peróxido de hidrogênio
Perspectivas Biorremediação
★ Descoberta de novos microrganismos, plantas e enzimas com capacidade de biorremediação;
★ Desenvolvimento de sistemas capazes de biorremediar combinações diferentes de xenobióticos;
★ Adaptação de organismos à ambientes com condições desfavoráveis;
★ Diminuição de custos
★ Melhor compreensão da base molecular das vias envolvidas na degradação de poluentes→ descoberta de novos
genes e/ou novas enzimas;
★ Marcadoresmoleculares, metagenômica, e investigação de mecanismos de ação;
★ Testes a campo para plantas e microrganismos transgênicos voltados à biorremediação→ biossegurança→
prevenir o fluxo gênico;
★ Fitorremediadores engenheirados com múltiplos genes ou pools de microrganismos para atender à locais com diversas
contaminações de forma específica.