Biorremediação 2013

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Biorremediação
Prof. Fernando Dini Andreote
Pós Doc: Cristiane Cipolla Fasanella
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Definição de poluição do solo
Solo limpo: é quando a [ ] de um elemento ou substância de interesse ambiental é menor ou igual ao valor de ocorrência natural. 
Esta concentração é denominada como valor de referência de qualidade 
Definição de poluição do solo
Contaminado: é quando a [ ] de um elemento ou substância de interesse ambiental for maior que o valor de intervenção (limite estabelecido). 
A constatação da contaminação implica na adoção de ações imediatas, visando minimizar as vias de exposição
Concentração ZERO
Valor de Intervenção
Concentração Muito Elevada
Não necessita ação
Remediação Imprescindível e Urgente
Alvo da Remediação
Poluição do solo
Características da interação dos contaminantes com o solo
Comportamento dos contaminantes no solo : 
- diretamente relacionado com suas características físicas e químicas:
Densidade
Solubilidade
Viscosidade
Características do meio: 
- determinam a acessibildiade aos contaminantes
Tipo de solo
Permeabilidade
Tamanho de partículas
Teor de umidade e de matéria orgânica
Em termos gerais, o comportamento dos contaminantes no solo depende das suas características físicas e químicas
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Poluição do solo
Remediação: 
“Conjunto de tecnologias adotadas para redução ou eliminação de compostos danosos ao ambiente”
				
 
			Natural Artificial
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Poluição do solo - biodegradação – base da biorremediação
A biodegradação é o processo de decomposição de materiais (sobretudo de origem orgânica) por ação de seres vivos
Catalisada por enzimas específicas (catabólicas), produzidas pela expressão de genes específicos
Vale ressaltar que o oxigénio é geralmente utilizado como aceptor final de elétrons no metabolismo microbiano e sua limitação é uma razão importante para a biodegradação. 
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“Conjunto de tecnologias que empregam processos biológicos, isoladamente ou associados a técnicas de engenharia, para redução ou eliminação de compostos perigosos ao ambiente”
- baseada na habilidade metabólica de microrganismos em transformar ou mineralizar contaminantes
- compostos orgânicos e/ou inorgânicos - degradação integrada aos ciclos biogeoquímicos
Poluição do solo - biorremediação
A biorremediação nada mais é que um processo de tratamento que utiliza microrganismos que degradam e transformam compostos orgânicos existentes nos solos contaminados, aqüíferos, lodos e resíduos, em compostos menos complexos e mais facilmente degradáveis, podendo-se chegar até a sua mineralização, ou seja, os compostos originais podem ser degradados a H2O, CO2 E / OU CH4.
A biorremediação é dada como um processo de tratamento ambiental capaz de utilizar a microbiota disponível no local contaminado que possuem capacidade de degradação determinados compostos tóxicos, transformando-os em gás carbônico e água ou em substâncias menos nocivas, as quais são logo em seguida, incorporadas nos ciclos biogeoquímicos naturais. É um mecanismo que explora tanto a diversidade genética como a versatilidade metabólica da microbiota para a transformação dos contaminantes. O princípio dessa técnica depende da estimulação da microbiota para ocorrer a biodegradação, tendo como principal objetivo uma maior segurança e menor perturbação do meio ambiente. 
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Produto final: CO2, H20 e outros minerais 
Tecnologia barata, versátil, efetiva e ambientalmente segura
Explora a diversidade e a versatilidade metabólica de microrganismos presentes no ambiente
Biorremediação
Xenobióticos (do grego, xenos – estranho): são compostos químicos estranhos a um organismo ou a um sistema biológico (mais especificamente para os sistemas enzimáticos existentes )
Compostos orgânicos geralmente sintetizados pelo homem
Agroquímicos: pesticidas, fungicidas, herbicidas
 Plásticos em geral
 Petróleo
 Metais pesados
Degradação de Xenobióticos
Tipos de xeonobióticos - degradabilidade
Substâncias Recalcitrantes: resistentes à biodegradação sob qualquer condição.
Substâncias Persistentes: não apresentam biodegradação sob as condições impostas
Substâncias Biodegradáveis: passíveis de serem transformados completamente, resultando apenas em frações minerais
Denomina-se persistente uma substância que não apresenta biodegradação sob determinadas condições impostas. Quando uma substância é resistente à biodegradação sob qualquer condição denomina-se recalcitrante. 
Diversos compostos orgânicos, tanto de baixo quanto de alto peso molecular, ou materiais poliméricos, persistem por longos períodos em solos, subsolos, aqüíferos subterrâneos, águas superficiais e sedimentos aquáticos. 
Alguns dos locais contendo esses compostos são tão ricos em substâncias tóxicas que a persistência pode ser atribuída à incapacidade dos microrganismos de crescerem e proceder a biodegradação em presença de toxinas. 
Entretanto, muitas moléculas persistentes estão localizadas em ambientes, nos quais os microrganismos encontram condições adequadas a sua proliferação e atividade metabólica. Nesse caso, a ausência de biodegradação não pode ser atribuída a condições inibitórias para a vida microbiana. 
A consideração de razões para a persistência deve incluir as parcelas de contribuição de fatores químicos, microbiológicos e ambientais 
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Baixo acesso da microbiota aos compostos - Baixa solubilidade em água, estrutura molecular complexa
 Alta adsorção no solo - Acúmulo ao longo do tempo, afinidade a partículas específicas do solo
Toxicidade – Acúmulo na cadeia trófica e alta adsorção nos sistema digestório ou pela pele
Degradação gerando compostos mais tóxicos – intermediários com maior toxicidade
Características dos xenobióticos de baixa degradação
Aspectos que levam à persistência de uma substância no ambiente
Inexistência de organismos ativos; 
Alta especificidade de enzimas;
Impermeabilidade na célula;
Inacessibilidade do sítio da molécula potencialmente ativado enzimaticamente;
Ausência de indução das enzimas requeridas;
Fatores Ambientais
Inexistência de organismos ativos Dados os milhões de compostos existentes atualmente, é razoável pensar que a evolução bioquímica ainda não foi capaz de gerar enzimas capazes de catalisar modificações na maioria desses novos sintéticos. 
Enzimas são consideravelmente específicas para as moléculas nas quais atuam e a despeito de centenas de milhões de anos de evolução bioquímica, existe apenas um número limitado de rotas metabólicas. As enzimas atuam nos substratos que os microrganismos vêm encontrando durante seu caminho evolutivo. Mas, a especificidade não absoluta das enzimas é, provavelmente, a base para a transformação de várias novas moléculas sintéticas. Mesmo assim, se não existir nenhuma enzima compatível para uma determinada substância, também não existirá nenhum organismo capaz de modificá-la
Impermeabilidade da célula As enzimas responsáveis pela biodegradação de diversos compostos são exclusivamente intracelulares, e se o substrato potencial não atravessar a membrana celular e penetrar no interior do microrganismo, onde se encontra a enzima, nenhuma reação irá ocorrer. Os estágios iniciais do metabolismo de certas moléculas, principalmente as de elevado peso molecular, são catalisados por enzimas extracelulares. Entretanto, se não existir nenhuma enzima extracelular que possa gerar compostos aos quais a membrana celular seja permeável, a substância original será recalcitrante. O peso molecular não é o único fator determinante para a permeação através da membrana celular, a configuração da molécula e suas propriedades químicas podem evitar o transporte desta para o interior da célula
Inacessibilidade do sítio da molécula potencialmente ativado enzimaticamente Uma determinada parte da enzima (conhecida como sítio ativo) deve se combinar com o substrato para a reação ocorrer e o sítio específicona molécula onde a reação ocorre deve estar acessível. Alguns compostos, como alcanos e ácidos graxos de cadeia longa são ativados na extremidade terminal das moléculas, mas essa extremidade pode estar inacessível como conseqüência da dobra ou enrolamento das mesmas, sendo uma possível razão pela qual alguns polímeros sintéticos resistem à degradação microbiana. Outros compostos podem estar protegidos por conterem um substituinte que impeça, estericamente, a enzima de se combinar com o provável substrato. Além disso, moléculas de alto peso molecular possuem um grande número de ligações cruzadas, que podem mascarar a região da molécula que será reconhecida pelo sítio ativo da enzima 
Ausência de indução das enzimas requeridas. Enzimas envolvidas em processos fisiológicos particulares podem apresentar-se ativas no organismo, independente da presença do substrato (enzimas constitutivas), ou podem ser sintetizadas apenas em presença do substrato. Porém, a concentração do substrato (ou outro indutor) na fase aquosa pode estar muito baixa para promover a formação da enzima. O que pode ocorrer quando o composto estiver adsorvido ou presente em uma fase líquida não aquosa
Fatores Ambientais. Compostos químicos podem persistir não por serem intrinsecamente refratários, mas por algum fator ambiental que impeça sua rápida destruição. Se o crescimento microbiano é necessário para uma biodegradação significativa, todos os nutrientes devem estar presentes e biodisponíveis. Incluindo, íons inorgânicos, água, oxigênio ou outro aceptor final de elétrons etc. O ambiente, também, deve estar livre de toxinas em níveis suficientemente altos para prevenir o crescimento ou a atividade dos microrganismos. 
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Estratégias de biorremediação
 Microbiota da área
Base para os processos metabólicos
Processo tem maior chance de ocorrer em maior diversidade
Sua ocorrência seleciona os grupos ativos, tornando-os abundantes
 Características físicas e químicas do ambiente 
Modulam metabolismo microbiano – abundância e atividade
 Biodegradação por co-metabolismo
Processo comum em sistemas altamente diversos	
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Seleção de microrganismos degradadores: 
Coleta da amostra;
Caracterização de grupos ativos
Incubação com substratos e condições ambientais; apropriados para a seleção (temperatura, salinidade, fontes nutricionais, etc…);
Uso da comunidade enriquecida para a bioprospecção
Estratégias de biorremediação – seleção de degradadores
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Tipos de biorremediação - processos
In Situ: tecnologia aplicada no próprio local contaminado. Tem a vantagem de apresentar baixos custos e a desvantagem de não permitir um controle muito rigoroso do processo. 
Ex Situ: quando o tratamento é dado em outro local que não o contaminados, ou seja, o solo é transportado para outro local.
In situ
Bioaumentação: introdução de microrganismos alóctones ou autóctones para a degradação do contaminante
Bioestimulação: estimulação da população microbiana autóctone para aumentar as taxas de biodegradação no local contaminado
Fitorremediação: processo de biorremediação indireta onde, utilizam-se as plantas disponíveis no ambiente para auxiliar a biodegradação do poluente
Bioventilação: bioestimulação por meio da adição de gases estimulantes, como O2 e CH4, para aumentar a atividade microbiana decompositora.
Bioaumentação - aumento da população microbiana, tendo como base a adição de microrganismos na região contaminada, ou seja, é a introdução de microrganismos alóctones (geralmente já encontrados em produtos que já comercializados biotecnologicamente) ou autóctones para a degradação do contaminante. Vale ressaltar que quando se opta pela estratégia de inoculação de microrganismos alóctones, esses devem atuar em sinergismo com as espécies autóctones, sem interferir nos processos biogeoquímicos naturais;
 Bioestimulação - estimulação da população microbiana autóctone tendo como objetivo aumentar as taxas de biodegradação no local contaminado. Para se utilizar desse processo, deve existir no local contaminado uma população natural de microrganismos capazes de degradar os contaminantes presentes e ter as condições ambientais necessárias para a atividade microbiana. Essa estimulação pode ser causado, por exemplo, através da correção do pH, equilibrando os nutrientes em relação à carga de carbono do poluente orgânico, do arejamento do solo, etc.
Fitorremediação – é um processo de biorremediação indireta onde, nesse caso, utilizam-se as plantas disponíveis no ambiente para auxiliar a biodegradação do poluente. Para tal, as plantas é necessária a utilização de plantas que possuam determinadas características como, por exemplo: boa capacidade de absorção, acelerada taxa de crescimento, sistema radicular profundo, fácil colheita, e principalmente, plantas que que apresentem uma grande resistência ao poluente. 
Bioventilação - bioestimulação por meio da adição de gases estimulantes, como O2 e CH4, para aumentar a atividade microbiana decompositora. Os gases quando injetados, fornecem aos microorganismos condições de transporte de oxigênio adequadas, de forma que a degradação possa ser feita de forma eficiente.
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Ex situ
Landfarming: aplicação de contaminantes ou rejeitos contaminados na superfície do solo não contaminado para a estimulação da degradação
Compostagem: decomposição aeróbia de resíduos orgânicos por meio de populações microbianas, sob condições controladas
Biopilha: construção de pilhas do próprio solo contaminado para estimulação da atividade microbiana através de uma eficiente aeração
Biorreatores: inoculação do material contaminado juntamente com a microbiota - úteis na degradação de compostos recalcitrantes. 
Landfarming - é baseada na aplicação de contaminantes ou rejeitos contaminados na superfície do solo não contaminado para a estimulação da degradação. Durante o processo o solo é arado e gradeado para promover a mistura uniforme do contaminante e aeração do solo. 
Compostagem – baseada no uso de micro-organismos termofílicos que transformam a o material contaminado em um composto que pode ser utilizado como adubo, ou seja, é a decomposição aeróbia de resíduos orgânicos por meio de populações microbianas, sob condições controladas. Nessa técnica são construídas pilhas para degradar o contaminante onde lá ocorre a transformação do composto orgânico mediante a mistura dos micro-organismos com o material. É um processo barato e fácil de ser monitorado.
Biopilha - envolve a construção de pilhas do próprio solo contaminado para que ocorra uma estimulação da atividade microbiana aeróbia já presente dentro da pilha através de uma eficiente aeração (geralmente através de uma malha de dutos instalados na base da pilha). Em alguns casos, constrói-se um sistema de coleta do lixiviado, principalmente, quando se utiliza um sistema de ajuste de umidade. 
Biorreatores – O biorreator é um tipo de um tanque, onde é inoculado o material contaminado juntamente com a microbiota. Podem ser de vários tipos e são muito úteis em degradar compostos altamente recalcitrantes. É uma técnica considerada de alto custo pois há muitos gastos envolvidos como por exemplo: transporte do material contaminado, construção de equipamentos para uma particular descontaminação, mão-de-obra adicional e energia. São utilizados principalmente por empresas. 
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Baixo custo – utilização de sistemas biológicos;
Mais seguras que tratamentos físicos e químicos;
Possibilidade de tratamento no local contaminado;
Sem adição de qualquer produto químico;
Aplicável a uma grande variedade de contaminantes;
Podem ser acopladas a outras formas de tratamento dependendo da remoção de poluentes desejada;
Vantagens da Biorremediação
Não é considerada uma técnica imediata;
Conhecimento e histórico completo do local contaminado;
Degradação pode não ser completa;
Presença de diferentes compostos intermediários;
Alguns compostos podem ser adsorvidos pelo solo (ou sedimento, ou água)
Desvantagensda Biorremediação
Obrigado
fdandreo@gmail.com
ccfasanella@gmail.com