Biodegradacao aulas1e2 2spp

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16/10/2017
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Biodegradação:
aspectos teóricos e 
aplicações
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
eduardo@biogeotec.com.br
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Uma perspectiva histórica
 Os Romanos – tratamento de esgotos
 A descoberta de degradadores de
hidrocarbonetos
 A descoberta de degradadores de
agrotóxicos
 A descoberta de microrganismos
destoxificantes de metais
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
A diversidade biológica dos 
solos
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Importância dos 
Microrganismos do solo
 Formação do solo
 Biofertilizantes
 Controle biológico de doenças e pragas
 Fonte de genes para a engenharia
genética
 Ciclagem de nutrientes
 Degradação de poluentes
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Comportamento ambiental de poluentes
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
* Degradação:
- “conversão de uma molécula orgânica em outras de menor
energia”
- “processo de alteração na estrutura molecular, 
transformando uma substância em componentes menores
ou mais simples por meios bióticos ou abióticos”
- “perda de atividade ou desaparecimento do xenobiótico”
- “Toda e qualquer transformação estrutural que uma
molécula orgânica natural ou xenobiótica pode sofrer, por
meios biótico ou abiótico, resultando na perda de sua
atividade original”
* Biotransformação ou biodegradação:
- “degradação parcial de uma molécula orgânica mediada
por organismos ou enzimas livres”
- “transformação biológica de um composto químico
orgânico para outra forma, sem se referir a extensão”
Definições
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
* Mineralização:
“conversão completa de uma molécula orgânica em 
compostos inorgânicos e biomassa”
* Remediação:
- “Conjunto de tecnologias adotadas para redução ou 
eliminação de compostos perigosos ao ambiente”
* Biorremediação:
- “Conjunto de tecnologias que empregam processos 
biológicos isoladamente ou associados a técnicas de 
engenharia para redução ou eliminação de compostos 
perigosos ao ambiente”
Definições
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Principais reações bioquímicas envolvidas
no metabolismo microbiano de pesticidas:
- Reações oxidativas
- Reações redutivas
- Reações hidrolíticas
- Reações sintéticas
(conjugação e condensação ou
polimerização)
Biodegradação
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Processos de transformação microbiana:
- Catabolismo
- Cometabolismo
- Polimerização ou conjugação
- Acumulação
- Efeitos secundários de atividade
microbiana
Biodegradação
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biodegradação associada ao
crescimento microbiano
* Microrganismos utilizam moléculas orgânicas como 
fonte de C e energia para produção de biomassa
* Biodegradação associada ao crescimento resulta em 
mineralização
* C-orgânico é convertido em CO2 e componentes 
celulares
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biodegradação associada ao
crescimento microbiano
Dinâmica do crescimento 
microbiano e degradação 
de contaminante em uma
Biodegradação Ideal
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biodegradação associada ao
crescimento microbiano
Bactérias utilizam 4-nitrofenol como fonte de C para 
produção de biomassa, em esgoto com 2 mg L-1 de 
4-nitrofenol
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Degradação de 2,4,5-T 
em diferentes solos
Aclimatação, Adaptação ou Fase Lag
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Causas do período de aclimatação
* Proliferação de pequenas populações
* Presença de compostos ou concentrações tóxicas
* Predação por protozoários
* Seleção de novos genótipos
* Diauxia
* Indução da síntese de enzimas
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Causas do período de aclimatação
Diauxia
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Causas do período de aclimatação
Indução da síntese de enzimas
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Degradação Acelerada
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Cometabolismo
* Degradação de uma molécula orgânica por
microrganismos incapazes de utilizá-la como
fonte de energia. A população metabolicamente
ativa não obtém benefícios nutricionais do
substrato cometabolizado.
* Exemplos: DDT; 2,4,5-T; fenol; PCBs
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Cometabolismo
Razões para sua ocorrência:
* Enzimas iniciais geram produtos não 
metabolizáveis por outras enzimas;
* Produtos gerados inibem atividade enzimática
subsequente ou suprimem crescimento
microbiano;
* Necessidade de um segundo substrato para
promover uma reação específica (ex.: doador
de elétron)
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Adsorção x degradação
* Redução da biodisponibilidade
* Formação de resíduos ligados
* Efeitos estimulantes à biodegradação
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Surfactantes x degradação
* Aumento da solubilidade
* Redução do contato bactéria-contaminante
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tempo (anos)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
%
 R
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1
10
100
Fenóis (10%)
Ceras (25%)
Lignina (50%)
Celulose (75%)
Hemicelulose (90%)
Açúcares Simples (99%)
Taxa de biodegradação depende da 
complexidade da molécula
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Taxa de biodegradação depende da 
complexidade da molécula
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Taxa de biodegradação depende da 
complexidade da molécula
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Alcanos C10-C9
Alcanos C12-C18 cadeia linear
Gases C2-C4
Alcanos C5-C9
Alcanos até C12 ramificados
Alcenos C3-C11
Alcenos ramificados
Aromáticos
Cicloalcenos
Biodegradabilidade de
hidrocarbonetos
B
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-
+ -
+
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
* Existir enzimas necessárias para biodegradação 
(microrganismo ativo ou enzima no solo)
* Microrganismo ou enzima devem estar presentes 
no ambiente contendo a molécula a ser degradada
* A molécula deve estar acessível à enzima
* Se a enzima for extracelular, a região de ligação à 
molécula deve estar exposta
* Se a enzima for intracelular, a molécula deve 
penetrar através da membrana plasmática
* As condições ambientais devem ser favoráveis ao 
crescimento do microrganismo envolvido na 
degradação e à atividade enzimática
Condições para que ocorra
biodegradação
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Destoxificação
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Ativação
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Recalcitrância
O que define a recalcitrância de um
composto?
* Sorção de compostos, microrganismos e
enzimas
* Características edafo-climáticas desfavoráveis
* Não existência de enzimas de degradação
* Impermeabilidade da célula microbiana
* Cometabolismo
* A estrutura molecular do composto
* A sua toxicidade
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biodegradação: Aplicações
* Suporte a ferramentas de predição
comportamental
* Tratamento de efluentes industriais
* Tratamento de resíduos sólidos
* Remediação de áreas contaminadas
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Suporte à predição:
Legenda
High : 1040 m
 
Low : 460 m
Exportado (g/ha)
 0,000 (0,00%)
0,000 - <0,009 (0,00%)
0,009 - <0,029 (0,00%)
0,029 - <0,158 (0,00%)
0,158 - <7,586 (0,00%)
7,586 - <105,003 (25,00%)
105,003- <270,336 (25,00%)
270,336 - <339,093 (12,50%)
339,093 - <461,806 (12,50%)
461,806 - <610,651 (12,50%)
610,651 - <1080,242 (9,10%)
1080,242 - 1357,900 (3,40%)
Ano1
Exportado (g/ha)
 0,000 (4,50%)
0,000 - <0,009 (2,30%)
0,009 - <0,029 (6,80%)
0,029 - <0,158 (61,40%)
0,158 - <7,586 (25,00%)
7,586 - <105,003 (0,00%)
105,003 - <270,336 (0,00%)
270,336 - <339,093 (0,00%)
339,093 - <461,806 (0,00%)
461,806 - <610,651 (0,00%)
610,651 - <1080,242 (0,00%)
1080,242 - 1357,900 (0,00%)
Ano2
Exportado (g/ha)
 0,000 (46,60%)
0,000 - <0,009 (47,70%)
0,009 - <0,029 (5,70%)
0,029 - <0,158 (0,00%)
0,158 - <7,586 (0,00%)
7,586 - <105,003 (0,00%)
105,003 - <270,336 (0,00%)
270,336 - <339,093 (0,00%)
339,093 - <461,806 (0,00%)
461,806 - <610,651 (0,00%)
610,651 - <1080,242 (0,00%)
1080,242 - 1357,900 (0,00%)
Ano3
Exportado (g/ha)
 0,000 (100,00%)
0,000 - <0,009 (0,00%)
0,009 - <0,029 (0,00%)
0,029 - <0,158 (0,00%)
0,158 - <7,586 (0,00%)
7,586 - <105,003 (0,00%)
105,003 - <270,336 (0,00%)
270,336 - <339,093 (0,00%)
339,093 - <461,806 (0,00%)
461,806 - <610,651 (0,00%)
610,651 - <1080,242 (0,00%)
1080,242 - 1357,900 (0,00%)
Ano4
Gestão de fontes difusas de poluição em Bacias
Hidrográficas
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Suporte à predição:
Modelamento de plumas de contaminantes
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Degradação de corantes têxteis
* Brasil é 7º maior produtor têxtil mundial
* SP possui aproximadamente 1950 indústrias
* Problemas ambientais
- Metabólitos reativos
- Turbidez nas águas superficiais
- Difícil degradação
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Descoloração de corantes têxteis
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Descoloração de corantes têxteis
KAMIDA, H.M. (2004)
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Descoloração de corantes têxteis
Descoloração
(biodegradação)
(ação de enzimas ligninolíticas)
Metabólitos secundários
Produtos tóxicos e ou
mutagênicos
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Degradação de vinhaça
* Resíduo ácido (pH 4,0 a 4,8)
* Alta DBO (42.000 a 100.000 mg/L) e DQO (10.000
a 210.000 mg/L)
* Odor forte
* Coloração escura devido a melanoidinas
* Elevado conteúdo mineral (K, Ca e Mg)
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Degradação de vinhaça
FERREIRA, L.F.R. (2009)
Degradação de vinhaça em meio sintético para
fungos
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Degradação de vinhaça
FERREIRA, L.F.R. (2009)
Parâmetros Vinhaça 100% Vinhaça tratada
pH (20ºC) 3,95 5,34
DQO (mg L-1) 42.000 7.240
DBO (mg L-1) 11.310 2.795
Sólidos suspensos totais (mg L-1) 5.969 204
Condutividade elétrica (µS/cm) 8.630 7.070
N total (mg L-1) 70 112
K (mg L-1) 2.272 2.093
P (mg L-1) 200 29
Mg (mg L-1) 290 220
Na (mg L-1) < 50 442
Ca (mg L-1) 460 140
Índice de fenóis (mg L-1) 1,1 0,02
Caracterização do resíduo
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de Efluentes Industriais:
Degradação de vinhaça
FERREIRA, L.F.R. (2009)
Tratamentos P. subcapitata D. magna D. similis H. attenuata
CI50 CL50 CL50 CL50 CE50
Vinhaça pura 1,58 3,59 2,21 2,25 2,05
Vinhaça tratada 14,91 65,95 21,02 17,68 12,03
Toxicidade de vinhaça pura e tratada
Valores expressos em porcentagem (% v/v)
Daphnia magna
Hydra attenuata
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de resíduos sólidos:
Compostagem
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Tratamento de resíduos sólidos:
Compostagem
* Controle da umidade
* Controle da temperatura
* Adequação da Relação C/N
Relação C/N/P/S e disponibilidade de nutrientes
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Remediação de áreas contaminadas
255
727
1336
1504
1596 1664
1822
2272
2514
2904
3675
4131
4572
4771
5148
5376
5662
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
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Evolução do número de áreas contaminadas cadastradas no Estado de São Paulo
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Remediação de áreas contaminadas
300
5% 1002
18%
172
3%
4137
73%
51
1%
Distribuição de áreas contaminadas no Estado de São Paulo por atividade
- dezembro 2016 - TOTAL: 5662 áreas
Comercial
Industrial
Resíduos
Postos de combustível
Acidentes / desconhecida
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Remediação de áreas contaminadas
1
10
100
1000
10000
So
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38233121
2283
910
400
175
127
75
104
40 40
15
77
27
12
8 7
421
Grupos contaminantes em áreas contaminadas no Estado de São Paulo 
- dezembro 2015 -
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Remediação de áreas contaminadas
1025
18%
521
9%
1424
25%
74
1%
1631
29%
987
18%
Distribuição de áreas contaminadas no Estado de São Paulo quanto a classificação
- dezembro 2016 -
Contaminada sob investigação (ACI)
Contaminada com risco confirmado (ACRi)
Em processo de monitoramento para
encerramento (AME)
Contaminada em processo de reutilização
(ACRu)
Em processo de remediação (ACRe)
Reabilitada para uso declarado (AR)
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Remediação de áreas contaminadas
1
10
100
1000
10000
B
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10681086
729 633 509
302
174
238
77 67 63
39
16
10 9
7
4
8
11
4
1
Técnicas de remediação implantadas em áreas contaminadas no Estado de São Paulo 
- dezembro 2015 -
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
 Técnicas ex-situ (on-site ou off-site)
- Land farming
- Biopilha
- Biorreatores
- Biodegradaçãofúngica
- Biofilmes
 Técnicas in situ (Bioaumento vs.
Bioestímulo)
- Tratamento de solo ou land treatment
- Biodegradação fúngica
- Biorremediação melhorada de solo e aqüífero
- Fitorremediação
- Bioventilação ou Bioventing
- Bioslurping (extração associada a injeção de ar
e/ou nutrientes)
- Atenuação natural monitorada
Biorremediação
16/10/2017
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Landfarming
* Resíduos sólidos com elevado conteúdo de C
* Suplementação de N e P
* Suplementação de O2
* Técnica de baixo custo
* Requer grandes áreas
* Demanda tempo para remediação (meses)
* Utilizado pelas petroquímicas brasileiras
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Landfarming
16/10/2017
26
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Biopilha
* Variação para solos de elevada resistência física
* Aplicado para situações que requerem maior 
controle
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Biorreatores
* A tecnologia do controle total
* Aplicado a resíduos líquidos
* Células microbianas em suspensão ou 
imobilizadas
* Diversas configurações existentes
16/10/2017
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Biorreatores
* Degradação de PCE em Reator Horizontal de Leito
Fixo (RHLF)
* Uso de consórcio microbiano imobilizado
* Degradação estratificada
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Biorreatores
Degradação de PCE em RHLF
16/10/2017
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Fitorremediação
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Fitorremediação
16/10/2017
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Bioventing
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Bioventing
16/10/2017
30
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Biosparging
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Biorremediação
Bioestímulo: Oxidação
16/10/2017
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Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Ineficiência de inoculações na degradação de
xenobióticos
* Limitação de nutrientes: N, P, O2
* Supressão por predadores e parasitas
(protozoários, bacteriófagos, espécies
produtoras de enzimas líticas)
* Deficiência em movimentação da bactéria
inoculada
* Utilização de fontes alternativas de C
* [ ] do xenobiótico abaixo do limiar de
biodegradação
Biorremediação
Bioaumento: inoculantes
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas
Ineficiência de inoculações na degradação de
xenobióticos
* Concentração elevada do xenobiótico
(toxicidade)
* Retenção do xenobiótico (baixa ação do
microrganismo)
* Presença de substâncias tóxicas no meio
* Necessidade de cometabólitos
* Temperatura, pH, salinidade
* Toxinas
Biorremediação
Bioaumento: inoculantes
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Biorremediação
Vantagens da Biorremediação:
* Possibilidade de ser executada no local
contaminado
* Mais econômica que as técnicas
convencionais
* Eliminam permanentemente a contaminação
* Boa aceitação da opinião pública
* Podem ser associadas com outros métodos
químicos ou físicos de tratamento
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Biorremediação
Limitações da Biorremediação:
* Diversas substâncias não são susceptíveis à
biodegradação (metais pesados,
radionuclídeos, alguns organoclorados)
* Formação de metabólitos tóxicos
* Manutenção do inóculo em níveis adequados
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Bibliografia recomendada
ALEXANDER, M. Biodegradation and bioremediation. 
2.ed., 1999.
KING, R.B. et al. Practical Environmental 
Bioremediation: the field guide. 1997.
STEGMANN, R. Treatment of contaminated soil: 
fundamentals, analysis, applications. 2001.
WISE, D.L. et al. Bioremediation of contaminated soils. 
2000.
WISE, D.L. & TRANTOLO, D.J. Remediation of 
hazardous waste contaminated soils. 1994.
Eng. Agr., Dr. Eduardo Dutra de Armas