Degradação de xenobióticos parte 1

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BIODEGRADAÇÃO DE 
CONTAMINANTES ORGÂNICOS 
Profa. Daniele de Oliveira Bezerra de Sousa 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E BIOLOGIA MOLECULAR 
CURSO DE BACHARELADO EM BIOTECNOLOGIA 
DISCIPLINA: BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL 
 
Quais compostos orgânicos 
 
• Xenobióticos – Compostos não pertencentes a organismos 
vivos e que têm a característica de se acumularem no meio-
ambiente. 
 
• Pesticidas 
• Combustíveis 
• Solventes 
• Hidrocarbonetos policíclicos 
• Antibióticos 
• Corantes azo 
• Dioxinas e bifenilas policloradas 
• Nitrocompostos 
• Compostos aromáticos 
• etc 
 
 
 
 
Organismos envolvidos na degradação de 
xenobióticos 
AERÓBIOS 
 
• Pseudomonas 
• Escherichia 
• Sphingobium 
• Pandoraea 
• Rhodococcus 
• Gordonia 
• Bacillus 
• Moraxella 
• Micrococcus 
ANAERÓBIOS 
 
• Pelatomaculum 
• Desulfotomaculum 
• Syntrophobacter 
• Syntrophus 
• Desulphovibrio 
• Methanospirillum 
• Methanosaeta 
• Moraxella 
• Micrococcus 
Biodegradação de compostos orgânicos 
 
• Biodegradação – Degradação de compostos orgânicos por 
microrganismos ou plantas através de vias metabólicas que 
resultam na oxidação da molécula parental. 
 
 
Degradação completa - Mineralização 
 
 
Degradação incompleta 
 
 
 
Degradação incompleta e formação de polímeros 
 
• É quando ocorre a oxidação de uma molécula (xenobiótico) 
que, normalmente, não seria alvo das enzimas microbianas. 
Entretanto, na presença do substrato natural das enzimas ela 
passa a ser oxidada; 
 
• Substrato primário x Substrato secundário 
 
• O substrato secundário somente é oxidado na presença do 
substrato primário pois este último é quem atua ativando 
enzimas e fornecendo energia para sua oxidação. Essas 
enzimas, na maioria das vezes, são NÃO específicas. 
 
• Há casos em que a degradação não é completa 
 
 
 
 
 
 
 
Co-metabolismo 
Fatores que 
interferem na 
degradação 
 Nível máximo de atividade microbiana 
esperado em determinada condição ambiental 
Capacidade de carga 
 Pode ser limitada por fatores biológicos e físico-
químicos (baixo número de microrganismos, quantidade 
insuficiente de oxigênio ou nutrientes, temperatura e 
disponibilidade de água) e propriedades físico-químicas 
dos contaminantes. 
 
Estrutura do contaminante e potencial genético 
 A eficiência da degradação depende da similaridade 
estrutural do contaminante com substratos naturais do 
ambiente e da adaptação do microrganismo ao ambiente 
contendo o poluente (indução de enzimas e aumento no 
número de microrganismos) 
 
 
 
Estrutura do contaminante e potencial genético 
 A eficiência da degradação depende da similaridade 
estrutural do contaminante com substratos naturais do 
ambiente e da adaptação do microrganismo ao ambiente 
contendo o poluente (indução de enzimas e aumento no 
número de microrganismos) 
 
 
 
 Se não há similaridade e nem 
adaptação é necessária uma alteração genética no 
microrganismo (mutação ou transferência de genes) que 
possibilite o desenvolvimento de uma nova via metabólica 
 Essas mudanças genéticas podem levar semanas, anos 
ou, simplesmente, nunca ocorrerem! 
 
 
 
Características químicas do contaminante 
 
• Impedimentos estéricos 
(ramificações e grupos 
funcionais) 
 
• Bloqueio do sítio ativo de 
enzimas 
 
• Alterações no transporte dos 
compostos através da 
membrana celular 
 
 
 
 
 
 
Características químicas do contaminante 
 
• Efeitos eletrônicos 
 
• Grupos funcionais que aumentam a densidade de elétrons no sitio 
ativo de enzimas – Aumento na taxa de degradação 
 
• Grupos funcionais que diminuem a densidade de elétrons no sitio 
ativo de enzimas – Diminuição na taxa de degradação 
 
 
 
 
 
Características químicas do contaminante 
Toxicidade do contaminante 
• A toxicidade do contaminante para os microrganismos 
pode prolongar o tempo de remediação; 
 
• Compostos lipofílicos - Hidrocarbonetos e solventes 
orgânicos 
 
• Interação e rompimento da integridade das membranas 
celulares 
 
 
 
 
 
 
 
Biodisponibilidade do contaminante 
 
 
• Os estudos para aumento na taxa de degradação de compostos 
orgânicos, não devem ser voltados apenas para a caracterização de 
novas enzimas e genes. É preciso estar atento à disponibilidade dos 
compostos. 
Baixa solubilidade em água 
 
Compostos fortemente adsorvidos ao solo ou 
sedimentos (ligações covalentes) 
 
Compostos mais densos ou menos densos que a 
água (baixo acesso aos compostos) 
 
Presença de contaminantes em micro sítios 
existentes no solo. 
 
Incorporação dos contaminantes ao húmus 
(humificação) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Baixa 
disponibilidade 
 
 
 
 
 
 
• Captação do contaminante 
 
(A)Contato com composto 
solubilizado na água 
 
(B)Contato na interface 
água-hidrocarboneto 
 
(C)Contato com gotículas 
dispersas 
 
(D)Uso de surfactantes 
 
Biodisponibilidade do contaminante 
Biodisponibilidade do contaminante 
Zona Vadosa Zona Saturada 
Biodisponibilidade do contaminante 
Disponibilidade de oxigênio e matéria orgânica 
 
• Alguns compostos são degradados apenas 
aerobicamente. 
 
Ex: Hidrocarbonetos do petróleo ou compostos 
altamente reduzidos como alcanos 
 
• Alguns compostos são degradados por vias 
anaeróbicas. 
 
Ex: compostos altamente clorados 
 
• Baixo teor de matéria orgânica Baixo número de 
microrganismos 
 
 
 
 
 
 
 
Disponibilidade de oxigênio e matéria orgânica 
Disponibilidade de nitrogênio 
 
• Biomassa de microrganismos – Proporção C:N (5:1 a 10:1) 
 
• Fornecimento de N (C:N de 200:1) 
 
• Fornecimento de P (C:P de 1000:1) 
 
Exemplo: Regiões onde houve derramamento de óleos do 
petróleo há escassez de nitrogênio sendo necessário o 
fornecimento C, N e P nesses locais. 
Condições ambientais 
Temperatura 
 
• Degradação de hidrocarbonetos - Temperatura até 30 ˚C 
 
• Flutuações nas temperaturas podem afetar as taxas de degradação 
 
 
 
• Maiores taxas de degradação em pH neutro 
 
• Eventualmente pode haver degradação em pH ácido (2 a 3) 
 
 
 
• Moderada ou alta concentração de sal pode afetar a degradação de 
hidrocarbonetos mesmo em ambientes marinhos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Salinidade 
pH 
Xenobióticos mais problemáticos 
 
• Pesticidas clorados 
 
• Alta resistência a biodegradação 
• Grande hidrofobicidade 
• Alta afinidade pela matéria orgânica do solo e lipídeos teciduais 
(bioacumulação) 
• Condições mais propícias para a degradação – anaerobiose. 
• Desalogenação redutiva – Condições fortemente redutoras nem 
sempre são encontradas no ambiente. 
• Garantia da completa degradação? 
• Criação de produtos mais tóxicos? 
 
 
 
 
 
Xenobióticos mais problemáticos 
 
• Pesticidas clorados 
 
 
 
Xenobióticos mais problemáticos 
 
• Detergentes 
 
• Aniônicos 
• Catiônicos – Muitos são tóxicos para microrganismos 
• Não-iônicos 
 
 
Xenobióticos mais problemáticos 
 
• Pesticidas organofosforados 
 
• Extremamente tóxicos mas facilmente degradados em 
meio aquoso (enzimaticamente ou quimicamente); 
 
 
 
 
 
 
Malation 
Vias de degradação 
 
• Aeróbicas – Ação de mono-oxigenases ou dioxigenases com 
geração de intermediários que serão conduzidos ao ciclo de 
Krebs 
• Utilização de oxigênio como aceptor de elétrons 
 
 
• Anaeróbicas 
 
• Utilização de nitrato, sulfato, manganês, ferro, carbonato 
etc, são os aceptores de elétrons (respiração anaeróbica) 
 
• Metanogênese- Produção de metano em condições 
anóxicas 
 
 
 
Vias de degradação 
Microrganismo 
+ 
Fonte de carbono 
(Glicose) 
+ 
Fonte de nitrogênio 
(NH3) 
+ 
Nutrientes 
+ 
O2 (aceptor de elétrons) 
Microrganismo 
+ 
Fonte de carbono 
(Glicose) 
+ 
Fonte de nitrogênio 
(NH3) 
+ 
Nutrientes 
+ 
NO3, CO2, Fe3
+, SO4
2- 
(aceptor de elétrons) 
Novas 
células 
 
+ 
 
CO2 
 
+ 
 
H2O 
 
+ 
 
CH4 (Em 
anaerobiose
) 
Hidrocarbonetos aromáticos 
• BTEX – Combustíveis e 
solventes; 
 
• Intermediários do 
processo de degradação: 
catecol e protocatecoato 
 
Degradação de hidrocarbonetos aromáticos 
• Hidrocarbonetos aromáticos apresentam grande estabilidade 
termodinâmica; 
 
• Como alguns deles são produzidos endogenamente então muitos 
microrganismos têm desenvolvido vias catabólicas para degradar esses 
compostos. 
 
• Plasmídeos catabólicos para a degradação desses compostos 
 
• Via principal: aeróbica 
Hidrocarbonetos aromáticos não substituídos – 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
Hidrocarboneto aromático 
Catecol (ou outros compostos 
aromáticos dihidroxilados) 
Hidroxilação (Dioxigenases) 
Orto-clivagem (intradiol dioxigenases) 
OU 
Meta-clivagem (extradiol dioxigenases) 
Cis-cis-muconato 
Acetil-CoA 
β- oxidação 
Bactérias Ciclo de Krebs 
Hidrocarbonetos aromáticos não substituídos – 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
Citocromo P-450 
Isomerização 
Hidratação 
Microrganismos eucarióticos (maioria) – Não mineralizam 
aromáticos 
Hidrocarbonetos aromáticos não substituídos – 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
Citocromo P-450 
Isomerização 
Hidratação 
Microrganismos eucarióticos – Não mineralizam aromáticos 
 
Não são 
mineralizados 
completamente! 
Hidrocarbonetos aromáticos – CONDIÇÕES 
AERÓBICAS 
Fungos lignolíticos – Degradação de compostos aromáticos 
como a lignina 
 
• Produção de enzimas extracelulares (lacases e peroxidases) 
Geração de radicais livres de 
oxigênio – reação com lignina 
Phanerochaete chrysosporium 
Hidrocarbonetos aromáticos não substituídos – 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
Hidrocarbonetos poliaromáticos 
(HPA ou PHA) 
 
• Um, dois ou três anéis 
condensados – rápida e completa 
mineralização 
 
• Quatro ou mais anéis – 
Transformação lenta 
(cometabolismo) por conta da 
baixa biodisponibilidade (baixa 
solubilidade em água e grande 
interação com partículas do soloHidrocarbonetos aromáticos não substituídos – 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
Bifenilas 
2,3-dihidro-2,3-dihidroxibifenila 
• Estrutura molecular 
semelhante às bifenilas 
policloradas que são 
compostos altamente 
tóxicos e recalcitrantes. 
Hidroxilação 
2,3-dihidroxibifenila 
Benzoato (catecol, etc) 
2-hidroxi-6-oxo-6fenilhexa-2,4-
dienoato 
Quebra do anel 
Hidrocarbonetos aromáticos substituídos– 
CONDIÇÕES AERÓBICAS 
• Introdução de grupos 
substituintes no benzeno 
aumenta a possibilidade 
de degradação. 
 
• Tolueno – O mais 
simples composto 
derivado do benzeno 
Hidrocarbonetos aromáticos substituídos ou não – 
CONDIÇÕES ANAERÓBICAS 
• Produção de benzoil-CoA 
 
• OBS: incluindo os BTEX 
 
• Compostos oxigenados – Biodegradação rápida 
• 1 mol de BTEX pode gerar 3 mol de acetil CoA e 1 mol de 
CO2 
Hidrocarbonetos aromáticos substituídos ou não – 
CONDIÇÕES ANAERÓBICAS 
Hidrocarbonetos aromáticos – CONDIÇÕES 
ANAERÓBICAS 
Consórcio de microrganismos 
Hidrocarbonetos 
Aromáticos Clorados 
Degradação de compostos aromáticos clorados 
• Usados como solventes ou pesticidas (pentaclorofenol, DDT, 
2,4-D) 
 
• Dificuldade na formação de catecol devido ao bloqueio do 
cloro 
 
• Quanto mais cloro, maior a toxicidade 
 
Degradação de compostos aromáticos clorados 
• Usados como solventes ou pesticidas 
 
• Dificuldade na formação de catecol devido ao bloqueio do 
cloro 
 
• Quanto mais cloro, maior a toxicidade 
 
Estratégia utilizada por algumas 
bactérias: Remoção dos halogênios 
através de reações denominadas 
desalogenações 
Desalogenação de compostos aromáticos halogenados 
 
• Desalogenação oxidativa – Neste processo os halogênios são perdidos 
durante a oxigenação do anel. 
 
• Desalogenação hidrolítica – Neste caso um grupo hidroxila, proveniente de 
uma molécula de água, desloca um halogênio. 
 
• Desalogenação redutiva - Reduz o grau de cloração da molécula e 
consequentemente torna o produto mais acessível à mineralização pelas 
bactérias aeróbicas. 
 
• Ocorre em condições aneróbicas 
• Dividido em conversão metabólica ou cometabólica 
 
• Desalogenação fototrófica – Utilizada por bactérias que crescem 
fototroficamente sob condições anaeróbicas usando xenobióticos. 
 
Degradação de pentaclorofenol 
• Muito tóxico 
 
• Devido a presença do cloro esse composto é um ácido relativamente forte 
quando comparado ao fenol. 
 
• São degradados tanto pela via aeróbica como anaeróbica. 
 
• Fenóis menos clorados - + via aeróbica 
• Fenóis mais clorados - + via anaeróbica 
 
Degradação de pentaclorofenol (pesticida) 
Pentaclorofenol (PCP) 
Composto menos clorado e 
hidroxilado 
Oxigenases 
Ácido benzoico 
Oxidação 
Clivagem 
Oxidação 
Via aeróbica 
Substituição de -Cl por –OH 
(desalogenação oxigenolítica) 
Degradação de pentaclorofenol (pesticida) 
PCB (aceptor de elétrons) 
Hidrocarboneto 
Via anaeróbica 
(desalogenação redutiva) 
Sedimentos, detritos 
orgânicos, partículas orgânicas 
do solo, algas mortas, etc. 
(doadores de elétrons) 
Cl- 
Cl- 
Cl- 
Cl- 
(menos tóxicos e talvez 
susceptível a degradação 
aeróbica) 
Cl- 
Bifenilas policloradas (PCBs) 
Degradação de bifenilas policloradas (PCBs) 
• Utilizadas desde 1930 – Capacitores elétricos, transformadores, adesivos, 
corantes, etc. 
 
• Em torno de 210 tipos 
 
• Altamente recalcitrantes 
 
• Degradação – condições ambientais e microrganismos adequados devem 
estar presentes concomitantemente. 
 
• Degradação – Condições de aerobiose e anaerobiose. 
• Moléculas menos cloradas – + Aerobiose 
• Moléculas mais cloradas - + Anaerobiose 
 
Degradação de bifenilas policloradas (PCBs) 
• A recalcitrância aumenta com o aumento do número de cloro na 
molécula. 
 
• A halogenação torna o composto mais eletrofílico dificultando a ação 
das oxigenases bacterianas. 
 
• Melhores condições para degradação – Consórcio entre microrganismos 
aeróbios e anaeróbios 
 
• Etapa crítica na degradação – Quebra das ligações carbono-halogênio 
Dioxinas 
Degradação de dioxinas 
• Compostos produzidos como sub-produtos de uma variedade de processos 
(branqueamento de polpa celulósica, incineração de lixo, produção de 
solventes, etc); 
 
• 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina(TCDD) – Um dos compostos 
sintéticos mais venenosos já produzido. 
 
• Teratogênico e carcinogênico 
• Pode causar cloro acne, perda de peso, insônia, hepatotoxicidade, 
aborto espontâneo, etc. 
 
• Altamente resistentes a degradação (lipossolúveis) 
 
• Degradação aeróbica e anaeróbica. 
Degradação de dioxinas 
Dioxinas 
Análogos Mono- e 
dihidroxilados 
Monoxigenases ou 
dioxigenases 
(acúmulo sem que haja 
degradação posterior) 
Processo muito 
lento 
Aerobicamente 
Desalogenação 
redutiva 
Composto desalogenado 
Anaerobicamente 
Algumas espécies de bactérias 
entretanto podem utilizar dioxigenases 
específicas que geram produtos 
completamente biodegradáveis 
Nitrocompostos 
Degradação de nitrocompostos 
2,4-dinitrotolueno 
Redução 
 
• Produzidos pela indústria de 
corantes, plásticos e explosivos. 
 
• Compostos tóxicos, 
mutagênicos e desacopladores 
da fosforilação oxidativa. 
 
• Compostos com 1 ou 2 grupos 
nitro são mais facilmente 
degradados 
Compostos 
contendo grupos 
nitro e amino que 
serão acumulados 
A redução além de ser feita 
por enzimas pode também 
ocorrer abioticamente. 
Mono- ou 
dioxigenases 
 
Retirada de 
grupos nitro e 
inserção de –OH 
com subsequente 
mineralização 
Degradação de nitrocompostos 
TNT 
Redução dos grupos 
nitro para formação 
de grupos amino 
 
Compostos contendo grupos 
amino (podem interagir com o solo 
ou outros componentes gerando 
produtos não degradáveis) 
Muito comum a presença no solo de 
intermediários contendo grupos 
nitro e amino 
2,4,6-trinitrotolueno (TNT) 
Rapidamente 
transformados mas não 
completamente 
mineralizados 
Qual desses compostos é mais facilmente 
degradado? 
Ácido 2,4-
diclorofenoxiacético (2,4-D) 
X 
Ácido 2,4,5-
triclorofenoxiacético (2,4,5-T) 
Qual desses compostos é mais facilmente 
degradado? 
Propham 
X 
Propachlor 
Qual desses compostos é mais facilmente 
degradado? 
Aldrin 
X 
Carbaryl 
Qual desses compostos é mais facilmente 
degradado? 
Methoxychlor 
X 
DDT 
(diclorodifeniltricloroetano)