Biodegradação

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Química Ambiental
Eng. M.Sc. Cleber Vitorio
INTRODUÇÃO
- Xenobióticos podem se tornar poluentes caso
determinem efeitos indesejáveis – toxicidade e
concentração.
- Microrganismos: papel fundamental nos ciclos
biogeoquímicos e são os grandes responsáveis pela
completa degradação ambiental de muitos
xenobióticos.
PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO
 DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS 
ORGÂNICOS
a) Hidrólise
- pH, presença de catalisadores, temperatura, força
iônica.
- Compostos potencialmente suscetíveis: amidas,
aminas, nitrilas, etc.
- Compostos resistentes: fenóis, alcanos, alcenos,
alcinos, hidrocarbonetos aromáticos, pesticidas, etc.
b) Fotólise
- Propriedades da substância e do ambiente.
- Fotodegradação: origem de compostos mais
hidrossolúveis e menos voláteis.
- Pesticidas que sofrem fotólise: malation (15
horas), mirex (1 ano).
- Hidrocarbonetos aromáticos que sofrem
hidrólise: naftaleno (70 horas), benzopireno (1
hora).
c) Dissociação
- Vários compostos orgânicos podem atuar como
ácidos ou bases.
 DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS
INORGÂNICOS
a) Complexação
- Combinação dos íons inorgânicos com agentes
complexantes presente no meio aquoso.
b) Oxidação-redução
- Reações envolvendo transferência de
elétrons.
c) Polimerização
- Moléculas inorgânicas da mesma espécie
reagem entre si, formando moléculas
maiores ou polímeros.
a) Biodegradação: transformação de compostos
orgânicos através da atividade metabólica dos
organismos, especialmente microrganismos – CO2 e
água.
b) Biotransformação: a conversão de um composto
orgânico em estrutura molecular alterada,
induzindo a perda de alguma propriedade
característica da substância, podendo alterar sua
toxicidade por exemplo.
- Compostos orgânicos: biodegradável,
persistente ou recalcitrante.
DEGRADAÇÃO BIÓTICA –
BIODEGRADAÇÃO
 Quatro grupos de compostos orgânicos de
acordo com a periculosidade:
a) Compostos facilmente biodegradáveis e não
tóxicos;
b) Compostos facilmente biodegradáveis e tóxicos;
c) Compostos não biodegradáveis e não tóxicos;
d) Compostos não biodegradáveis e tóxico.
Biodegradabilidade
 Suscetibilidade do composto sofrer a ação dos 
microrganismos
a) Características físicas do composto;
b) Características químicas;
c) Disponibilidade dos microrganismos.
PROCESSOS ENZIMÁTICOS 
NA BIODEGRADAÇÃO
 Oxidação
 Hidroxilação
 Redução
 Hidrólise
 Descarboxilação
 Dehalogenação
 Conjugação
 Dealquilação
BIORREMEDIAÇÃO
Processo de tratamento que utiliza a 
ocorrência natural de microrganismos 
para degradar substâncias toxicamente 
perigosas transformando-as em 
substâncias menos ou não tóxicas.
BIORREMEDIAÇÃO
 Biorremediação natural: processo passivo no qual os 
microrganismos transformam os contaminantes alvos 
em produtos finais inócuos – atenuação natural.
 Biorremediação acelerada: métodos de biorremediação 
que empregam técnicas para estimular a degradação 
dos contaminantes alvos, como adição de oxidantes, 
substrato, nutrientes inorgânicos, microrganismos 
específicos, etc.
BIORREMEDIAÇÃO
Biorremediação “in situ”: resíduo é tratado no
local.
Biorremediação “ex situ”: remoção física do
material contaminado e seu encaminhamento
para o local de tratamento.
Biorremediação “in situ”
BIORREMEDIAÇÃO
 Importante estratégia para a remediação de solos e 
águas subterrâneas porque: 
 Beneficia-se dos processos biogeoquímicos que ocorrem 
naturalmente;
 Destrói ou imobiliza contaminantes, ao invés de 
transferi-los de um meio para outro; e
 Preserva os recursos financeiros se comparado a outras 
tecnologias de remediação. 
TIPOS DE BIORREMEDIAÇÃO
 Bioaumentação: introduz misturas específicas de 
microorganismos em um ambiente contaminado ou 
em um biorreator para iniciar o processo da 
biorremediação.
 Bioestimulação: fornece nutrientes às populações de 
microrganismos, aumentando sua população, 
promovendo o crescimento e consequentemente o 
aumento da atividade metabólica na degradação de 
contaminantes.
Aspectos importantes
 Três aspectos devem ser considerados:
1. A existência de microrganismos com capacidade 
catabólica para degradar o contaminante;
2. O contaminante tem que estar disponível ou acessível 
ao ataque microbiano ou enzimático;
3. Condições ambientais adequadas para o crescimento e 
atividade do agente biorremediador. 
LIMITAÇÕES DA 
BIORREMEDIAÇÃO
Não é uma solução imediata. 
 - Os locais a serem tratados devem estar 
preparados para suportar a ação dos 
microrganismos.
 - Para cada tipo de contaminante, indicam-
se espécies diferentes de microrganismos 
para o processo de biorremediação.
Contaminante Espécie utilizada
Anéis 
aromáticos
Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, 
Arthrobacter, Penicillum, Aspergillus, Fusarium, 
Phanerocheate
Cádmio
Staphlococcus, Bacillus, Pseudomonas, 
Citrobacter, Klebsiella, Rhodococcus
Cobre Escherichia, Pseudomonas
Cromo Alcaligenes, Pseudomonas
Enxofre Thiobacillus
Petróleo
Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillum, 
Cunninghamella
Contaminantes-Espécies
INVESTIGAÇÃO PARA 
BIORREMEDIAÇÃO
a) Identificação dos poluentes em relação ao 
grau de biodegradação (níveis de 
biodegradabilidade)
b) Levantamento do local contaminado
c) Tempo requerido para a biorremediação
d) Fatores econômicos
PASSOS APLICÁVEIS
a) Isolamento do local até segunda 
ordem
b)Definição do método básico de 
biorremediação
c) Determinar os tipos de 
monitoramento
FATORES QUE AFETAM A 
BIORREMEDIAÇÃO
Biodisponibilidade inadequada de 
contaminantes para os microrganismos–
incorporação ao húmus.
 Nível de toxicidade dos contaminantes.
Preferência microbiana, população presente 
no local.
Biossurfactantes
FATORES QUE AFETAM A 
BIORREMEDIAÇÃO
- Degradação incompleta de contaminantes –
metabólitos tóxicos.
- Incapacidade de remover contaminantes em baixa
concentração.
- Esgotamento de substratos preferenciais, e escassez de
nutrientes.
- Disponibilidade de aceptores de elétrons, potencial de
redox.
- Difusão de oxigênio e solubilidade.
MÉTODOS MAIS UTILIZADOS
a) Landfarming: sistema de tratamento em fase
sólida para solos contaminados.
b) Compostagem: processo de tratamento
termofílico e aeróbio, onde ocorre a
transformação do composto orgânico mediante a
mistura dos microrganismos com o material.
MÉTODOS MAIS UTILIZADOS
a) Bioreatores: biorremediação em containeres ou
reatores, para tratamento de efluentes e lodos (Lodo
ativado, filtro biológico, lagoas de estabilização,
lagoas aeradas - degradação microbiana de
compostos orgânicos através do metabolismo aeróbio
facilitado pela disponibilidade de oxigênio mo meio)
b) Bioventilação ou bioeração: injeção de ar ou oxigênio
puro em solos e água subterrânea contaminados,
estimulando a atividade dos microrganismos.
TESTES DE 
BIODEGRADABILIDADE
I. Testes de biodegradabilidade imediata: testes
simples em condições similares às do meio
ambiente.
II. Testes de biodegradabilidade intrínseca:
fornecimento de condições mais favoráveis.
III. Testes de simulação: indicação da taxa de
biodegradação em um compartimento específico.
- Período do ensaio: 28 dias (limitada aclimatação)
- A literatura recomenda 60 a 80% como níveis
aceitáveis para biodegradabilidade imediata.
- Parâmetro avaliado: desprendimento de CO2 ou
consumo de O2, remoção de carbono orgânico.
1) Decaimento da DQO
2) Desprendimento de CO2 em sistema aberto
3) Desprendimento de CO2 em sistema fechado
4) Consumo de oxigênio dissolvido
5) Decaimento de carbono orgânico
TESTES DE BIODEGRADABILIDADE 
IMEDIATA
- Período do ensaio: até 120dias.
- Condições experimentais mais favoráveis: maior
densidade microbiana; maior período de adaptação ou
aclimatação do inóculo; introdução de nutrientes.
- Resultado negativo no teste indica provável
permanência do composto no ambiente.
TESTES DE BIODEGRADABILIDADE 
INTRÍNSECA
Comparação da Produção de CO2
Borra Oleosa 12%
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
Dias acumulados
CO
2 a
cu
m
ul
ad
o 
(m
g)
Solo testemunha + Borra Oleosa 12% pH 5,5
Solo landfarming + Borra Oleosa 12% pH 6,0
Solo landfarming + Borra Oleosa 12% pH 7,5
Comparação de produção de CO2 acumulado durante o período de 111
dias com aplicação de borra oleosa na taxa de 12% no solo testemunha
pH 5,5 e no solo de landfarming pH 6,0 e 7,5.
• Fase I: considerar a estrutura do composto e os
dados existentes em literatura, identificando os
prováveis compartimentos de sua distribuição;
• Fase II: testes de biodegradabilidade imediata –
positivo (não necessita estudos complementares),
negativo (é preciso condições mais favoráveis para
que a biodegradação ocorra);
TESTES DE SIMULAÇÃO
TESTES DE SIMULAÇÃO
• Fase III: teste de biodegradabilidade intrínseca –
negativo(biodegradação ambiental lenta), positivo
(o composto não persistirá no ambiente);
• Fase IV: testes de simulação para obter
informações sobre a extensão da biodegradação em
condições similares às encontradas no ambiente;
• Fase V: testes de campo ou monitoramento
ambiental.
1. Rapidamente biodegradáveis: condições de
equilíbrio ambiental quase que
instantaneamente, uma vez suspenso o seu
lançamento suas concentrações tendem a zero;
2. Praticamente biodegradáveis: meia-vida inferior
ao seu tempo de residência em compartimentos
ambientais específicos, não se acumulam;
CATEGORIAS DE 
BIODEGRADABILIDADE
CATEGORIAS DE 
BIODEGRADABILIDADE
3. Pouco biodegradáveis (persistentes): composto
com meia vida superior ao seu tempo de
residência, persiste por longos períodos, mesmo
após seu uso ter sido interrompido;
4. Não biodegradáveis ou recalcitrantes:
biodegradação próxima a zero, não mostram
evidência de mineralização significativa por
microrganismos, acumula-se e não atingem
concentrações de equilíbrio.
1. Biodegradação de polímeros 
sintéticos e plásticos biodegradáveis
- Indústria produz 40 bilhões de quilos de plástico/ano.
- Dispostos em aterros (grande área) ou incinerados (gases
tóxicos).
- Polímeros (polietileno, poliestireno) são altamente
recalcitrantes e os microrganismos têm dificuldade de
degradá-los.
1. Biodegradação de polímeros 
sintéticos e plásticos biodegradáveis
- Alternativas de plásticos biodegradáveis
(biopolímeros) constituídos associados com amido
obtido por síntese microbiana – poliidroxibutirato
(PHB).
- Biopolímeros são degradados por bactérias
amilolíticas do solo e por fungos (Penicillium,
Aspergillus, Fusarium).
2. Biodegradação do petróleo
- Petróleo principal fonte mundial de combustível.
- O petróleo é uma mistura complexa de
hidrocarbonetos (H e C) – metano, aromático
policíclico.
- Impacto ambiental: resíduos de refinaria de
petróleo, contaminação do solo em áreas
adjacentes, vazamentos de oleodutos e de tanques,
derramamentos acidentais – maré negra.
 A habilidade em degradar hidrocarbonetos não é 
restrita a apenas alguns gêneros de 
microrganismos.
 Vários grupos de bactérias, fungos e actinomicetos tem 
capacidade de degradar hidrocarbonetos.
2. Biodegradação do petróleo
3 características essenciais para a utilização 
de hidrocarbonetos pelos microrganismos:
a) Sistema eficiente de absorção de hidrocarbonetos, com
sítios especiais de ligação e/ou substâncias emulsificante
para o transporte do hidrocarboneto ao interior da célula,
b) Enzimas específicas
c) Especificidade induzida – resposta positiva do organismo
ao petróleo e seus constituintes.
- Acinetobacter, Alcaligenes, Bacillus, Pseudomonas,
Nocardia, Flavobacterium, Klebsiella etc.
- Culturas mistas possuem vantagens sobre cultura pura,
pois a capacidade biodegradativa de uma comunidade é
maior quantitativamente e qualitativamente.
-
- A resistência da comunidade a substâncias tóxicas
pode ser muito maior, quando em culturas mistas.
- A mineralização de compostos xenobióticos requer
muitas vezes a atividade de muitas enzimas.
- Para a degradação de hidrocarbonetos o primeiro
passo é a introdução de oxigênio na molécula.
Utilização de hidrocarbonetos 
pelos microrganismos
- Na mistura de hidrocarbonetos os mais
facilmente degradados e aqueles em maior
concentração são os primeiros que sofrem a
ação microbiana.
- Quanto maior o comprimento da cadeia e a
maior quantidade de ramificações presentes,
mais resistente torna-se o composto.
Utilização de hidrocarbonetos 
pelos microrganismos
3. Biodegradação de compostos orgânicos 
por basidiomicetos lignocelulolíticos
-Subdivisão Basidiomycota: fungos
amplamente distribuídos na natureza,
principalmente sobre madeira em
decomposição e resíduos vegetais.
- Brasil são conhecidas 2500 espécies de
fungos basidiomicetos lignocelulolíticos.
3. Biodegradação de compostos orgânicos 
por basidiomicetos lignocelulolíticos
- Degradam componentes da madeira, celulose,
hemicelulose e lignina, obtendo energia para seu
crescimento e reprodução.
- Os basidiomicetos lignocelulolíticos são os únicos
microrganismos conhecidos com capacidade de
metabolizar completamente a molécula de lignina
a CO2 e H2O. Fungos causam a podridão
branca da madeira.
 Fungos são capazes de degradar vários compostos 
orgânicos recalcitrantes: fenóis clorados 
(pentaclorofenol, triclorofenol, diclorofenol), 
inseticidas (DDT, lindane, dieldrin), anilinas 
cloradas (3,4-dicloroanilina), dioxinas 
(diclorodibenzeno – ρ – dioxina, 
tetraclorodibenzeno -– ρ – dioxina), 
hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (fluoreno, 
antraceno, pireno), corantes (cristal violeta, azul 
de bromofenol, azo corantes).
3. Biodegradação de compostos orgânicos 
por basidiomicetos lignocelulolíticos
3. Biodegradação de compostos orgânicos 
por basidiomicetos lignocelulolíticos
 Lignina
- Vegetais são constituídos por: celulose (40-60%),
hemicelulose (10-30%) e lignina (15-30%).
- Lignina é um polímeros natural de difícil
biodegradação.
- Função na planta: suporte estrutural, envolvendo
células vegetais e impregnando a parede celular,
fornece uma poderosa proteção contra o ataque
microbiano.
Estrutura da lignina
Fonte: American Chemical Society
Lignina
- O processo de formação da lignina resulta na
formação de uma molécula extremamente
complexa – um biopolímero tridimensional, de
alta massa molecular, altamente ramificado, com
estrutura irregular.
- Phanerochaete chrysosporium: basidiomiceto
com capacidade de degradar a lignina.
Lignina
- Despolimerização inicial da lignina ocorre devido
a presença de lacases, peroxidases e outras enzimas
capazes de romper anéis aromáticos.
- Sendo estes fungos dotados da capacidade de
degradar a lignina, eles estão sendo amplamente
utilizados na degradação dos mais variados
compostos orgânicos recalcitrantes – xenobióticos.
Raízes das plantas e a comunidade microbiana
oferece uma estratégia importante para remediação
de solos contaminados.
- Fitorremediação: técnica de biorremediação in situ
de solos contaminados.
FITORREMEDIAÇÃO
FITORREMEDIAÇÃO
- Emprego de sistemas vegetais fotossintetizantes e
sua microbiota com objetivo de descontaminação
de áreas contaminadas.
FITORREMEDIAÇÃO
- A rizosfera tem sido amplamente pesquisada,
devido a sua importância para a produtividade e
degradação de xenobióticos.
- A composiçãoda população de microrganismos é
dependente do tipo de raiz, espécie e idade da
planta, do tipo de solo.
- Não é uma tecnologia amplamente aceita pelos
órgãos de controle ambiental.
- Plantas atuam com três mecanismos:
1) Absorção direta de contaminantes e
subseqüente acumulação de metabólitos não
fitotóxicos nos tecidos da planta;
FITORREMEDIAÇÃO
FITORREMEDIAÇÃO
2) Liberação de exsudatos e enzimas que estimulam
a atividade microbiana e as transformações
bioquímicas;
3) Aumento de mineralização na rizosfera.
- Substâncias alvo: metais pesados (Cd, Zn, Cu, Ni,
etc), pesticidas (atrazina, compostos clorados),
solventes clorados, resíduos orgânicos , etc.
- Vantagens: grandes áreas podem ser tratadas,
com baixo custo.
- Desvantagem: longo tempo, tolerância da
planta utilizada ao poluente, risco de vegetais na
cadeia alimentar.
- Fitorremediação para limpeza de áreas
contaminadas com petróleo.
- Utilização de plantas aquáticas: intensa
absorção de nutrientes e rápido crescimento.
- Macrófitas: Typha dominguense, Eichhornia
crassipes.
Constructed wetlands 
BIOVENTING
 Consiste na passagem de ar pelo interior da zona 
não saturada do solo contaminado, pela 
introdução forçada do ar (extração ou injeção de 
ar) para aumentar a concentração de oxigênio e 
estimular a biodegradação.
Poços Monitoramento
Poços Monitoramento
Poço de Injeção
Fluxo de ar
Solo Contaminado
Compressor de ar
 Bioventing é uma tecnologia que estimula a 
biodegradação natural in situ para qualquer composto 
aerobiamente degradável, disponibilizando oxigênio 
adicional aos microorganismos presentes no solo.
 Diferentemente da técnica de extração de vapor do 
solo, a Bioventing utiliza baixas taxas de fluxo de ar, 
para disponibilizar somente o oxigênio necessário à 
sustentação da atividade microbiológica.
Bioventing
 O oxigênio é normalmente disponibilizado por 
meio da injeção direta do ar no interior do solo 
contaminado.
 A degradação da fase residual de contaminantes se 
realiza pelo movimento lento do vapor através do 
solo biologicamente ativo
 É uma técnica de remediação entre média a 
demorada. O processo de limpeza do solo pode 
durar de alguns meses a vários anos.
Bioventing
 Remediar solos contaminados por hidrocarbonetos de 
petróleo, solventes não clorados, alguns pesticidas, 
preservantes de madeira, e outros químicos orgânicos.
 Pode ser utilizada para alterar o estado de valência dos 
contaminantes inorgânicos e causar sua adsorção, 
incorporação, acumulação, etc.
 Esta técnica, apesar ainda da escala experimental, tem 
mostrado ser promissora na remoção de 
contaminantes inorgânicos.
Aplicabilidade
 Nível d’água pouco profundo, lentes de solo saturado 
ou solos pouco permeáveis diminuem a eficácia da 
técnica Bioventing
Vapores podem escapar do solo dentro do raio de 
influência do poço de injeção. Este problema pode ser 
amenizado pela extração de ar próximo a área alvo
Umidade muito baixa no solo pode limitar a 
biodegradação e a eficácia da técnica
Limitações
 Aconselhável o monitoramento da perda de gases pela 
superfície do solo
Biodegradação aeróbia de muitos compostos clorados 
pode não ser eficiente a menos que haja um co-
metabólito presente, ou um ciclo anaeróbio
Baixas temperaturas podem retardar a remediação, 
embora tenha tido sucesso projetos realizados em 
climas extremamente frios
Limitações
 O ar precisa passar através de todo o solo em 
quantidades adequadas para manter a condição 
aeróbia
Precisa estar presente naturalmente no solo 
microorganismo em quantidade suficiente para se 
obter taxas razoáveis de biodegradação
Testes pilotos para determinar tanto a permeabilidade 
do solo ao ar como a taxa de respiração microbiológica
Necessidades de Projeto
 Granulometria e umidade do solo influenciam 
significativamente a permeabilidade do solo ao gás. 
Uma das maiores limitações à permeabilidade do ar é a 
umidade excessiva do solo. A combinação entre nível 
d’água alto, umidade alta e solo texturalmente fino tem 
inviabilizado a técnica Bioventing em alguns sítios 
contaminados nos EUA.
Necessidades de Projeto
CINÉTICA DE BIODEGRADAÇÃO DE 
NAFTALENO POR Pseudomonas flourescens 
HK44 (MAGALHÃES E VALDMAN, 2005)
O experimento de biodegradação contendo 
inicialmente 10mg/L do poliaromático foi 
realizado na concentração celular 0,2g/L. 
Os resultados obtidos comprovaram o 
potêncial de degradação da cepa HK44, uma 
vez que a remoção real de 54,9% de naftaleno
foi obtida em menos de 2horas.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR 
CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS 
DE Acinetobacter johnsonii
 Acinetobacter johnsonii foi isolada e selecionada a 
partir de amostras coletadas em tanques de lodo 
ativado para tratamento biológico de efluentes de uma 
siderurgia situada em Minas Gerais.
 A bactéria foi submetida a ensaios de crescimento e 
degradação de fenol em diferentes concentrações.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR 
CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS 
DE Acinetobacter johnsonii
 Fenol como única fonte de carbono e de degradar até 15 
mmol/L deste composto em 120 horas de incubação, a 
30 ºC e agitação de 150 rpm.
 A porcentagem e a taxa máxima de degradação de 
fenol foram dependentes das concentrações iniciais de 
fenol no meio.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR 
CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS 
DE Acinetobacter johnsonii
 Foram realizados ensaios com o dobro da concentração 
de células, onde novamente as células livres exibiram 
maior capacidade degradativa.
BIODEGRADAÇÃO DE FILMES POLIMÉRICOS 
POR AÇÃO DOS FUNGOS Talaromyces 
wortmannii e Phanerochaete 
crysosporyum
 Amostras constituídas de PEBD (polietileno de baixa 
densidade) e a mistura de PEBD/amido sofreram uma 
biodegradação estatisticamente significativa após 
trinta dias de incubação com o fungo Talaromyces 
wortmannii e após sete dias com o fungo 
Phanerochaete chrysosporium.
 A completa degradação do biopolímero ocorreu após 
14 dias com a espécie Talaromyces wortmannii e após 
sete dias com a espécie Phanerochaete chrysosporium.
BIODEGRADAÇÃO DE FILMES POLIMÉRICOS 
POR AÇÃO DOS FUNGOS Talaromyces
wortmannii e Phanerochaete
crysosporyum