Aula 16. biorremediação

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MICROBIOLOGIA AMBIENTAL:
BIODEGRADAÇÃO E BIORREMEDIAÇÃO 
Definições
Biodegradação: processo natural onde compostos químicos são 
degradados por via biológica. O termo é utilizado para indicar diferentes 
graus de degradação, desde a perda algum componente até a completa 
mineralização. 
Biodegradável: material capaz de ser decomposto por microrganismos 
Mineralização: conversão de compostos orgânicos até seus constituintes 
inorgânicos: C, N, P, S,.. (CO2, H2O, CH4,H2)
Biorremediação: processo tecnológico no qual organismos vivos são 
utilizados para remover ou reduzir (remediar) contaminantes no ambiente. 
Intervenção humana que visa acelerar os processos microbianos naturais 
de degradação de poluentes ambientais. 
Biotransformação: alterações na estrutura molecular de compostos 
mediada por via biológica. Pode aumentar ou diminuir a complexidade 
química e resultar na conversão de um composto inócuo em um tóxico ou 
transformar um composto biodegradável em recalcitrante. 
Poluentes: compostos de ocorrência natural no ambiente mas que estão 
presentes em altas concentrações. Exemplos: petróleo bruto e refinado, 
fosfatos e metais pesados.
Xenobióticos: moléculas sintéticas “estranhas” (xeno) ao ambiente 
natural. Não ocorrem naturalmente na natureza. Exemplos: pesticidas, 
herbicidas, plásticos
Recalcitrantes: moléculas orgânicas de difícil degradação que 
acumulam no ambiente. Podem ser naturais (lignina) ou sintéticas 
(agrotóxicos). 
Bases microbiológicas da biodegradação:
- Comunidades microbianas em ambientes naturais são formadas por 
diferentes microrganismos altamente interdependentes. 
- Comensalismo: associação interativa de duas populações de diferentes 
espécies que vivem em conjunto sendo que uma população se beneficia da 
associação e outra não é afetada. 
- Mutualismo: é uma simbiose ou seja ambas as populações associadas se 
beneficiam. 
Densidade populacional de microrganismos em solo de clima temperado
Organismos Células/g 
Bactérias 106 - 109 
Actinomicetos 105-108 
Fungos filamentosos 101-102 
Leveduras 103 
Algas e cianobactérias 102-104 
Protozoários 104-106 
 
Comensalismo: 
- Requerimento fatores nutricionais: muitos microrganismos do solo necessitam 
vitaminas e aminoácidos que são produzidos por outros microrganismos �
alimentação cruzada 
- Produção e consumo de O2: a capacidade de anaeróbicos de sobreviver no solo 
depende do consumo do O2 pelos organismos aeróbicos. 
- cadeia nutricional: ácidos orgânicos produzidos pela degradação fúngica da 
celulose são utilizados como nutrientes por bactérias. Etanol produzido por 
leveduras a partir de açúcares é oxidado até acido acético por espécies de 
Acetobacter. Metano produzido por metanogênicas é oxidado aeróbicamente por 
metilotróficas. 
Mutualismo:
-Quando fixadores de N coexistem com decompositores de celulose cada 
organismo utiliza compostos produzidos pelo outro.
- Desulfovibrio realiza respiração anaeróbica, tendo SO4-2 como aceptor final de 
elétrons convertendo até H2S, que é utilizado por bactérias púrpura como fonte 
de elétrons produzindo novamente o sulfato. 
- Lactobacillus arabinosus produz ácido fólico requerido por S. faecalis enquanto 
S. faecalis produz fenilalanina que o L. arabinosus necessita. 
Geralmente os compostos orgânicos são degradados com maior eficiência em 
ambientes contendo muitas espécies do que em culturas puras de um único 
microrganismo; pois o produto da degradação parcial de um organismo serve 
como substrato para outro microrganismo.
Uma comunidade microbiana também é mais resistente do que uma cultura pura 
a produtos tóxicos resultantes da biodegradação pois um de seus indivíduos 
pode ser capaz de detoxificá-lo. 
Principais comunidades microbianas
Uma comunidade microbiana é dinâmica: responde as condições ambientais e 
se adapta para utilizar os nutrientes disponíveis do modo mais efetivo.
Quando um novo composto biotransformável é inserido no ambiente ocorre 
período de adaptação após o qual a taxa de transformação é aumentada �
seleção de microrganismos resistentes e aptos a degradar ou transformar o 
composto. 
O destino de um composto orgânico introduzido no solo é determinado por 
fatores físicos, químicos e biológicos.
- Físicos: volatilização ou adsorção
- Químicos: degradação fotoquímica, oxidação e hidrólise 
- Biológicos: biodegradação microbiana
� A degradação biológica ocorre muito mais rapidamente!!!
Os microorganismos são capazes de utilizar uma grande variedade de
substancias orgânicas naturais ou sintéticas como fonte de nutrientes e energia 
Por quê? estão há milhões de anos coexistindo com grande diversidade de 
compostos que são potenciais substratos para seu crescimento. Uma mutação 
pode promover a síntese de uma nova enzima capaz de utilizar um novo substrato 
e o m.o. possuidor desta nova capacidade poderia colonizar um novo nicho 
ecológico.
A capacidade degradativa dos m.o tem sido posta a prova com a introdução de 
compostos XENOBIÓTICOS na natureza!!
Os xenobióticos:
- têm sido produzidos massivamente nos últimos 50 anos
- possuem estruturas químicas novas (não reconhecidas por enzimas existentes)
- a capacidade evolutiva da natureza não tem conseguido adaptar-se a enorme 
variabilidade destes compostos, de modo que se pode afirmar que somente 
alguns xenobióticos com moléculas relacionadas as naturais sofrem 
biodegradação.
A maioria dos compostos xenobióticos são recalcitrantes, devido:
- estrutura
- baixa solubilidade em água e elevada toxicidade
- alto peso molecular
COMPOSTOS XENOBIÓTICOS
Halocarbonados
Freons: CCl3F,CCl2F2 (aerossóis)
Trihalometanos (clorofórmio)
Clorados como o tricloroetileno (TCE) 
PCBs (Bifenilas-policlorinadas)
Haloaromáticos: fenóis clorados (herbicidas, inseticidas, fungicidas) 
Nitroaromáticos
(explosivos, corantes, pesticidas)
Dioxinas: produzidas na queima de 
halogenados e na produção de cloreto 
de polivinila. Altamente carcinogénicos
ABSs (alquilbenzeno 
sulfonatos)
Detergentes anionicos
Plásticos
Polietileno, cloreto de polivinila, 
poliestireno
Organofosforados
- Pesticidas
Readily 
degradable 
____________ 
Somewhat 
degradable 
____________ 
Difficult to 
degrade 
____________ 
Generally 
recalcitrant 
____________ 
fuel oils, 
gasoline 
creosote, coal 
tars 
chlorinated 
solvents (TCE) 
dioxins 
ketones and 
alcohols 
pentachloro-
phenol (PCP) 
some pesticides 
and herbicides 
polychlorinated 
biphenyls (PCB) 
monocyclic 
aromatics 
 
bicyclic 
aromatics 
(naphthalene) 
 
 
 
Biodegradabilidade de alguns compostos químicos
Fatores biológicos importantes que influenciam a degradação de xenobióticos:
- Biodegradação gratuita: quando uma enzima é capaz de transformar outras 
moléculas além de seu substrato natural. A enzima exerce sua atividade 
catalítica se o substrato não-natural for capaz de se ligar no sítio ativo. 
- Co-metabolismo: transformação de um composto sem que este forneça 
carbono ou energia para o organismo degradador. O m.o. necessita de 
substrato verdadeiro para crescer mas consegue degradar ou transformar um 
composto presente no ambiente.
Na degradação de xenobióticos o sistema biológico é o mais eficiente porém 
muitos fatores ambientais influenciam a capacidade de um sistema microbiano 
em biodegradar uma molécula.
Fatores físicos que influenciam a biodegradabilidade: 
- natureza da matriz (água, solo, sedimento): adsorção e disponibilidade 
- temperatura: reduz atividade metabólica m.o. reduzindo taxa degradação 
- luz
Fatores químicos que influenciam a biodegradabilidade:
- composição química da matriz ambiental (define capacidade nutritiva)- pH
- umidade
- oxigênio dissolvido
- potencial redox
- estrutura química do poluente: não foram isolados m.o. capazes de mineralizar 
nitroaromáticos como TNT, orizalin e trifluralina, que apresentam três grupos nitro 
no anel aromático o que dificulta a degradação.
Onde se aplica a biorremediação?
- acidentes com derramamento de petróleo 
- tratamento de resíduos 
- remoção e ou recuperação de metais pesados 
- degradação compostos químicos 
Tipos de biorremediação:
1. Biorremediação in situ: no local original. Utiliza a microflora original 
presente no ambiente, partindo da idéia de que os m.o. presentes já estão 
adaptados aos contaminantes existentes. 
BIOESTIMULAÇÃO: realizada através da adição de nutrientes e/ou 
surfatantes diretamente no local contaminado com o objetivo de aumentar a 
atividade de populações de m.o. autóctones degradadores ou a 
biodisponibilidade do poluente. Exemplo: o acidente com o navio Exxon 
Valdez derramou toneladas de óleo cru contaminando quilômetros de praia. 
Para a limpeza da areia foram adicionados fertilizantes para acelerar 
crescimento de m.o. e consequentemente a degradação do óleo. 
A biorremediação in situ oferece diversas vantagens: 
- é mais barata que incineração
- não expõe trabalhadores aos riscos associados a escavação e remoção do solo 
contaminado
- é adequada para tratamento de grandes áreas 
Uma variação desta técnica é a BIOAUMENTAÇÃO ou BIOAUMENTO que 
consiste na introdução de microrganismos degradadores.
Bioaumento
OGM autóctones alóctones
Propagação e introdução no ambiente
2. Compostagem: processo biológico, através do qual os microrganismos 
convertem a parte orgânica dos resíduos (restos plantas, esterco ....) em 
material estável tipo húmus, conhecido como composto. 
Importância: 
- Aumenta a disponibilidade de nutrientes; 
- Promove o aproveitamento de resíduos 
- Despoluição
A compostagem vem sendo incentivada para biodegradação de compostos 
nitrogenados explosivos: estudos demonstraram a transformação de 90% dos 
explosivos após 80 dias de compostagem a 55°C . Depois de 1 50 dias a 
concentração inicial de 18.000 mg/g solo foi reduzida para 74 mg/g. 
3. Landfarming: utilizado para a disposição e degradação de resíduos oleosos 
(borra) resultante de operações de refino de petróleo. Os resíduos são 
misturados ao solo e submetidos a uma biorremediação in situ (bioestimulação). 
Processos ex situ
No landfarming o processo de biodegradação se dá na camada superior do 
solo, entre 15 e 20 centímetros. O processo baseia-se na aração do solo, 
para renovação do oxigênio, e na manutenção de um certo teor de 
nutrientes e de microrganismos aeróbios. Desta forma, os íons metálicos 
presentes nos resíduos são liberados e, incorporados naturalmente ao solo 
sem que haja contaminação dos lençóis freáticos. 
A indústria de petróleo é uma fonte geradora de resíduos oleosos de diversos 
tipos,em praticamente todas as suas operações, desde a perfuração, 
produção, armazenamento, transporte, refino, até a distribuição dos derivados. 
Esses resíduos são compostos basicamente de hidrocarbonetos aromáticos e 
alifáticos, água e sólidos, em proporções variáveis, possuindo pequenas 
quantidades de metais pesados. 
Desvantagem: processo é lento e incompleto, além disso, ocorre acúmulo 
gradual de metais pesados no solo de landfarming impedindo seu uso 
posterior como fertilizante. 
4. Reatores above-ground: são reatores comuns que são adaptados para o 
tratamento de solo ou água contendo altos níveis de contaminantes. O principal 
objetivo do uso dos reatores é o controle das condições ambientais durante o 
processo. O solo contaminado é misturado com água e introduzido no reator, que 
é previamente preenchido com carvão, plástico, esferas de vidro ou terra 
diatomácea que permitem a obtenção de grande área superficial e a rápida 
formação do biofilme responsável pela biodegradação. O inóculo pode vir da 
própria população presente no ambiente contaminado; de lodos ativados ou de 
cultura pura de microrganismo apropriado. Os reatores podem ser operados em 
série e de forma aeróbica ou anaeróbica. 
Biodegradação e Biorremediação não são conceitos novos, pois os processos 
biológicos tem sido aplicados há muito tempo no tratamento de resíduos;
O direcionamento atual é o uso de processos biológicos para a remoção de 
compostos tóxicos do ambiente
� USOS DA BIORREMEDIAÇÃO
1. Biodegradação de compostos orgânicos
- petróleo
- xenobióticos 
2. Transformação de Metais:
- recuperação 
- detoxificação
BIODEGRADAÇÃO DO PETRÓLEO
O petróleo é um produto natural formado pela ação de microrganismos sob 
condições de alta temperatura e pressão. Formado por hidrocarbonetos aromáticos 
e alifáticos.
A utilização do petróleo na sociedade moderna têm gerado uma série de problemas 
ao meio-ambiente como o aumento dos níveis de CO2 na atmosfera (pela queima 
dos hidrocarbonetos); bem como a contaminação de águas, e solo durante os 
processos de extração, transporte e armazenamento.
Os hidrocarbonetos são substratos adequados para diversos m.o. que 
utilizam enzimas da classe das oxigenases para degradar e utilizar estes 
compostos como sua fonte de carbono. 
Microrganismos degradadores de petróleo:
Em amostras de solos impactados com petróleo encontram-se bactérias do 
gêneros: Pseudomonas ,Burkholderia, Acinetobacter, Sphingomonas 
Também várias espécies de fungos
Em amostras de águas são encontrados os gêneros: Alcanivorax, Cycloclastius, 
Oleiphilus, Oleispira, Neptunomonas, Planococcus, Marinobacter, 
Pseudoalteromonas
Etapas da oxidação de um hidrocarboneto alifático; a primeira é catalisada por monooxigenase.
Oxigenases na degradação de compostos aromáticos
Técnicas de biorremediação são utilizadas em derramamentos acidentais de 
petróleo, sendo a mais utilizada a biorremediação in situ com adição de 
nutrientes inorgânicos que promovem o aumento da biomassa de m.o. nativos 
degradadores.
BIODEGRADAÇÃO DE XENOBIÓTICOS
Pesticidas: muitos são altamente tóxicos
Degradação microbiana: 
- conversão a compostos inócuos 
- processo chave para que estes compostos possam continuar a serem usados
- pequena modificação na estrutura � grande diferença na persistência 
Via degradação aeróbica do 2,4,5-T (Burkholderia cepacia)
RECUPERAÇÃO DE METAIS
Lixiviação bacteriana: utiliza microrganismos capazes de promoverem a 
solubilização de metais. É aplicada em escala industrial para recuperação 
secundária de metais como cobre e urânio. 
� Acidithiobacillus ferrooxidans, acidofílica (pH 1,5-2,0) aeróbica e autotrófica que 
obtém energia da oxidação de Fe+2 / Fe+3 ou formas reduzidas de S para H2SO4 . 
Lixiviação indireta:
O sulfato férrico e o ácido sulfúrico são produzidos pelo A. ferrooxidans a partir 
da metabolização da pirita (FeS2) contida dentro dos minérios:
FeS2 + H2O + 3.5 O2 ------> FeSO4 + H2SO4
2FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4 ---� Fe2(SO4)3 (sulfato férrico)
O sulfato férrico é um forte agente oxidante utilizado para dissolver diversos 
minerais de importância econômica:
CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 -------> CuSO4 + 5 FeSO4 + 2S0
(calcopirita) (sulfato de cobre solúvel)
Lixiviação direta: a bactéria adere diretamente nas partículas minerais e suas 
enzimas promovem a oxidação e solubilização do metal. 
Cu2S + ½ O2 + 2 H+ ���� CuS + Cu 2+ + H2O
Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni e Sn
Cr3+ e Cr6+
Bioacumulação ⇒ danos ao SNC
Mineração (garimpo)Pilhas e baterias
Rios e maresAterro sanitário
Os oceanos recebem por ano
400.000 t de metais pesados
80.000 t só de mercúrio
Contaminação de águas
subterrâneas, córregos
e riachos
Couro
Origemda poluição por metais pesados
Remoção de metais pesados de efluentes líquidos (detoxificação)
Bactérias sulfato redutoras (BSR): capazes de obter energia utilizando sulfato 
como aceptor final de elétrons sob condições anaeróbicas (respiração 
anaeróbica). O produto da redução do sulfato é o H2S, sendo a atividade destas 
bactérias a principal fonte de gás sulfídrico da natureza.
São anaeróbicas estritas e capazes de utilizar diversos tipos de substratos como 
fonte de carbono incluindo ácidos graxos, ácidos aromáticos, metanol, glicerol, 
compostos fenólicos e amino-ácidos. 
Principais gêneros de BSR: Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfotomaculum, 
Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfococcus e Desulfosarcina.
São encontradas em ambientes aquáticos e terrestres que se tornam 
anaeróbicos devido a decomposição microbiana (sedimentos). Sua atividade é 
muito importante por contribuir para o estabelecimento de depósitos de enxofre 
elementar, sulfetos e na formação do petróleo. 
As BSR estão relacionadas a corrosão microbiana, pois o H2S produzido promove 
a corrosão de Fe e outros metais. 
A capacidade do H2S em se ligar a metais pode ser benéfica no tratamento de 
resíduos ricos em metais pesados, contribuindo para a despoluição ambiental.
Precipitação de sulfetos metálicos
Águas residuárias de mineração ou de alguns processos químicos industriais 
possuem altas concentrações de metais pesados e sulfatos. O enriquecimento 
desta águas com matéria-orgânica permite o crescimento de bactérias sulfato-
redutoras que, através da produção de H2S promovem a precipitação de metais 
pesados como (Cd, Cu, Zn, Hg, Ni, Pb) na forma de sulfetos (CdS, CuS, ZnS...). 
O HS- forma um complexo insolúvel com os íons metálicos presentes na água 
levando a precipitação e facilitando a remoção destes poluentes. . 
O descarte de lixo e resíduos em rios e lagos aumenta 
teor de matéria-orgânica e conseqüentemente a 
redução de sulfato. O HS- é tóxico por se combinar 
com Fe dos citocromos e outros componentes 
essenciais das células levando a morte de peixes e 
outros organismos aquáticos. 
Uma alternativa para detoxificação do HS- em águas é 
a adição de sais de Fe para formação de FeS insolúvel 
(biorremediação de águas contaminadas).
Em ambientes onde ocorre a redução de sulfato 
observa-se coloração escura no sedimentos devido a 
acúmulo de compostos insolúveis de enxofre. 
Reator leito fixo para 
remoção metais tóxicos
Partículas cobertas 
com BSR