Importância da Microbiologia e Bioprocessos na Engenharia Ambiental

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Importância da Microbiologia e 
Bioprocessos na Engenharia 
Ambiental 
Palestrante: Profa. Dra. Luciane Colla 
Biotecnologia ambiental 
Conjunto de técnicas que permitem a diminuição do 
impacto das poluições no meio ambiente, seja em meios 
urbanos ou rurais 
Biorremediação 
Inoculantes agrícolas Biofertilizantes Bioinseticidas 
Biossurfactantes 
Compostagem 
Fitorremediação 
Tratamento de resíduos domésticos 
Produção de microalgas para biocombustíveis 
Produção de biogás 
A PETase é mostrada em azul com 
uma cadeia de PET (amarelo) 
ligada a seu sítio ativo, onde o 
polímero é degradado. 
Microrganimos, evolução e ciclos 
biogeoquímicos 
Fonte: Microbiologia de Brock - Michael T. Madigan, John M. 
Martinko, Paul V. Dunlap e David P. Clark 
Ciclo do C 
• CO2 
– forma mais oxidada do carbono 
– estado de oxidação = +4 
– bom aceptor de elétrons (na fotossíntese é o aceptor de elétrons) 
 
• CH4 
– forma mais reduzida do carbono 
– estado de oxidação = -4 
– bom doador de elétrons 
 
• Outras formas de C 
– carboidratos (0), ácido acético (0), ácido propiônico (-0,66), ácido butírico (-1) 
possuem estados de oxidação intermediários 
– úteis em processos de fermentação 
Reações de fixação do carbono – reações de redução do Carbono 
Reações de oxidação do carbono 
Reações de oxidação do carbono 
VIAS METABÓLICA DE OXIDAÇÃO 
INTEGRADAS 
Na respiração anaeróbia  aceptores de elétrons ao final da 
CTE podem ser nitratos e sulfatos 
A energia necessária para a fixação de carbono nos 
quimioautotróficos pode vir de reações dos ciclos do 
Nitrogênio e Enxofre 
Exemplo  Nitratos (N +5) recebem elétrons 
 passam a nitritos (N+3)  
(desnitrificação) 
Exemplo  Nitritos doam elétrons para 
síntese de ATPs  nitritos (nitrificação) 
• Etapas 
– Fixação biológica 
• Conversão do nitrogênio atmosférico até amônia 
• (bactérias, cianobactérias, leguminosas-simbiose com bactérias) 
• Necessitam da enzima nitrogenase (heterocistos: compartimentos celulares que 
contém a enzima) 
 
– Amonificação 
• Proteínas são convertidas em aminoácidos e estes são desaminados formando 
amônia 
• Proteínas são hidrolisadas por proteases liberadas pelos micro-organismos 
decompositores 
 
– Nitrificação 
• Conversão da amônia em nitritos e nitratos através de micro-organismos 
(PROCESSO AERÓBIO) 
 
– Desnitrificação 
• Nitratos são convertidos em nitrogênio gasoso através de micro-organimos 
(PROCESSO ANAERÓBIO) 
• Formas reduzidas (doadores de elétrons) 
– H2S e S 
– Doadores de elétrons na oxidação aeróbica de compostos inorgânicos com 
fixação de CO2 na ausência de luz 
– Ocorre na presença de agentes oxidantes como O2 
– H2S é usado como doador de elétrons na fotossíntese anoxigênica 
 
• Formas oxidadas (aceptores de elétrons) 
– SO4
-2, SO3
-2 
– Receptores de elétrons na respiração anaeróbia (condições anóxicas) 
– Ocorre em sedimentos ricos em matéria orgânica 
– Podem ser convertido novamente em H2S por procarióticos (SO4)
-2 
– Utilizado na síntese de proteínas (aminoácidos sulfurados) 
 
formas reduzidas (S-2) formas oxidadas (SO4)
-2 
Nox (-2) Nox (+6) 
Processos e bioprodutos de interesse 
industrial e na biotecnologia ambiental 
• Enzimas 
• Biossurfactantes 
• Microalgas e outras biomassas 
microbianas 
 
 • Biorremediação 
• Biossorção 
• Biocombustíveis 
• Biocimentação 
• Biodegradações 
 
 
Exemplos de 
bioprodutos 
Exemplos processos que 
usam microrganismos ou 
enzimas ou outros 
bioprodutos 
Mas não limitados a estes 
Etapas de um bioprocesso genérico para obtenção 
de bioprodutos 
Fermentação em estado sólido 
Fermentação submersa 
Enzimas 
A Biotecnologia ambiental pode se ocupar de 
produzir e de usar enzimas 
Produção de enzimas  valoração de resíduos 
agroindustriais  fermentação submersa e em estado 
sólido 
Uso de enzimas  em bioprocessos, 
biorremediações, biodegradações, biocombustíveis 
Enzimas de aplicação ambiental 
Celulases Amilases Pectinases 
Lipases 
PET 
“ASES” 
Exemplo de processo de produção e 
uso de enzimas 
Surfactantes ou tensoativos 
Estrutura: 
moléculas constituídas de: 
 grupo polar (hidrofílico) – afinidade com água 
 grupo apolar (hidrofóbico) – afinidade compostos insolúveis em água 
Exemplo de estrutura de um 
tensoativo 
BS favorecem captação/utilização de substratos 
hidrofóbicos 
Ação dos biossurfactantes sobre petróleo 
Metal ( )adsorvido na superfície do solo
Sorção das moléculas biossurfactantes nas 
interfaces entre solo e água e complexo metal 
Precipitação do biossurfactante
para fora do complexo.
Desorsão do complexo metal-biossurfactante
da matriz do solo para a solução e incorporação
do metal com as micelas.
Ação dos biossurfactantes sobre remoção de metais 
Remoção de metais do solo 
 Exemplos de uso de resíduos agroindustriais na produção de biossurfatantes 
Substrato Classe química 
BS 
Microrganismo Referência 
Efluente óleo oliva ramnolipídeos Pseudomonas sp. Mercadé et al., 1993 
Água lavagem batatas surfactina B. subtilis Fox & Bala, 2000 
Melaço surfactina B. subtilis Makkar & Cameotra, 1997 
Melaço lipopeptídeos B .liqueniformis, 
B. subtilis 
Joshi et al, 2008 
Soro de leite soforolípideos C. bombicola Daniel et al, 1999 
Soro de leite lipopeptídeos B.liqueniformis, 
 B. subtilis 
Joshi et al, 2008 
Borra óleo soja ramnolipídeos P. aeruginosa Nitschke et al, 2005 
Resíduos óleo girassol ramnolipídeos P. aeruginosa Benincasa & Accorsini, 2008 
Manipueira surfactina B. subtilis Nitschke & Pastore, 2006 
Manipueira ramnolipídeos P. aeruginosa Costa et al, 2009 
Cascas de laranja ramnolipideos P. aeruginosa George & Jayachandran, 2009 
Resíduos refino óleos glicolipídeos C. antarctica , 
C. apicola 
Bednarski et al, 2004 
Glicerol ramnolipídeos P. aeruginosa Wadekar et al, 2010 
Bagaço cana (FES) ramnolipídeos P. aeruginosa Camilios Neto et al, 2008 
37 
 PRODUÇÃO DE BIOSSURFACTANTES A PARTIR DE 
RESÍDUOS DA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS PARA 
APLICAÇÃO EM PROCESSOS DE 
BIORREMEDIAÇÃO 
Caracterização dos 
Resíduos
Produção de 
Biossurfactantes
Recuperação e 
Identificação dos 
Biossurfactantes
Aplicação dos 
biossurfactantes em 
processos de 
biorremediação
Soro de Leite
Permeado da 
Ultrafiltração do Soro de 
Leite
Estudo do Meio de 
Cultivo
Precipitação
Análises: sais, gordura, 
proteína, lactose, sólidos 
totais e umidade
Análises: concentração de 
biomassa, tensão superficial, 
atividade emulsificante 
óleo/água, água/óleo
Análises: tensão superficial, 
espectrometria de massa
Montagem dos 
experimentos com o 
contaminante e 
biossurfactante
Análises: umidade, evolução 
de CO2, óleos e graxas, 
contagem de microrganismos 
heterotróficos, cromatografia 
gasosa
26,02 mN/m 20
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T1 T2 T3 T4
T5 T6 T7 T8
T9 T10 T11 T12
T13 T14 T15 T16
Então....biossurfactantes 
• O que são? 
• Para que servem? 
• Como e onde são produzidos? 
• Como estimular a produção de 
biossurfactantes por microrganismos? 
• Por que isso é importante? 
• Quais os desafios da área? 
Técnicas de Biorremediação 
1. Bioventilação/ Bioventing 
2. Aspersão de ar/air sparging 
3. Landfarming 
4. Compostagem 
5. Biopilhas 
6. Biobarreiras 
7. Fitorremediação 
8. Injeção de inóculo 
9. Biorreatores 
10.Sistema de recirculação de água 
 
 
biodiesel 
diesel 
AN e controles 
fico 
Spirulina 
Sulfato amônio 
Spirulina 
fico 
Sulfato amônio 
• Bioestimulação afeta a capacidade de retenção do 
contaminante no solo 
 
 
• Presença de nutrientes e umidade cria condições 
favoráveis à migração do contaminante no solo 
NPK 
BIOMASSA 
Polissacarídeos/proteínas/ 
lipídios/hidrocarbonetos 
BIORREMEDIAÇÃO BIOSSORÇÃO BIOCOMBUSTÍVEL 
Meio Ambiente Medicamentos Ind. Alimentos 
MICROALGA 
CO2 
MICROALGA 
O2 
MICROALGA 
ATP 
Luz 
Condições de cultivo para microalgas 
Figura 1: Produção de microalgas em larga escala – tanques abertos (“raceway ponds”) 
Figura 4: Imagem 3D de uma fábrica de produção de Microalgas em larga escala no deserto 
Aplicações ambientais de microalgas 
• Matéria prima para obtenção de 
biocombustíveis 
• Biossorventes 
• Pós-tratamento de efluentes 
• Remoção de poluentes emergentes 
• Bioestimulantes em processos de 
biorremediação 
 
Potencial das microalgas para 
biocombustíveis 
Figura 7: Etapas de produção de Bioetanol 
Processo produção Etanol 
Biossorção 
 
 
 
 
 
 
Diagrama do processo de biossorção 
Biossorção ativa 
Biossorção passiva 
C
o
n
cl
u
sõ
es
 
Estude microrganismos 
Estude metabolismo microbiano 
Estude os processos enzimáticos 
Aprofunde para as interações entre os 
processos biológicos+químicos+físicos 
Na biotecnologia ambiental há muitas 
possibilidades para a engenharia ambiental