Arthrobacter viscosus

Os estudos de biossorção realizados no âmbito deste trabalho recorreram à bactéria Arthrobacter viscosus. Esta bactéria é não-patogénica e produz uma grande quantidade de polissacarídeos extracelulares (EPS), segundo López et al. (2003). O habitat natural das bactérias Arthrobacter é o solo, embora seja comum a sua presença em sedimentos de rios ou mesmo nos lençóis freáticos (Veglió et al., 1997; Horton et al., 2006). Este género é ainda frequentemente encontrado em lamas activadas de sistemas de tratamento de esgotos domésticos (Paris & Blondeau, 1999).

As bactérias do género Arthrobacter têm a particularidade de não apresentar uma forma física definida ao longo do seu ciclo de vida. Durante a fase de crescimento exponencial ocorre alteração morfológica da bactéria. Inicialmente na forma de bastonetes, estes vão diminuindo de comprimento durante a fase exponencial até serem esféricos (cocos), altura em que entram na fase estacionária do crescimento (Tsibakhashvili et al., 2004). A coloração de Gram pode variar durante o crescimento, sendo que na fase estacionária as bactérias Arthrobacter são Gram- positivas (Paris & Blondeau, 1999). Segundo a mesma fonte, as bactérias deste género são obrigatoriamente aeróbias e sem mobilidade celular própria. O conteúdo G+C do DNA destas bactérias é elevado, sendo tipicamente superior a 70 %.

A temperatura óptima de crescimento do Arthrobacter viscosus é de 28 ºC (López et al., 2003). Por este motivo, foi escolhida esta temperatura para a realização das isotérmicas de adsorção nos estudos sobre biossorção de crómio e ferro.

1.6.1 Utilização da bactéria Arthrobacter viscosus em biossorção

A grande capacidade de produção de EPS por parte da bactéria Arthrobacter viscosus suscita interesse na aplicação desta espécie na biossorção de metais pesados. Segundo Comte et al. (2006), os EPS são biopolímeros segregados pela célula, compostos por diferentes substâncias. Os hidratos de carbono (polissacarídeos) e proteínas são os principais constituintes dos EPS, com ácidos urónicos e nucleicos em menores quantidades. Os EPS estão ligados às células ou solubilizados no meio aquoso, resultante da fragmentação de cadeias de EPS ligadas à célula.

Como já foi referido anteriormente, a bactéria Arthrobacter viscosus não possui mobilidade celular própria. Segundo Paris & Blondeau (1999), este facto, aliado à produção de EPS, origina que o crescimento das bactérias de Arthrobacter se processe com agregação celular. Os EPS possibilitam a adesão destes agregados a superfícies sólidas, sendo o exemplo mais frequente a adesão a sedimentos de rios. O crescimento com agregação facilita a formação de biofilmes bacterianos por parte desta bactéria.

A utilização de biofilmes como biossorventes (em vez de suspensões celulares) apresenta como principais vantagens a facilidade de imobilizar biomassa em reactores contínuos ou descontínuos e permitir a operação de sistemas de elevada densidade celular. De acordo com Le Cloirec et al. (2003), existem vários mecanismos para a imobilização de células. Alguns destes mecanismos podem conduzir à formação de biofilmes. A fig. 1.12 apresenta um esquema com as possibilidades:

Floculação “Cross – linking” Adsorção superfícial

Encapsulação

em gel Oclusão em matriz Ligação covalente a superfície

Floculação “Cross – linking” Adsorção superfícial

Encapsulação

em gel Oclusão em matriz Ligação covalente a superfície

Fig. 1.12: Mecanismos de imobilização celular, segundo Le Cloirec et al. (2003).

Comte et al. (2006) referem que as bactérias presentes em biofilmes contêm uma grande quantidade de EPS a envolver as células. Os EPS contribuem decisivamente na formação de biofilmes por “cross–linking” e/ou por ligação à superfície. Além de conferirem estabilidade mecânica e estrutural, Os EPS aumentam a resistência das células a agressões externas (agentes tóxicos), permitem retenção e transporte de nutrientes e actividade metabólica extracelular (útil na digestão de macromoléculas). Na presença de iões metálicos, as células segregam uma maior quantidade de EPS, como mecanismo de resposta à presença dos iões. Este facto sugere que os EPS desempenham um papel activo na defesa da célula à agressão promovida pela presença dos metais.

No caso específico da biossorção de ferro e crómio pela bactéria Arthrobacter viscosus, os processos envolvidos são diferentes entre si.

Para a biossorção de ferro, atendendo à natureza catiónica das espécies de Fe (III) em solução, o mecanismo de biossorção predominante será a permuta iónica. Os sítios de permuta ideais serão os grupos de ácidos carboxílicos presentes nos EPS e na parede celular da bactéria. Pagnanelli et al. (2000) demonstraram que bactérias do género Arthrobacter apresentam capacidade de remover Fe (III) e outros catiões (Cd (II) e Cu (II)) a partir de soluções concentradas. O uptake máximo de Fe registado nesse trabalho foi de 42 mgFe (III)/gbiomassa, obtido

a pH 5.0.

Por outro lado, dado o carácter aniónico das espécies de Cr (VI), os processos envolvidos na biossorção deste metal serão diferentes do caso do Fe (III). Vários estudos foram efectuados sobre o(s) processo(s) de biossorção de Cr (VI) por bactérias do género Arthrobacter, com resultados interessantes.

Na biossorção de Cr (VI), vários mecanismos podem ocorrer simultaneamente. Os mecanismos preponderantes são a complexação e/ou adsorção nos EPS e na parede celular, com redução do Cr (VI) a estados de oxidação mais baixos, tais como o Cr (III).

As bactérias do género Arthrobacter demonstram capacidade de reduzir o Cr (VI). Lin et al. (2006) avaliaram a morfologia de bactérias Arthrobacter K-2 e K-4 e concluíram que as

bactérias toleram a presença de Cr (VI) em concentrações elevadas (400 mgCr/L), e que na

presença do Cr (VI) as bactérias induzem o aumento da espessura da parede celular, mais rica em peptidoglicano. Esta estrutura contém polissacarídeos responsáveis pela redução do Cr (VI). Tsibakhashvili et al. (2004) estudaram detalhadamente a redução de Cr (VI) por Arthrobacter oxidans e sugerem que essa redução passa pela formação de um intermediário de Cr instável, o Cr (V), em grupos funcionais diol e triol presentes nos polissacarídeos celulares. Para

concentrações abaixo de 100 mgCr/L, a velocidade de formação do intermediário Cr (V) revelou-

se superior à velocidade de acumulação de Cr (VI).

A formação deste intermediário poderá explicar a acumulação de crómio pela bactéria após contacto com soluções de Cr (VI), confirmada por Tsibakhashvili et al. (2004). Visto que o mecanismo de produção da cápsula bacteriana limita a difusão de Cr (VI) para o citoplasma (Lin et al., 2006) e que o Cr (III) é menos móvel, o Cr (V) surge como uma hipótese para a permeação de crómio na membrana celular. Em contacto com o citoplasma da bactéria, ocorrem várias reacções que reduzem o intermediário Cr (V) ao estado Cr (III). Os estudos de Puzon et al. (2005) reforçam esta teoria. Embora avaliando a biossorção de Cr (VI) por E. coli, os autores constaram que o crómio existente no citoplasma encontra-se na forma de Cr (III), em complexos

muito estáveis com várias biomoléculas e que a sua acumulação é irreversível. Os autores constataram ainda que a ligação do Cr (III) ao DNA celular é bastante forte e é uma das principais fontes de genotoxicidade por parte do crómio (Tsibakhashvili et al., 2004).

Os estudos de bioremediação por parte das bactérias Arthrobacter não se restringem unicamente à biossorção de metais pesados. A biodegradação de poluentes orgânicos é também objecto de estudos baseados na capacidade de certas bactérias utilizarem esses compostos orgânicos como fontes de carbono, azoto e/ou energia. Edgehill (1996) demonstrou que a degradação de um pesticida de uso generalizado, o pentaclorofenol, foi possível recorrendo a um biofilme de bactérias Arthrobacter. O’Loughlin et al. (1999) estudaram a degradação de várias alquil-piridinas pela acção de suspensões de Arthrobacter, e concluíram que estas são úteis na degradação da 2-metil-piridina, 2-etil-piridina e 2-hidroxi-piridina, um grupo de poluentes industriais importantes.

CAPÍTULO 2