INTRODUÇÃO - Xenobióticos podem se tornar poluentes caso determinem efeitos indesejáveis toxicidade e concentração.

INTRODUÇÃO

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

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

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.

DEGRADAÇÃO

BIÓTICA

–

BIODEGRADAÇÃO

a) Biodegradação:

transformação de compostos

orgânicos através da atividade metabólica dos

organismos, especialmente microrganismos – CO

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.

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;

PROCESSOS ENZIMÁTICOS NA

BIODEGRADAÇÃO

• Oxidação

• Hidroxilação

• Redução

• Hidrólise

• Descarboxilação

• Dehalogenação

• Conjugação

• Dealquilação

BIORREMEDIAÇÃO

• EPA: processo de tratamento que

utiliza

a

ocorrência

natural

de

microrganismos

para

degradar

substâncias toxicamente perigosas

transformando-as

em

substâncias

menos ou não tóxicas.

 Biorremediação natural: processo passivo no

qual os microrganismos autóctones 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 “in situ”: resíduo é

tratado no local.

Biorremediação “ex situ”: remoção física

do

material

contaminado

e

seu

encaminhamento

para

o

local

de

tratamento.



Biorremediação: importante estratégia para a

remediação de solos e águas subterrâneas

porque:

a) Beneficia-se dos processos biogeoquímicos

que ocorrem naturalmente;

b) Destrói ou imobiliza contaminantes, ao invés

de transferi-los de um meio para outro; e

c) Preserva

os

recursos

financeiros

se

comparados

a

outras

tecnologias

de

remediação.

 Bioaumentação: introduz misturas específicas

de

microrganismos

em

um

ambiente

contaminado ou em um biorreator para iniciar

o processo da biorremediação.

 Bioestimulação:

fornece

nutrientes

às

populações de microrganismos autóctones,

aumentando sua população, promovendo o

crescimento e consequentemente o aumento

da atividade metabólica na degradação de

contaminantes.

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

- 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.

Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillum, Cunninghamella Petróleo Thiobacillus Enxofre Alcaligenes, Pseudomonas Cromo Escherichia, Pseudomonas Cobre

Staphlococcus, Bacillus, Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella, Rhodococcus Cádmio

Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Arthrobacter, Penicillum, Aspergillus, Fusarium, Phanerocheate Anéis aromáticos

Espécie utilizada Contaminante

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

INVESTIGAÇÃO PARA BIORREMEDIAÇÃO

a) Isolamento do local

b) Definição do método básico de biorremediação

c) Determinar os tipos de monitoramento

- Biodisponibilidade inadequada de contaminantes para os microrganismos

- Nível de toxicidade dos contaminantes.

- Preferência microbiana, população presente no local.

- 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.

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.

c) 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)

d) Bioventilação ou bioeração: injeção de ar ou oxigênio puro em solos e água subterrânea contaminados, estimulando a atividade dos microrganismos.

TESTES DE BIODEGRADABILIDADE

•

Testes de biodegradabilidade imediata:

testes simples em condições similares

às do meio ambiente.

•

Testes

de

biodegradabilidade

intrínseca: fornecimento de condições

mais favoráveis.

•

Testes de simulação: indicação da taxa

de

biodegradação

em

um

TESTES DE BIODEGRADABILIDADE

IMEDIATA

- Período do ensaio: 28 dias (limitada aclimatação)

- OECD (1981) recomenda 60 a 80% como níveis aceitáveis para biodegradabilidade imediata.

- Parâmetro avaliado: desprendimento de CO₂ ou consumo de O₂, remoção de carbono orgânico.

- Decaimento da DQO

- Desprendimento de CO₂ em sistema aberto - Desprendimento de CO₂ em sistema fechado - _{Consumo de oxigênio dissolvido}

TESTES DE BIODEGRADABILIDADE

INTRÍNSECA

-

Período do ensaio: até 120 dias.

- 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.

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 C O2 a c u m u la d 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.

TESTES DE SIMULAÇÃO

• 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);

• 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;

CATEGORIASM DE BIODEGRADABILIDADE

• Rapidamente biodegradáveis: condições de equilíbrio ambiental quase que instantaneamente, uma vez suspenso o seu lançamento suas concentrações tendem a zero;

• Praticamente biodegradáveis: meia-vida inferior ao seu tempo de residência em compartimentos ambientais específicos, não se acumulam;

• Pouco biodegradáveis (persistentes): composto com meia vida superior ao seu tempo de residência, persiste por longos períodos, mesmo após seu uso ter sido interrompido;

• 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, polistireno) são altamente recalcitrantes e os microrganismos têm dificuldade de degradá-los.

- 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 poli cíclico.

- 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.

- 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.

- 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.

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.

- 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).

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

- O processo de formação da lignina resulta na formação de uma molécula extremamente complexa – um biopolímero tridimensional, de alta peso molecular, altamente ramificado, com estrutura irregular.

- Phanerochaete chrysosporium: basidiomiceto com capacidade de degradar a lignina.

- Despolimerização inicial da lignina ocorre devido a presença de lacases, peroxidades 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.

- Emprego de sistemas vegetais fotossintetizantes e sua microbiota com objetivo de descontaminação de áreas contaminadas.

- A rizosfera tem sido amplamente pesquisada, devido a sua importância para a produtividade e degradação de xenobióticos.

- A composição da população de microrganismos é dependente do tipo de raiz, espécie e idade da planta, do tipo de solo.

FITORREMEDIAÇÃO

- Poucos estudos sobre fitorremediação, não sendo 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;

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.