B
IOTECNOLOGIA
,
A
MBIENTE E
D
ESENVOLVIMENTO
S
USTENTÁVEL
Ana Cristina Rodrigues
acrodrigues@esa.ipvc.pt
ÍNDICE
N
OTA PRÉVIA... 1
B
IOTECNOLOGIA ED
ESENVOLVIMENTOS
USTENTÁVEL... 2
1. O papel da Biotecnologia no desenvolvimento sustentável ... 3
C
ONSERVAÇÃO EG
ESTÃO DAB
IODIVERSIDADE–
A
IMPORTÂNCIA ENQUANTO RECURSO PARA AB
IOTECNOLOGIA... 8
2. Biodiversidade, recursos naturais e Biotecnologia ... 9
2.1. A Biodiversidade e os ecossistemas ... 9
2.1.1. Biodiversidade e ecossistemas – conceitos e importância ... 9
2.1.2. A Biodiversidade e os ecossistemas no espaço e no tempo ... 10
2.1.3. Declínio da Biodiversidade e alterações nos ecossistemas ... 11
2.1.4. Conservação e monitorização da Biodiversidade e dos ecossistemas ... 12
2.2. A Biodiversidade enquanto recurso ... 12
2.2.1. Os usos da Biodiversidade ao longo do tempo ... 12
2.2.2. Gestão sustentável de recursos naturais, promoção territorial e competitividades ... 15
2.2.3. Conservação de recursos genéticos ... 16
2.3. Os desafios na produção, gestão e aplicação do conhecimento da Biodiversidade à Biotecnologia ... 17
2.3.1. A produção e a gestão do conhecimento em Biodiversidade e Biotecnologia ... 17
2.3.2. Os Sistemas e as infra-estruturas de informação (geográfica) na gestão da Biodiversidade ... 18
2.3.3. A propriedade dos recursos biológicos e a inovação em Biotecnologia ... 21
2.4. Os processos e os desafios na gestão e aplicação da Biodiversidade ... 23
Bibliografia ... 23
3. Produção vegetal ... 26
3.1. A biotecnologia aplicada à conservação e gestão dos recursos genéticos vegetais ... 27
3.2. A biotecnologia aplicada ao melhoramento convencional ... 29
3.3. Organismos geneticamente modificados ... 30
3.4. Biofertilizantes ... 31
3.5. Promoção da disponibilidade de nutrientes ... 32
3.6. Rizobactérias promotoras do crescimento das plantas ... 33
3.7. Biopesticidas ... 34
Bibliografia ... 35
4. Aplicações da biotecnologia na produção animal ... 37
4.1. Programas de conservação e melhoramento genético animal ... 37
4.2. Estratégias de conservação dos recursos genéticos animais ... 39
4.3. Biotecnologia reprodutiva: inseminação artificial e transferência de embriões ... 39
4.4. Biotecnologia molecular: marcadores genéticos ... 40
4.5. Outras aplicações biotecnológicas ... 41
Bibliografia ... 42
P
ROMOÇÃO DAE
CO-
EFICIÊNCIA NAI
NDÚSTRIA... 45
5. Aplicações biotecnológicas na indústria têxtil e na indústria de detergentes ... 46
5.1. Avanços na tecnologia enzimática ... 46
5.2. Aplicações e mercado para enzimas industriais ... 47
5.3. Desenvolvimentos recentes na produção de enzimas ... 48
5.4. Utilização de enzimas na indústria têxtil e de detergentes ... 49
5.4.1. Aplicações na indústria têxtil ... 50
5.4.1.1. Desencolagem do algodão com amilases ... 50
5.4.1.2. Remoção enzimática de peróxido de hidrogénio ... 50
5.4.1.3. Acabamentos de tecidos com celulases ... 50
5.4.1.4. Áreas promissoras para aplicações enzimáticas na indústria têxtil ... 51
Bibliografia ... 53
6. Sustentabilidade na indústria alimentar ... 58
6.1. Aspectos ambientais relevantes ... 58
6.1.1. Consumo de água e produção de água residual ... 58
6.1.2. Energia ... 59
6.1.3. Resíduos sólidos e embalagem ... 59
6.2. Melhoria da eficiência da matéria-prima e rendimento do produto ... 59
6.3. O papel da Biotecnologia na sustentabilidade da indústria alimentar ... 59
6.4. Processos para a valorização do soro de queijo ... 60
6.4.1. Valorização do soro ... 61
6.4.2. Aplicações das proteínas do soro ... 62
6.4.3. Aplicações da lactose do soro ... 64
Bibliografia ... 65
B
IOTECNOLOGIA PARA AP
RESERVAÇÃO DER
ECURSOSN
ATURAIS... 67
7. Protecção e valorização de recursos hídricos ... 68
7.1. Importância da conservação dos recursos hídricos ... 68
7.2. Processos microbiológicos para o tratamento de águas residuais ... 70
7.2.1. Remoção biológica de matéria orgânica: Processos aeróbios vs. anaeróbios ... 72
7.2.2. Remoção biológica de nutrientes ... 74
7.2.3. Processos de biomassa suspensa vs. biomassa fixa ... 77
Bibliografia ... 78
8. Tecnologias convencionais de tratamento biológico de águas residuais ... 80
8.1. Sistemas de lamas activadas ... 80
8.2. Sistemas de lagunagem ... 89
8.2.1. Lagoas aeróbias ... 90
8.2.2. Lagoas facultativas ... 90
8.2.4. Lagoas anaeróbias ... 93
8.3. Leitos percoladores ... 95
8.4. Biodiscos ... 97
8.5. Reactores descontínuos sequenciais ... 99
Bibliografia ... 101
9. Tratamento de águas residuais por sistemas naturais – Zonas Húmidas Construídas .. 105
9.1. A importância das Zonas Húmidas Construídas no quadro de uma estratégia de desenvolvimento sustentável de espaços rurais e áreas protegidas ... 105
9.2. Descrição do sistema de tratamento de águas residuais por Zonas Húmidas Construídas ... 106
9.3. Vantagens e constrangimentos relativamente a outros sistemas de tratamento biológico de águas residuais ... 110
9.4. Estratégias de optimização do desempenho de ZHC ... 111
9.4.1. Aplicações da engenharia genética para aumentar a tolerância e a acumulação de metais ... 113
9.4.2. Aplicações da engenharia genética para aumentar a capacidade de degradação de compostos orgânicos xenobióticos ... 114
9.4.3. Restrições da utilização de plantas geneticamente modificadas ... 115
Bibliografia ... 115
10. Sistemas de biossorção – aplicações no tratamento de águas contaminadas com metais pesados ... 117
10.1. Tecnologias de tratamento convencionais vs. biossorção ... 118
10.2. Mecanismos de biossorção ... 119
10.3. Materiais biossorventes ... 122
10.4. Aplicação de sistemas de biossorção no tratamento de águas residuais em contínuo ... 124
Bibliografia ... 127
11.1. Compostagem: Matéria orgânica, protecção do solo e agricultura sustentável ... 130
11.2. O processo de compostagem ... 131
11.2.1. Materiais para compostagem ... 132
11.2.2. Características físicas da compostagem ... 132
11.2.3. Dinâmica do carbono e do azoto ... 135
11.2.4. pH e capacidade de troca catiónica ... 136
11.3. Maturação, qualidade e efeito supressivo dos compostos ... 137
11.3.1. Estado de maturação ... 137
11.3.2. Qualidade dos compostos ... 138
11.3.3. Efeito supressivo dos compostos ... 138
Bibliografia ... 139
12. Biorremediação – Aplicações no tratamento de solos e lamas contaminados ... 142
12.1. Estratégias bacterianas para a degradação de hidrocarbonetos ... 145
12.2. Aspectos susceptíveis de potenciar ou condicionar a biodegradação de hidrocarbonetos ... 146
12.2.1. Efeito dos surfactantes ... 146
12.2.2. Efeito da presença de metais pesados ... 149
12.2.3. Mistura de HAPs ... 150
Bibliografia ... 151
13. Tecnologias de fim-de-linha para o controlo de emissões gasosas ... 155
13.1. Estratégias e tecnologias de controlo ... 157
13.2. Processos físico-químicos ... 157
13.3. Microrganismos e reactores biológicos ... 158
13.3.1. Sistemas com biomassa suspensa – Biolavadores ... 160
13.3.2. Sistemas com biomassa fixa ... 161
13.3.2.1. Biofiltros ... 161
13.3.2.2. Biopercoladores ... 162
13.3.2.3. Torre biológica de pratos, TBP ... 162
13.5. Reactores membranares ... 166
Bibliografia ... 166
14. Produção de energia renovável a partir de fontes orgânicas ... 167
14.1. Biogás ... 169
14.2. Células de combustível microbianas ... 171
14.3. Biodiesel ... 173
Nota prévia
É verdade que prever o futuro é mais fácil depois de ele ter acontecido, mas não é menos verdade que a biotecnologia moderna já não é futuro, é a fronteira actual em novos processos para a obtenção de um largo espectro de produtos e soluções tecnológicas de baixo impacte em múltiplos sectores – agricultura, indústria química e alimentar, indústria farmacêutica e saúde, ambiente.
A biotecnologia cobre utilizações avançadas e inovadoras, designadamente na área enzimática após o mapeamento do genoma de diversas espécies de microrganismos, até aspectos simples e quotidianos, como sejam a produção de alimentos saudáveis ou o tratamento de águas residuais. Em qualquer caso, a identificação das limitações, das potencialidades e dos avanços até hoje atingidos nesta área do saber, constitui um elemento chave para o seu reconhecimento, por parte da sociedade. O esforço que tem sido desenvolvido por muitos cientistas e técnicos, favorecendo o pleno aproveitamento das oportunidades que a biotecnologia representa, ainda requer o nosso continuado apoio e encorajamento.
Neste sentido, o presente livro constitui uma oportunidade para, de uma forma acessível e compreensiva, disseminar o conhecimento actual sobre diversos elementos e facetas da biotecnologia em Portugal. Escrito com uma preocupação didáctica e educativa, mas sem descurar os aspectos mais tecnológicos, parece-me uma aposta ganha e um excelente exemplo de divulgação científica por parte dos seus autores, um conjunto de especialistas nacionais no domínio da biotecnologia aplicada.
1. O papel da biotecnologia no desenvolvimento sustentável Ferraz A. I., Rodrigues A.C.
O conceito de desenvolvimento sustentável refere-se à capacidade dos produtores e industriais dotarem a sociedade actual de bens e serviços que satisfaçam as suas necessidades, sem que fique comprometida a satisfação das necessidades das gerações futuras. Especificamente, o desenvolvimento sustentável tem como objectivos a redução da taxa de utilização dos recursos naturais, o controlo da poluição e a disponibilização de produtos, como bens alimentares, em quantidade suficiente para satisfazer as necessidades da população.
Na realidade, o conceito de sustentabilidade pode ser aplicado a questões particulares, como a “sustentabilidade natural”, com critérios que se baseiam nos fluxos mássicos e na capacidade de uma técnica para recuperar substâncias com valor, para posterior utilização, a partir de resíduos e/ou efluentes. Assim, o tratamento e a reutilização da água, assim como a valorização de resíduos visam contribuir para a “sustentabilidade natural”, potenciando o equilíbrio dos fluxos mássicos dos recursos e o desejável balanço nulo da sua utilização (massa consumida = massa reposta).
Um outro aspecto diz respeito à “sustentabilidade financeira”, conceito associado ao sucesso e sobrevivência de um negócio. Assim, a sustentabilidade está intimamente relacionada com modelos económicos, que têm em consideração os fluxos de massa naturais. Um terceiro e importante factor nas questões da sustentabilidade são os potenciais utilizadores de um sistema. O seu comportamento e empenho na participação nos processos de gestão de recursos naturais, designadamente, na gestão da água, são factores determinantes para assegurar a sua disponibilidade, em quantidade e qualidade, já que a contaminação dos recursos hídricos se deve essencialmente a fontes de natureza antropogénica. Este factor pode designar-se por “sustentabilidade social”1
.
O desenvolvimento sustentável, colocado na agenda política mundial pela Cimeira da Terra de 1992, é um desafio que constitui desde então um aspecto central da agenda política da União Europeia (UE). A implementação do desenvolvimento sustentável assentava inicialmente em duas dimensões fundamentais: o desenvolvimento económico e a protecção do ambiente. Após a Cimeira Social de Copenhaga, realizada em1995, foi integrada a vertente social como terceiro pilar do conceito de desenvolvimento sustentável. Assim, embora actualmente o desenvolvimento sustentável mantenha o mesmo desígnio global, a sua implementação é realizada com base em três dimensões essenciais: o desenvolvimento económico, a coesão social e a protecção do ambiente5.
Em 2001, o Conselho Europeu de Gotemburgo acordou numa Estratégia Comunitária para o Desenvolvimento Sustentável, reconhecendo a necessidade de acção urgente nas quatro áreas de intervenção prioritárias: i) alterações climáticas; ii) transportes sustentáveis; iii) riscos para a saúde pública e iv) recursos naturais. Relativamente à gestão mais responsável dos
recursos naturais, a UE assumia como fundamental “O objectivo da dissociação do crescimento económico, do consumo de recursos naturais e da produção de resíduos, de modo a assegurar a manutenção da biodiversidade e a preservação dos ecossistemas. Salienta-se que a Política Agrícola Comum deveria ter em conta a promoção de modos de produção sustentáveis, incluindo a produção biológica e a protecção da biodiversidade.(…) Reitera-se a importância da implementação da política integrada de produto em cooperação com as empresas, com o objectivo de reduzir a utilização de recursos e o impacte ambiental de resíduos e efluentes. Define-se ainda como desígnio prioritário que o declínio da biodiversidade deverá ser sustido até 2010”5
.
Na ENDS (2005-2015), apresentam-se “como desafios à sustentabilidade pretendida para o desenvolvimento, temas globais como a erradicação da pobreza, como a promoção do desenvolvimento social, da saúde e de uma utilização e gestão racional dos recursos naturais; a promoção de padrões de produção e consumo sustentáveis, onde se faça uma dissociação entre o crescimento económico e as pressões sobre os ecossistemas, no sentido de uma maior eco-eficiência da economia; a conservação e gestão sustentável dos recursos; o reforço da boa governação a todos os níveis, incluindo a participação pública; os meios de implementação, incluindo a capacitação, a inovação e a cooperação tecnológica”.
A conservação do ambiente tem vindo a adquirir uma importância crescente ao nível social e económico. As preocupações inerentes à protecção ambiental e ao desenvolvimento sustentável têm culminado num enquadramento legal que preconiza a gestão de efluentes e resíduos assente em medidas que visam a sua minimização, reciclagem e valorização, tendo por objectivo a prevenção, sempre que possível, das emissões para o ar, a água e o solo, ou a correspondente minimização dessas emissões, como meio de alcançar um nível elevado de protecção do ambiente no seu todo.
Esta tendência na estratégia de abordagem à prevenção e ao controlo integrado da poluição foi inicialmente introduzida no quadro legislativo nacional pelo DL n.º 194/2000, de 21 de Agosto, vigorando actualmente através do DL n.º 173/2008, de 26 de Agosto4. Com efeito, no contexto
do princípio do desenvolvimento sustentável, hoje tão evidente quanto necessário à promoção de uma convivência harmoniosa entre crescimento económico, ambiente e equidade social, o novo regime jurídico da prevenção e controlo integrados da poluição visa promover o desenvolvimento económico em sintonia com a componente preventiva da protecção ambiental, conformando a actuação dos agentes potencialmente geradores de poluição, de acordo com uma visão do conjunto das diferentes vertentes ambientais afectadas por essa actuação.
Em Janeiro de 2002, a Comissão Europeia adoptou uma estratégia – a Estratégia Europeia para as Ciências da Vida e a Biotecnologia3 - destinada a permitir o desenvolvimento, na Europa, de políticas sustentáveis e responsáveis para responder a três grandes questões:
i. Explorar o potencial das ciências da vida e da biotecnologia como forma de promover o desenvolvimento sustentável e de satisfazer uma grande parte das necessidades mundiais ligadas à saúde, envelhecimento, alimentação e ambiente;
ii. Intensificar o apoio público e a consideração das repercussões e questões de ordem ética e social;
iii. Considerar a revolução científica e tecnológica como uma realidade mundial que cria novas perspectivas e novos desafios para todos os países do mundo.
Com esta estratégia, a UE pretende aprofundar as ciências da vida e a biotecnologia em numerosos domínios como os cuidados de saúde, a agricultura, a alimentação, as utilizações industriais e o ambiente, a fim de promover uma economia sustentável baseada no conhecimento. Para a Europa, as ciências da vida e a biotecnologia representam simultaneamente um desafio e um potencial a explorar.
Por outro lado, as ciências da vida e a biotecnologia têm vindo a suscitar um grande interesse por parte do público, em geral e têm originado debates importantes. A Estratégia Europeia para as Ciências da Vida e a Biotecnologia visa promover e dar continuidade a tais debates, mas de uma forma aberta, aprofundada, bem informada e estruturada, a fim de permitir uma melhor informação e uma compreensão mútua. Por conseguinte, a promoção da informação e do diálogo é tida como uma orientação de importância crucial, a fim de ajudar a população e as partes interessadas a compreender e apreciar melhor estas questões complexas e a desenvolver métodos e critérios para a avaliação dos benefícios relativamente aos inconvenientes ou riscos.
Desde há muito anos, os progressos científicos e tecnológicos no domínio das ciências da vida e da biotecnologia sucedem-se a um ritmo vertiginoso. A biotecnologia é objectivada como uma actividade sustentável que tem por finalidade a utilização racional do potencial dos mecanismos biológicos para o desenvolvimento da espécie humana, o que implica a precisão e a previsibilidade da qualidade dos produtos e resultados, a garantia da sua inocuidade (quer para o Homem, quer para o Ambiente em geral), bem como a redução de custos de produção e dos impactes ambientais das suas actividades2.
No relatório ao Conselho Europeu da Primavera, a Comissão das Comunidades Europeias defendeu a reorientação da Agenda de Lisboa para acções de promoção do emprego e do crescimento plenamente compatíveis com o objectivo do desenvolvimento sustentável3.
A indústria das ciências da vida e da biotecnologia poderá vir a desempenhar um papel importante nesta reorientação da Estratégia de Lisboa e prestar, portanto, um grande contributo para aumentar a quota-parte da Europa no mercado mundial da alta tecnologia. As ciências da vida e a biotecnologia têm potencialidades para, nas próximas décadas, passarem a constituir áreas de ponta nos domínios da ciência, da indústria e do emprego. Para além de aumentarem a prosperidade graças a mais e melhor emprego, as ciências da vida e a biotecnologia poderão vir a melhorar a qualidade de vida através de aplicações inovadoras e
da melhoria do meio ambiente. Além disso, na sua qualidade de tecnologias de ponta, podem contribuir para a modernização do tecido empresarial da Europa3.
Efectivamente, as aplicações da biotecnologia, nas suas diferentes áreas de intervenção podem contribuir para a promoção da eco-eficiência, quer no sector primário, na medida em que possibilitam o aumento da produtividade através do desenvolvimento de espécies vegetais resistentes a secas ou pragas e do melhoramento genético de raças animais, quer na indústria, optimizando e potenciando tecnologias inovadoras mediante a aplicação de processos de conversão biológicos que contribuam, não só para a redução do consumo de matérias-primas e energia, mas também para a valorização de subprodutos. Por outro lado, a biotecnologia permite, ainda, a utilização de bioindicadores para monitorização e avaliação da qualidade do ambiente e a implementação de sistemas biológicos para protecção e requalificação de ecossistemas, através da valorização e tratamento de resíduos e efluentes e da biorremediação de solos e meios hídricos contaminados.
No sector agroalimentar, a biotecnologia permite também melhorar a qualidade dos alimentos para o homem e para os animais, a fim de contribuir para a prevenção de doenças e para a redução dos riscos para a saúde. A investigação sobre o genoma vegetal constitui um elemento-chave. Nesse sentido, a superfície consagrada no mundo às culturas geneticamente modificadas tem vindo a aumentar significativamente.
Ao nível industrial, a biotecnologia contribui para uma melhor utilização das matérias-primas e para a produção de energias renováveis. A biomassa pode ser utilizada para a produção de biocombustíveis, como o biodiesel e o bioetanol.
De um ponto de vista ambiental, a biotecnologia oferece novos meios para protecção e melhoria do ambiente, nomeadamente do ar, solo e água. A investigação está centrada no desenvolvimento de produtos e processos industriais menos poluentes, bem como em práticas agrícolas mais sustentáveis. Além disso, a biotecnologia permite potenciar acções previstas no âmbito de outras estratégias e planos, nacionais e europeus, que visam a preservação do ambiente, contribuindo para a sua integração. Poderá promover, por exemplo, o desenvolvimento de tecnologias de produção de energia e de produtos comercializáveis, a partir de águas residuais, contribuindo para a transformação de estações de tratamento em estações de recuperação de materiais, um dos domínios prioritários preconizado no Plano Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais6.
Em suma, os avanços científicos e tecnológicos no domínio da Biotecnologia constituem um instrumento com um enorme potencial para contribuir para o desejável desenvolvimento sustentado das Organizações, promovendo processos de produção sustentáveis, baseados em aplicações biotecnológicas que visem, directa ou indirectamente, a optimização dos processos, a utilização responsável dos recursos naturais e a valorização e tratamento de resíduos e efluentes, como forma de assegurar a preservação do Ambiente.
Bibliografia
1. Burkhard, R., Deletic, A., Craig, A., 2000. Techniques for water and wastewater management: a review of techniques and their integration in planning. Urban Water, 2, 197-221.
2. Centro de Informação de Biotecnologia, 2006. www.cibpt.org. Consultado em 2009.
3. Comissão das Comunidades Europeias, 2005. Ciências da Vida e Biotecnologia – Uma estratégia para a Europa. Terceiro relatório intercalar e orientações futuras.
4. Decreto-Lei nº 173/2008 de 26 de Agosto, Diário da República, 1ª Série , nº 164.
5. Estratégia Nacional para o Desenvolvimento Sustentável, 2007. Resolução do Conselho de Ministros n.º 109/2007.
6. MAOTDR, 2007. Plano Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais (2007-2013).
