CEN 0212 - Poluição dos EcossistemasCEN 0212 - Poluição dos Ecossistemas::Terrestres Aquáticos e AtmosféricosTerrestres Aquáticos e Atmosféricos

Biodegradação e BiorremediaçãoBiodegradação e Biorremediação

Regina Teresa Rosim MonteiroRegina Teresa Rosim Monteiro monteiro@cena.usp.br www.cena.usp.br/Apostilas/Reginawww.cena.usp.br/Apostilas/Regina

ConceitosConceitos

Remediação:Remediação: Conjunto de tecnologias Conjunto de tecnologias adotadas para redução ou eliminação de adotadas para redução ou eliminação de compostos perigosos ao ambiente, por compostos perigosos ao ambiente, por métodos físicos e químicos.métodos físicos e químicos.

BiorremediaBiorremediaçção:ão: Conjunto de tecnologias Conjunto de tecnologias que empregam processos biolque empregam processos biolóógicos gicos isoladamente ou associados a tisoladamente ou associados a téécnicas de cnicas de engenharia para reduengenharia para reduçção ou eliminaão ou eliminaçção de ão de compostos perigosos ao ambiente.compostos perigosos ao ambiente.

Porque Remediação de resíduos:Porque Remediação de resíduos:

Resíduos - um dos mais graves problemas Resíduos - um dos mais graves problemas mundiais na atualidade.mundiais na atualidade.

Os resíduos são resultados da sobra de Os resíduos são resultados da sobra de atividades da população em geral, sejam: atividades da população em geral, sejam: industriais, domésticas, hospitalares, industriais, domésticas, hospitalares, comerciais ou agrícolas.comerciais ou agrícolas.

Podem se apresentar nos estados: sólido, Podem se apresentar nos estados: sólido, semi-sólido e líquido. semi-sólido e líquido.

Áreas ContaminadasÁreas Contaminadas

são locais que apresentam substâncias são locais que apresentam substâncias tóxicas distribuídas de forma não controlada tóxicas distribuídas de forma não controlada nos diferentesnos diferentes compartimentos do ambiente, compartimentos do ambiente, que em função do nível deque em função do nível de concentração, concentração, determinam riscos potenciais à saúde dos determinam riscos potenciais à saúde dos seresseres vivos ou prejuízos àvivos ou prejuízos à qualidade dos qualidade dos recursos naturais.recursos naturais.

Sítios Sítios historicamentehistoricamente contaminados contaminados

Áreas contaminadasÁreas contaminadas recentemente recentemente por por acidente ou incidente.acidente ou incidente.

Poluentes QuímicosPoluentes Químicos

Metais

Pesticidas

HPAs

BTX

PCBs

DioxinasFuranos

Disruptores endócrinos

Fonte:CETESB

Contaminantes Dez. 2010 – Fonte: CETESB

A Degradação dos ResíduosA Degradação dos Resíduos

Pode ocorrer no solo, no ar, na água e Pode ocorrer no solo, no ar, na água e nos organismos. nos organismos.

Pode ser: Pode ser: Química:Química: Hidrólise, oxidação, redução Hidrólise, oxidação, redução

Fotoquímica:Fotoquímica: luz ultra-violeta luz ultra-violeta (fotossensitivadores)(fotossensitivadores)

Biológica:Biológica: Metabolismo dos seres vivos Metabolismo dos seres vivos

Microrganismo DegradadoresMicrorganismo Degradadores

Os Microrganismos: Bactérias, fungos, algas e Os Microrganismos: Bactérias, fungos, algas e protozoários.protozoários.

São os decompositores na teia alimentar. São os decompositores na teia alimentar. Decompositores – ciclo biogeoquímico.Decompositores – ciclo biogeoquímico. A decomposição é realizada por meio de A decomposição é realizada por meio de

enzimas.enzimas. A decomposição é realizada para obter: A decomposição é realizada para obter:

alimento e crescimento. E para isto necessita alimento e crescimento. E para isto necessita de abrigo (ambiente propício)de abrigo (ambiente propício)

Vias de Degradação:Vias de Degradação: Catabolismo: Catabolismo: Microrganismos utilizam moléculas orgânicas como Microrganismos utilizam moléculas orgânicas como

fonte de C e energia para produção de biomassa;fonte de C e energia para produção de biomassa;

Biodegradação associada ao crescimento: O Carbono Biodegradação associada ao crescimento: O Carbono da molécula é convertido em COda molécula é convertido em CO2 2 e componentes e componentes

celularescelulares;; Cometabolismo:Cometabolismo:Microrganismos incapazes de utilizá-la como fonte de Microrganismos incapazes de utilizá-la como fonte de

energia. A população metabolicamente ativa não energia. A população metabolicamente ativa não obtém nutrientes do substrato cometabolizado. obtém nutrientes do substrato cometabolizado. Necessita de outra fonte de alimento para crescer.Necessita de outra fonte de alimento para crescer.

Biodegradação associada ao crescimento Biodegradação associada ao crescimento microbianomicrobiano

Bactérias utilizam 4-nitrofenol como fonte de C para produção de biomassa, em esgoto com 2 mg

L-1 de 4-nitrofenol Alexander, 1994

Tempo de BiodegraçãoTempo de Biodegração

Estrutura química do poluente: Estrutura química do poluente:

complexidade biodegradabilidadecomplexidade biodegradabilidade

Tempo (anos)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

% R

em

an

esce

nte

1

10

100

Fenóis (10%)

Ceras (25%)

Lignina (50%)

Celulose (75%)

Hemicelulose (90%)

Açúcares Simples (99%)

Taxa de biodegradação depende da Taxa de biodegradação depende da complexidade da moléculacomplexidade da molécula

Degradação AceleradaDegradação Acelerada

• Ausência de microrganismos com sistemas enzimáticos

adequados;

• Estrutura Química, presença de halogênios e anéis

aromáticos

• Concentrações tóxicas;

• Temperatura, a maioria dos organismos são mesofilos;

• pH afeta principalmente disponibilidade e solubilidade;

• Conteúdo de água, sua atividade deve estar entre

aw=0,9 a 1;

• Conteúdo de oxigênio ;

• Biodisponibilidade.

CAUSAS DA RECALCITRÂNCIA

Degradação pelos Degradação pelos MicrorganismosMicrorganismos

Aeróbia:

Fungos e

Bactérias

Anaeróbia:Bactérias e Leveduras

VANTAGENS DOS PROCESSOS VANTAGENS DOS PROCESSOS ANAERÓBIOSANAERÓBIOS

Baixa produção de lodo, cerca de 5 a 10 Baixa produção de lodo, cerca de 5 a 10 vezes inferior a que ocorre nos processos vezes inferior a que ocorre nos processos aeróbios; aeróbios;

Menor consumo de energia elétrica;Menor consumo de energia elétrica; Baixa demanda de área, reduzindo os custos Baixa demanda de área, reduzindo os custos

de implantação e transporte; de implantação e transporte; Produção de metano, um gás combustível de Produção de metano, um gás combustível de

elevado teor calorífico; elevado teor calorífico;

VANTAGENS DOS PROCESSOS VANTAGENS DOS PROCESSOS AERÓBIOSAERÓBIOS

Maior velocidade de degradação que nos Maior velocidade de degradação que nos processos anaeróbios; processos anaeróbios;

A degradação pode ser completa, havendo A degradação pode ser completa, havendo mineralização do(s) composto(s);mineralização do(s) composto(s);

Leva a destoxicação; Leva a destoxicação; Produção de COProdução de CO22, um gás sem energia, , um gás sem energia,

menor efeito estufa que CHmenor efeito estufa que CH44..

Tipos de BirremediaçãoTipos de Birremediação

In –situ: In –situ:

Biodegradação no local.Biodegradação no local.

Ex- situ:Ex- situ:

Bombeamento;Bombeamento;

Transporte para land farming ou biorreatores Transporte para land farming ou biorreatores ou compostagem.ou compostagem.

Biorremediação “in situ” ou “ex-situ”Biorremediação “in situ” ou “ex-situ”

““in situ”- Adicionando nutrientes ou adicionando

microrganismos com ou sem nutrientes; adição de enzimas; adição de oxigênio, surfactantes, fitorremediação.

“ex-situ” – - Land farming;

- Biopilha ou Compostagem;- Reator biológico;- Biofilmes: Imobilização.

SurfactantesUtilizados para dessorver

Surfactantes Sintéticos: Ex Tween 30, 80, etc.

Biosurfactantes: exopolímeros produzidos por microrganismos. Potencial de uso in situ para descontaminação de solos.

Solventes: acetona, DMS, etc. – não afetam os microrganismos

LegislaçãoLegislação

Resolução 314 do Conama, visa disciplinar do Conama, visa disciplinar o registro de produtos com a finalidade de o registro de produtos com a finalidade de biorremediar solos afetados por biorremediar solos afetados por vazamentos de petróleo e seus derivados, vazamentos de petróleo e seus derivados, sendo esta uma opção viável.sendo esta uma opção viável.

Estímulo dos microrganismos já existentes (autóctones) no ambiente.

É a introdução de microrganismos no solo ou água (aclimatados ou modificados)

ESTIMULAÇÃO BIOESTIMULAÇÃO

Eficiência da ETE, com e sem adição dos bioaditivos, os valores médios da DQO e DBO de saída dos meses de 2001 (sem

adição de microrganismos) com os valores obtidos em fev. e março de 2002 (com adição de microrganismos). Tratamento anaeróbio.

Tecnologia Alternativa para Tratamento Biológico de Efluentes. E. Lazzaretti Saneamento Ambiental 88(jul-ago):38-40,2002.

DQO mg/LJan/01 = 297Mar/02 = 83,5

Introdução de MicrorganismosIntrodução de Microrganismos

Microrganismos selecionados.Microrganismos selecionados.

Microrganismos melhorados geneticamente ou não.Microrganismos melhorados geneticamente ou não. Microrganismos –comunidade degradadora- inóculo Microrganismos –comunidade degradadora- inóculo

continuado.continuado.

Forças que dirigem a transformação e ecologia Forças que dirigem a transformação e ecologia microbiana. Pode ser a rizosfera de uma planta, microbiana. Pode ser a rizosfera de uma planta, indutor enzimático, etc.indutor enzimático, etc.

• Ausência de microrganismos com sistemas enzimáticos

adequados;

• Estrutura Química, presença de halogênios e anéis aromáticos

• Concentrações tóxicas;

• Temperatura, a maioria dos organismos são mesofilos;

• pH afeta principalmente disponibilidade e solubilidade;

• Conteúdo de água, sua atividade deve estar entre aw=0,9 a 1;

• Conteúdo de oxigênio ;

• Biodisponibilidade.

CAUSAS DA RECALCITRÂNCIA

BasidiomicetosBasidiomicetos

Fungos basidiomicetos: microrganismos com Fungos basidiomicetos: microrganismos com elevada capacidade de decomposielevada capacidade de decomposiçção de ão de molmolééculas complexas;culas complexas;

ParticipaParticipaçção fundamental na ciclagem de ão fundamental na ciclagem de nutrientes;nutrientes;

-Enzimas extracelulares, suportam substâncias -Enzimas extracelulares, suportam substâncias toxicas.toxicas.

Necessitam de indutor: celulose ou lignina Necessitam de indutor: celulose ou lignina ––, as , as vezes o prvezes o próóprio poluente prio poluente éé indutor das enzimas. indutor das enzimas.

Sistema Celulolitico:

CeluloseHemiceluloses

Lignina

Sistema Ligninolítico

Lacases

Manganês peroxidases

Lignina peroxidases

Quinonas

Fissão do anel

CO2

Fungo Basidiomiceto

Descoloração(biodegradação)

Metabólitos secundários

Produtos tóxicos e ou inertes

Controle F2 F6

Descoloração de efluente em bagaço de cana

Bagaço +efluente

Bagaço +efluente +

fungo

Descoloração de efluente em bagaço de cana

Porcentagem de redução dos componentes Porcentagem de redução dos componentes do lodo após tratamento com Pleutrotus :do lodo após tratamento com Pleutrotus :

DQO 53%DQO 53%FDN/FDA 42%FDN/FDA 42%FenóisFenóis 61% 61%

Teste de AMES para mutagenicidade Teste de AMES para mutagenicidade CCB 020 negativo, o lodo é CCB 020 negativo, o lodo é mutagênico.mutagênico.

Biorremediação de MetaisBiorremediação de Metais

O Processo de extração, solubilização (lixiviação) e recuperação de elementos químicos é muito antigo, na Espanha tem descrição de 23 a 79 dC. A descrição de lixiviação de cobre em pilhas em escala industrial é descrita em 1752 as bactérias acidófilas ocorre junto com o mineral. Lagoas impermeabilizadas onde o mineral é irrigado: CuFeS2, Cu5FeS4, CuS.

Nostoc CENA-61

Células vivas ou mortas de cianobactérias são capazes de adsorver e acumular metais. Bainhas que envolvem as células adsorvem.

Fonte: CETESB, 2005Elementos QuímicosValores de referencia e Intervenção

FitorremediaçãoFitorremediação

Uso de plantas in situ para:Uso de plantas in situ para:

BiorremediarBiorremediar

EstabilizarEstabilizar

RestaurarRestaurar

ReduzirReduzir

Locais contaminados: ar, água, sedimento ou/e Locais contaminados: ar, água, sedimento ou/e solo.solo.

Mecanismos de fitorremediaçãoMecanismos de fitorremediação

Uma fração do metal é absorvida pela raiz

Metal na forma biodisponível atravessa a membrana, entrando na célula

Metal móvel vai para o tecido vascular

Metal é translocado da raiz para a parte aérea da plantaSlide: Vanessa Nessner Kavamura

Fitoextração: armazenamento no tecidoda planta hiperacumuladoras.

FitovolatilizaçãoFitovolatilização

Planta absorve Planta absorve compostos, os compostos, os quebra e volatiliza quebra e volatiliza à medida que à medida que transpira; Ex transpira; Ex arsênio, Hg, Searsênio, Hg, Se

Rizofiltração - fitofiltraçãoRizofiltração - fitofiltração

Uso de plantas Uso de plantas para remoção para remoção de de contaminantes contaminantes na água;na água;

Plantas aquáticasPlantas aquáticas

Plantas aquáticas absorvem altas concentrações de Cu, Zn e Plantas aquáticas absorvem altas concentrações de Cu, Zn e Pb diretamente da água;Pb diretamente da água;Maior potencial que plantas terrestres no caso de Maior potencial que plantas terrestres no caso de descontaminação de águas pluviais;descontaminação de águas pluviais;

FitoestabilizaçãoFitoestabilização Imobilização dos Imobilização dos

contaminantes por:contaminantes por: Absorção e acúmulo nas raízes;Absorção e acúmulo nas raízes; Adsorção às raízes;Adsorção às raízes; Precipitação nas raízes; Precipitação nas raízes;

Produção de quelantes, Produção de quelantes, enzimas, exsudatos;enzimas, exsudatos;

Reduz biodisponibilidade;Reduz biodisponibilidade;

Fitodegradação – fitotransformaçãoFitodegradação – fitotransformação

Quebra dos contaminantes no Quebra dos contaminantes no interior dos tecidos vegetais;interior dos tecidos vegetais;

Quebra dos contaminantes ao Quebra dos contaminantes ao redor das raízes - enzimas;redor das raízes - enzimas;

Planta utiliza as moléculas Planta utiliza as moléculas degradadas para seu degradadas para seu crescimento;crescimento;

Rizorremediação – Rizorremediação – microrganismos que degradam microrganismos que degradam ou absorvem ex as micorrizas;ou absorvem ex as micorrizas;

Aplicação de Pseudomonas putida modificada geneticamente para produzir um peptídeo com alta afinidade por cádmio. Metalotioneínas

Fitorremediação do ArFitorremediação do Ar

Controle de diversos compostos tóxicos de naves espaciais, edifícios fechados, onde há presença de produtos voláteis de tintas, colas, pesticidas, produtos de limpeza, químicos de copiadoras, impressoras, etc.Presença de microrganismos patogênicos;Plantas: Dracena, milho, feijão,Kalanchoe, filodendro, etc. São capazes de absorver e metabolizar compostos como benzeno, etc.

VantagensVantagens In-situ In-situ – não há – não há

necessidade de escavação necessidade de escavação do solo ou bombeamento do solo ou bombeamento da água, evitando prejuízo da água, evitando prejuízo ao ecossistema;ao ecossistema;

Mais barata que as Mais barata que as tecnologias convencionais;tecnologias convencionais;

Baixo impacto;Baixo impacto;

Recuperação de metais Recuperação de metais valiososvaliosos

TratamentoTratamento Custo ($/ton)Custo ($/ton)

Tratamento Tratamento químicoquímico

75-42575-425

EletrocinéticaEletrocinética 20-20020-200

FitorremediaFitorremediaçãoção

5-405-40

Fonte: Glass, 1999

DesvantagensDesvantagens

Falta de informação Falta de informação sobre plantas sobre plantas metalófitas;metalófitas;

Baixa tolerância da Baixa tolerância da planta a metais;planta a metais;

Disponibilidade dos Disponibilidade dos metais para extração metais para extração pelas raízes;pelas raízes;

Risco de contaminação Risco de contaminação ao longo da cadeia ao longo da cadeia alimentar;alimentar;

Considerações FinaisConsiderações Finais Os microrganismos em geral podem acumular ou Os microrganismos em geral podem acumular ou transformar elementos contaminantes, como resultado transformar elementos contaminantes, como resultado de reações enzimáticas ou de contato com a superfície de reações enzimáticas ou de contato com a superfície desses organismos;desses organismos;

Esses processos ocorrem naturalmente;Esses processos ocorrem naturalmente;

Microrganismos podem ser utilizados imobilizados Microrganismos podem ser utilizados imobilizados para tratamentos de efluentes industriais, de jazidas, para tratamentos de efluentes industriais, de jazidas, resíduos municipais e em programas de resíduos municipais e em programas de biorremediação através de land-farming e biorremediação através de land-farming e compostagem.compostagem.

Biorremediação requer conhecimento de várias Biorremediação requer conhecimento de várias disciplinas.disciplinas.

Referencias Referencias

DELLAMATRICE, P.M.; MONTEIRO, R.T.R.; KAMIDA, H.M.; DELLAMATRICE, P.M.; MONTEIRO, R.T.R.; KAMIDA, H.M.; NOGUEIRA, N.L.; ROSSI, M.L.; BLAISE,C. Decolourization of NOGUEIRA, N.L.; ROSSI, M.L.; BLAISE,C. Decolourization of municipal effluent and sludge by municipal effluent and sludge by Pleurotus sajor-cajuPleurotus sajor-caju and and Pleurotus ostreatusPleurotus ostreatus. World Journal of Microbiology & . World Journal of Microbiology & Biotechnology, vol.21, p. 1363-1369, 2005.Biotechnology, vol.21, p. 1363-1369, 2005.

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ANDRADE, J.M; TAVARES, S.R.L.; MAHLER, C.F. ANDRADE, J.M; TAVARES, S.R.L.; MAHLER, C.F. Fitorremediação: o uso de plantas na melhoria da qualidade Fitorremediação: o uso de plantas na melhoria da qualidade ambiental, 2007. São Paulo: Oficina de textos.176p.ambiental, 2007. São Paulo: Oficina de textos.176p.

Melo, I.S. et al. (Ed.) Biodegradação, 2001, Jaguariúna: Melo, I.S. et al. (Ed.) Biodegradação, 2001, Jaguariúna: Embrapa/Meio Ambiente. 440p.Embrapa/Meio Ambiente. 440p.