aula viii - biorremediação de solos

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BIORREMEDIAÇÃO

DE

SOLOS

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Compostos químicos sintéticos SOLO

(substâncias antropogênicas)

XENO (estranho) BIÓTICO (vida)

Detergentes, lubrificantes, fibras, plásticos, pigmentos, biocidas, óleos e outros

CONTAMINAÇÃO/POLUIÇÃO DO AMBIENTE

Desafio para a Ciência e Tecnologia

INTRODUÇÃO

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Poluição do solo Poluição do solo -- SPSP

Evolução do número de áreas cadastradas (CETESB, 2008)

Principais pesticidas (xenobióticos): grupo dos organofosforados, carbamatos, feniluréias, etc.

Brasil: 5º maior consumidor de pesticidas do mundo.

• Herbicidas: 60% das vendas

• Inseticidas: 21%

• Fungicidas: 16%

Ingredientes ativos: 278 no Brasil (3,2 kg/ha/ano)

mundial 0,7 kg/ha/ano

Grandes culturas: soja, milho, cana, arroz, café, algodão,

pastagem, trigo, etc.

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Possíveis efeitos dos pesticidas sobre os componentes bióticos do agrossistema (Moreira & Siqueira, 2006)

O DESTINO E O COMPORTAMENTO DOS AGROTÓXICOS

SOLO


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XENOBIÓTICO

Concentração

Organismos

BioacumulaçãoBioacumulação

Corpos d’águaCorpos d’água EcossitemaEcossitema

LixiviaçãoLixiviação

ErosãoErosão

Reações Reações químicas/Físicasquímicas/Físicas

BiodegradaçãoBiodegradação

Volatilização FotodecomposiçãoAbsorção

SOLOSOLO

Fase Fase DissolvidaDissolvida

NALPNALP

Fase Fase VaporVapor

Fase Fase AdsorvidaAdsorvida

Processos e transformações que regulam a persistência, o destino e os impactos potenciais dos xenobióticos (Moreira & Siqueira, 2006)

Classificação quanto à persistência:

• Não persistentes: t1/2 < 3 meses

• Moderadamente: 3-12 meses

• Persistentes ou recalcitrantes: > 12 meses

Persistência: conseqüência da baixa taxa de hidrólise abiótica, baixa suscetibilidade à degradação biológica, baixa volatilidade, baixa mobilidade e elevada partição no solo.

TERMOS IMPORTANTES

• Persistência (detectável): dissolvido ou adsorvido

• Dissipação (desaparecimento): processos diversos

• Meia vida (t1/2): tempo para 50% de dissipação

tempo

A

B

C

Degra

daçã

o

Pers

istê

nci

a

A = baixa persistência

B = intermediária

C = alta recalcitrância

Inseticidas (organoclorados):

DDT = 12,0 anos

BHC = 11,0 anos

Herbicidas (organofosforados):

Triazinas = 1,5 ano

Carbamatos = 0,2 ano

Fungicidas = 0,1 a 0,5 ano

A´

B´

Degradação x Persistência

C´

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Principais fatores e suas inter-relações que controlam a degradabilidade, degradação e persistência de xenobióticos no solo (Moreira & Siqueira, 2006)


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Representação da magnitude e reversibilidade das respostas dos organismos e processos à aplicação de xenobióticos. Resposta relativa e absoluta (ex. CO2 acumulativo) em função do tempo (Moreira & Siqueira, 2006)

IMPACTO SOBRE A BIOTA E PROCESSOS DO SOLO

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ABIÓTICA x BIÓTICA

Capacidade: EVOLUÇÃO (+400 milhões de anos)

Princípio da INFALIBILIDADE MICROBIANA...

(biodegradação de substâncias naturais)

DEGRADAÇÃO DE XENOBIÓTICOS NO SOLO

•• DestoxicaçãoDestoxicação

•• DegradaçãoDegradação

- Fotoquímicos;

- Microbianos;

- Químicos;

- Metabólicos;

•• MineralizaçãoMineralização

•• ConjugaçãoConjugação

•• AtivaçãoAtivação

•• Mudança de espectro de toxidezMudança de espectro de toxidez

TRANSFORMAÇÕES DOS XENOBIÓTICOS NO SOLO

Fatores Fatores interferentes...interferentes...

-Temperatura;

-pH;

-Características físicas;

-Matéria-orgânica

-...

Biodegradação de diferentes pesticidas em dois tipos de solo

(Monteiro, 1997 apud Moreira & Silveira, 2006)


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DESTOXICAÇÃO: molécula tóxica a (menos)

atóxica.

Ex. DDT desidrogenação DDE

DEGRADAÇÃO: substância tóxica a outra mais

simples. (Perda da atividade ou desaparecimento do xeno)

• FOTOQUÍMICOS: luz solar

• MICROBIANOS: BIODEGRADAÇÃO (complexa)

• QUÍMICOS: reações abióticas (óxido-redução)

• METABÓLICOS: absorção por plantas/animais

MINERALIZAÇÃO: degradação completa a CO2 +

H2O...

Biodegradação x Mineralização ? 18

CONJUGAÇÃO: complexação

(menos tóxico e mais recalcitrante)

ATIVAÇÃO: produto não tóxico para tóxico

(biótico)

MUDANÇA DE ESPECTRO DE TOXIDEZ: a

toxidez passa de um grupo de organismos para outro

BIODEGRADAÇÃO: complexo e multidisciplinar

v FONTE DE ENERGIA E CARBONO

v ENZIMAS EXTRACELULARES

v CO-METABOLISMO

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Atividade da biomassa em relação à transformação de xenobióticos no solo (Moreira & Siqueira, 2006) 20

Relações entre o crescimento microbiano e a concentração do substrato em populações degradadoras por processos metabólicos (a) e por co-metabolismo (b) (Moreira & Siqueira, 2006)


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1) BACTÉRIAS:

• Gram-, aeróbias/microaerofílicas FBN: Azospirillum e Hafnia

• Bastonetes Gram-, aeróbios: Pseudomonas, Xanthomonas, Alcaligenes, Azotobacter, Rhizobium...

• Bastonetes Gram-, anaeróbios facultativos: Proteus, Enterobacter, Klebsiella, Serratia

• Bastonetes e cocos Gram+ espor.: Bacillus, Clostridium

• Bastonetes, Gram+, não esporulantes: Actinomyces, Streptomyces, Arthrobacter, etc.

2) EUCARIOTOS: aeróbios e heterotróficos

• Mucor, Rhizopus, Neurospora, Fusarium, Glomerela, Aspergillus, Rhizoctonia, etc.

A BIODEGRADAÇÃO DE XENOBIÓTICOS

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Rota de degradação do herbicida 2,4 D pela Alcaligenes eutrophus JMP 134 (plasmídeo pJP4) (Moreira & Siqueira, 2006)

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a) CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS DA MOLÉCULA

• tamanho, estrutura química, forma, carga, grupos funcionais

b) FATORES AMBIENTAIS

• temperatura (máximos a 24-35oC)

• pH (ideal 5,6-8,0)

• características físicas (área de superfície e porosidade)

• MO e nutrientes

• metais pesados

• comunidade microbiana (biodegradação acelerada)

FATORES QUE AFETAM A BIODEGRADAÇÃO

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BIODEGRADAÇÃO ACELERADA/AUMENTADA

Processo natural de adaptação metabólica da comunidade (não bem compreendido)

Aumento na população específica e de sua atividade degradadora (não ocorre somente seleção)

Conseqüências opostas:

1. ACELERAÇÃO DO DESAPARECIMENTO

2. REDUÇÃO DA EFICÁCIA DO AGROTÓXICO NO SOLO


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BIOAUMENTAÇÃO

Aumento da capacidade degradadora da microbiota

1.Aumento natural (estímulos)

2. Transferência de local contaminado para outro

3. Introdução de microrganismos selecionados ou melhorados geneticamente

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A RECALCITRÂNCIA

Resistência à decomposição no solo ou degradação muito lenta!

Ex: Bifenil-clorados, inseticidas, herbicidas, etc.

a) características estruturais (grupos)

b) desativação de sistemas enzimáticos

c) inacessibilidade do substrato às enzimas

d) ausência de fatores de crescimento ou condições

e) ausência de microrganismos capacitados

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Estratégia/Processo que emprega microrganismos ou suas enzimas para destoxificar contaminantes no solo ou outros ambientes.

DEGRADAÇÃO MICROBIANA (BIODEGRADAÇÃO)

Compostos químicos importantes:

v HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS

v HIDROCARBONETOS HALOGENADOS

v DERIVADOS NITROGENADOS DO NITROTOLUENO

BIORREMEDIAÇÃO MICROBIANA

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HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS

Ex.: policíclicos e polinucleares (PAHs ou HAPs)

• Compostos orgânicos voláteis

• Lipofílicos

• Efeitos mutagênicos e carcinogênicos (> interesse)

• Ações no solo: > 100 mg kg-1

HIDROCARBONETOS HALOGENADOS

Ex. PCP (pentaclorofenol), PCBs (bifenis policlorados)...

• Maior persistência no solo

• Baixa solubilidade

• Configuração e tamanho celular

• Toxicidade


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DERIVADOS NITROGENADOS DO NITROTOLUENO

Ex.: materiais usados no TNT (2,4,6 - trinitrotolueno)

Portanto ...

SUCESSO DA BIORREMEDIAÇÃO

v EXISTÊNCIA DE MICRORGANISMOS CAPACITADOS

v CONTAMINANTE DISPONÍVEL OU ACESSÍVEL

v AMBIENTE ADEQUADO PARA O MICRORGANISMO 0 400 800 1200 1600

Solventes aromáticos

Combustíveis líquidos

PAHs

Metais

Solventes halogenados

Outros contaminantes

Outros inorgânicos

Fenóis halogenados

Solventes aromáticos halogenados

Biocidas

PCBs

Ftalatos

Microbiológicos

Radionuclídeos

Anilinas

Dioxinas e furanos

Contaminantes do soloContaminantes do solo

Grupos de contaminantes nas áreas cadastradas (CETESB, 2008)

Agricultura

Poços de combustíveis

Poluição do solo Poluição do solo -- SPSP

Distribuição das áreas contaminadas cadastradas

(CETESB, 2008)

Propriedades de pesticidas na PIM de maças. (Paraíba, 2008)

Propriedades dos hidrocarbonetos

(Tiburtius et al., 2004)


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Propriedades dos Poluentes Orgânicos Persistentes (Felix et al., 2007)

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BIODEGRADAÇÃO

Sucesso em f:

v Natureza química do composto

v Bioatividade

v Distribuição na matriz do rejeito ou de solo

v Concentração do contaminante

Petróleo bruto, hidrocarbonetos de petróleo (gasolina, óleo diesel, combustível de avião), preservativos de

madeira, solventes diversos, lodo de esgoto urbano ou industrial, etc. (+300 compostos)

TRATAMENTOS EX SITU

TRATAMENTOS IN SITU

TÉCNICAS DE BIORREMEDIAÇÃO

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Biorremediação Fundamentos e definições

Passiva Degradação natural (indígenas)

Bioestimulação Ação de nutrientes na estimulação

Bioventilação Estimulação usando gases (O2, CH4)

Bioaumentação Inoculação de organismos selecionados para degradação

Landfarming Uso do solo na descontaminação

Compostagem Uso de organismos termofílicosaeróbios em pilhas (biopilhas)

Tipos e estratégias para biorremediação do solo (Moreira & Siqueira, 2006)

Evolução da ANM de derramamento de gasolina (Malamud et al., 2005)

BIORRREMEDIAÇÃO PASSIVA BIORRREMEDIAÇÃO PASSIVA --ATENUAÇÃO ATENUAÇÃO NATURAL MONITORADANATURAL MONITORADA

IN


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Seção transversal de uma célula da unidade de tratamento no solo empregado pelo landfarming (Moreira & Siqueira, 2006)

LANDFARMING

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1) LANDFARMING

• Incorporação ao solo = "zona de tratamento"

• Inclusão de plantas = Fitorremediação

• Tratamento de rejeitos (indústria petroquímica)

Ex1: Petróleo (solos c/7%) - 350x em poucos meses)

• Ambiente adequado: O2, N, P, C/N, etc.

Ex2: C/N/P 70/5/1 - degradação de petróleo (60-86%) em menos de 1 ano

Ex3: Petrobrás (Curitiba): trat. de 0,5-1,0 m3 de óleo por m2 ao ano custo de R$ 9,00 a R$ 12,60/m3

TRATAMENTOS/TÉCNICAS/ESTRATÉGIAS EX SITU

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TRATAMENTOS/TÉCNICAS/ESTRATÉGIAS EX SITU...

Ex4: Ciba-Geisy (EUA): solo com atrazina

+880 kg 13-13-13 + Pseudomonas selecionadas

20 semanas

de 100 para 10 mg kg-1 (gasto de US$ 1,05 milhões)

X

Escavação e disposição do solo (US$ 5,3 milhões)

ECONOMIA: US$ 2-3 milhões por 1 ha de solo poluído!

LandfarmingLandfarming

Degradação de hidrocarbonetos e lodo biológico em processos

de landfarming (Coneglian, 2005)

EX


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2) BIORREMEDIAÇÃO FASE SÓLIDA (BIOPILHAS)

• Pilhas de solo = CÉLULAS DE TRATAMENTO

• Controle mais rigoroso de gases e lixiviados

• Mais seguro que o landfarming

• “Compostagem” (barato e de fácil monitoramento)

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TRATAMENTOS/TÉCNICAS/ESTRATÉGIAS IN SITU

1) BIOAUMENTAÇÃO - INOCULAÇÃO

Inoculação de microrganismos selecionados, adaptados ou transgênicos

• Agrobacterium radiobacter J14a (atrazina)

• Phanerochaete chrysosporum (+60 xenobióticos)

PLASMÍDEOS ... !

BIOAUMENTAÇÃO/BIOESTIMULAÇÃOBIOAUMENTAÇÃO/BIOESTIMULAÇÃO

Taxa de degradação do fenol em solos por Aspergillus sp. (Passos, 2006)

Bioaumentação

Bioestimulação

IN


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45

TRATAMENTOS/TÉCNICAS/ESTRATÉGIAS IN SITU

EXTRA ...

2) FITORREMEDIAÇÃO

Uso de plantas para aceleração da degradação

Ex1: Panicum virgatum em solos com PAHs (185 ppm)

(26% redução sem planta e 57% com planta)

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Mecanismo Objetivo do Processo

Meio Contaminantes Plantas

Fitoextração Extração e Captura do contaminante

Solo, sedimento e várzea

Metais: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn; Elementos Radioativos:

90Sr,

13 7Cs,

239Pu,

238U,

23 4U

Mostarda indiana, girassol, álamo híbrido

Rizofiltração Extração e Captura do contaminante

Água da superfície e subterrânea

Metais e Elementos Radioativos

Girassol, Mostarda indiana

Fitoestabilização Contenção do contaminante

Solo, sedimento e várzea

As, Cd, Cr, Cu, Hs, Pb, Zn

Mostarda indiana, álamo híbrido, grama

Rizodegradação Destruição do contaminante

Solo, sedimento, várzea e água subterrânea

Compostos orgânicos (TPH, PAHs, pesticidas, solventes clorados, PCBs)

Arroz, amora vermelha, álamo híbrido

Fitodegradação Degradação ou mineralização do contaminante

Solo, sedimento, várzea, água subterrânea e de superfície

Compostos orgânicos, solventes clorados, fenóis, herbicidas e munição

Algas, álamo híbrido, salgueiro preto

Fitovolatilização Extração do contaminante do meio e liberação para o ar

Água subterrânea, solo, sedimento e várzea

Solventes clorados, alguns elementos inorgânicos (Se, Hg e As)

Alfafa, mostarda indiana, álamo

Mecanismos da Fitorremediação

FITORREMEDIAÇÃOFITORREMEDIAÇÃO

Biodegradação de HAP’s em 100 dias com e sem Panicum virgatum (Moreira e Silveira, 2006)

IN EX

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Sistema de tratamento de rizofiltração ex situ

Técnicas de biorremediação (Jacques et al., 2007)

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1) Concepção antiga

2) Principal tecnologia de remediação de solo

v Baixo custo: US$ 13 a 1500 por t de solo tratado

v Solução permanente

v Fundamentada em processos naturais

v Aplicável a vários contaminantes

v Grande aceitação pública

3) Brasil: pouco praticada (Landfarming) – ESTUDOS...

CONSIDERAÇÕES FINAIS


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MOREIRA, F.M.S.; SIQUEIRA, J.O. Microbiologia e bioquímica do solo. 2.ed. Lavras: UFLA, 2006. cap. 6. p.263-312

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA


aula viii - biorremediação de solos

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