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Biodegradação do Petróleo

Faculdade de Viçosa - FDVEngenharia Ambiental

DEA 230 – Microbiologia e Bioquímica AplicadasProfessora: Narah Vitarelli

O que é Petróleo?

• Petróleo (do latim petroleum: petrus = pedra e oleum = óleo

• combinação complexa de hidrocarbonetos (carbono + hidrogênio), composta na sua maioria de hidrocarbonetos alifáticos, alicíclicos e aromáticos, podendo conter também quantidades pequenas de nitrogênio, oxigênio, compostos de enxofre e íons metálicos

• É a principal fonte de energia utilizada pelo homem, porém não é renovável

• derivados do petróleo: querosene, óleos combustíveis, óleos lubrificantes, óleo diesel, combustível para avião, parafina, ...

Petróleo - origem

Sedimentos do carbonífero

Petróleo e Meio Ambiente

• Um dos maiores desastres ecológicos mundiais

• Contaminação das águas

• Fauna marinha ameaçada

• Difícil degradação!!!

Desastre de 2010: plataforma Deepwater Horizon (Golfo do México)

20 de abril: explosão da plataforma 25 de abril: imagem de satélite do

derramamento de petróleo

Consequências do derramamento de petróleo:

Tentando amenizar o problema ...

A solução (se é que assim podemos dizer) mais eficiente é ...



• Capacidade de certos microrganismos de utilizar hidrocarbonetos como fonte de energia (fonte de carbono)

• Na déc. 60 ocorreram 3 incidentes ambientais com petróleo (naufrágio do tanque Torrey Canyon; Santa Bárbara e Flórida) -> colocaram a poluição ambiental por vazamento de petróleo no foco do mundo

• o petróleo pode ser eliminado do meio por evaporação, queima ou biodegradação, porém outros compostos são recalcitrantes.

• a biodegradação completa do petróleo consiste na quebra dos hidrocarbonetos tendo como produtos finais CO2 + H2O.

Hidr

ocar

bone

tos d

o pe

tról

eoN-alcanos

BTEX: Benzeno, Tolueno, Etilbenzenos e Xilenos

HPAs: Hidrocarbonetos Policíclicos, Aromáticos

Metano

A maioria das moléculas é composta por C e H, podendo ocorrer S e N

Quais são os microrganismos capazes de degradar o petróleo?

• Há uma grande diversidade de microrganismos capazes de utilizar hidrocarbonetos como fonte de energia (fonte de carbono)

• A maioria são mesofílicos. Porém alguns foram encontrados em ambientes extremos (Ártico e Antártico), poucos em ecossistemas com altas temperaturas (temperatura máxima de biodegradação 60°C, ex: deserto do Kuwait)

• quem são: Maioria bactérias, porém fungos, cianobactérias, algas e protozoários também são degradadores de hidrocarbonetos do petróleo

• a degradação de hidrocarbonetos -> CO2 envolve reação de oxidação, portanto: ↑ microrganismos aeróbios (há lenta degradação anaeróbia)

• Atenção: os produtos parcialmente oxidados podem ser mais tóxicos do que os hidrocarbonetos -> pode ocorrer aumento temporário da toxicidade no processo de biodegradação

Biod

egra

daçã

o da

fraç

ão sa

tura

daN-alcanos alcanos ramificados

Cicloalcanos (naftenos)

• n-alcanos são os mais facilmente degradados (foi demonstrada biodegradação até n-C44)

• degradação: ataque terminal -> ác. Carboxílico -> β-oxidação -> ác. graxos -> CO2

• ác. graxos tóxicos podem se acumular

• presença de grupo metil aumentam a resistência dos hidrocarbonetos ao ataque microbiano

• os cicloalcanos são particularmente resistentes à biodegradação

• compostos alicíclicos são mais persistentes na

natureza

•Estruturas com no máximo 6 anéis condensados podem ser degradadas

Biod

egra

daçã

o da

fraç

ão a

rom

ática

HPAs: Hidrocarbonetos Policíclicos, Aromáticos

• 1 a 3 anéis são degradados facilmente, há microrganismos capazes de degradar até 5 anéis

• cianobactérias são capazes de oxidar o naftaleno em presença de luz apenas

• importante em ecossistemas aquáticos (marinho ou doce), já que o petróleo espalha-se superficialmente, porém...

• petróleo impede completamente a passagem de luz

Microrganismos degradadores de hidrocarbonetos

• microrganismos são capazes de metabolizar número limitado de hidrocarbonetos -> é requerida uma mistura de

populações com capacidade enzimática ampliada para degradação de complexos de hidrocarbonetos do petróleo

no solo, água doce e mar

Microrganismos degradadores de hidrocarbonetos

Ecossistemas:

Aquático

Solo

Marinho

22 bactérias1 alga

14 fungos

22 bactérias

31 fungos

25 bactérias

27 fungos

Capacidade de degradação dos microrganismos dependem das

condições ambientais

Espécies de protozoários podem transformar n-alcanos

Biodegradação no ambiente marinho

Principal componente dos derrames: óleo cru ou petróleo bruto (carga principal de grandes cargueiros)

Após o derrame no mar: hidrocarbonetos começam a ser transformados por fatores físicos, químicos e biológicos

Grau do dano ambiental depende: localização do derrame, tipo de óleo e quantidade

Derrames catastróficos: ocorrem em regiões costeiras, afetando o ecossistema marinho e litorâneo

1: óleo se espalha pela superfície da água

2: evaporação dos componentes voláteis

3: componentes solúveis em água se dissolvem no oceano

4: luz do sol pode oxidar moléculas, podendo até levar a uma degradação completa liberando CO2 e H2O.

Derrames em regiões costeiras

• Poluição da região litorânea

• petróleo em contato com o sedimento: reações complexas -> compostos aromáticos ficam mais protegidos, ↓ degradação

Ação de Surfactantes• substância capaz de alterar as propriedades superficiais de um líquido

• Aplicações: detergência, emulsificação, capacidade espumante, solubilização.

• Desempenham papel importante na remediação in situ: permitem maior solubilização dos componentes do petróleo, aumentando a área de superfície e

consequentemente permitem maior contato dos microrganismos com o substrato

• Muitos microrganismos são produtores de surfactantes (biosurfactantes) -> amplamente utilizados na limpeza de tanques-

reservatórios de petróleo

Efeito dos fatores físicos e químicos na biodegradação

• A biodegradação pode ocorrer numa faixa grande de 0° a 70°C

Temperatura

• Em baixa temperatura: ↑ vicosidade

↓ volatilização ↓ Degradação

↓ atividade enzimática

• A biodegradação máxima de hidrocarbonetos de 30° a 40°C

• Porém varia com a composição do hidrocarboneto


• Hidrocarbonetos são fonte de carbono para os microrganismos

Nutrientes

• Há necessidade de outros nutrientes como N e P em grande quantidade e micronutrientes em menor quantidade (S, Fe, Mg, Ca e K)

• Nutrientes podem ser adicionados ao meio como forma de estimular a biodegradação

Solo • ajuste no balanço C/N/P é feito pela adição de fertilizantes

Água • cuidados para não dissipar nutrientes na interface óleo-água:

1. encapsulamento do fertilizante em matriz com lenta liberação

2. Utilizar fertilizantes oleofílicos. Ex: uréia parafinada


• solo: varia de 2,5 a 11

pH

• a maioria das bactérias e fungos se desenvolvem melhor em pH neutro

• Com a correção do pH do solo pode-se obter o dobro da taxa de biodegradação

Efeito do derrame na comunidade microbiana

• a presença de hidrocarbonetos pode resultar num aumento ou redução da população microbiana

• O efeito dependerá da composição química do óleo

• pode ocorrer: enriquecimento primário de microrganismos que usam hidrocarbonetos ->

enriquecimento de microrganismos que usam os produtos liberados pelos primeiros

• Pode haver redução de microrganismos em contato com componentes tóxicos do petróleo (ex: tolueno e

fenol são usados como desinfetantes)

• alguns microrganismos têm comportamento neutro

Estratégias de Remediação

1. Coleta física do material

Ecossistemas Aquáticos


2. Uso de dispersantes químicos + catalisadores de fotoxidaçãoEcossistemas Aquáticos

Veja: “dispersores químicos são armas poderosas contra o vazamento de petróleo”

Scientiphic America - Brasil: “dispersores químicos aumentam a toxicidade do petróleo derramado”


3. Barreiras Físicas + queima do óleo in situEcossistemas Aquáticos

Estratégias de Biorremediação

4. BiorremediaçãoEcossistemas Aquáticos

• Há diversas patentes e mais de 40 companhias oferecem produtos e serviços de biorremediação

• O princípio é o mesmo: estimular a biorremediação via adição de nutrientes (N e P)

• Outro método: introdução de microrganismos exógenos (isolados naturalmente ou manipulados geneticamente)

4. Biorremediação – estudo de caso no Alaska em 1989

• O navio petroleiro Exxon Valdez despejou na costa do Alaska nada menos que 257.000 a 750.000 barris

• 250.000 aves marinhas

“A maré Negra do Exxon Valdez”

• 2.800 lontras

• 250 águias

• 22 orcas


Métodos de biorremediação usando adição de fertilizantes:

• fertilizante de liberação lenta

• fertilizante oleofílico Inipol EAP22 (microemulsão estável, consistindo de matriz de uréia coberta por ác. Oléico)

• fertilizante solúvel

• 2-3 semana após aplicação dos fertilizantes observou-se maior limpeza do ambiente• O uso de fertilizantes acelerou o processo de limpeza• fertilizantes estimularam de 3 a 4 vezes a biorremediação


• linhagens microbianas, desenvolvidas por C. Oppenheimer, foram utilizadas para a descontaminação em mar aberto• Esses microrganismos utilizaram uma ampla variedade de hidrocarbonetos em seu metabolismo

Métodos de biorremediação usando adição de microrganismos exógenos:


Ecossistemas Terrestres• Fonte de contaminação principal: fundo dos tanques-reservatórios e das

unidades de tratamento

• Nos EUA há 2 milhões de tanques subterrâneos para armazenamento de gasolina e 90.000 deles oferecem risco

• Refinaria Gabriel Passos (Betim, MG): capacidade 150.000 barris/dia


Ecossistemas Terrestres

• Refinaria Gabriel Passos (Betim, MG): estudo constatou contaminação do solo, subsolo e lençol freático devido a falta de correta impermeabilização

dos tanques


Ecossistemas Terrestres Métodos de biorremediação:

• consiste na dispersão de resíduos do solo e utilização de microrganismos na biorremediação

•Revolvimento do solo para que os contaminantes estejam em contato com a “fase fértil” do solo (parte orgânica).

•Experimento mostrou maior eficiência em: umidade 30-90%; pH de 7,5-7,8; temperatura > 20°C.

1. Landfarming

•Adição de material orgânico -> estímulo desenvolvimento microbiano

•Materiais adicionados: palha, grama, folhas, bagaço de cana, serragem, esterco.

2. Compostagem


Ecossistemas Terrestres Fitorremediação:

• Rizosfera estimulando o crescimento de microrganismos in situ

•Plantas resistentes à presença de óleos devem ser cultivadas nas regiões poluídas

•A população microbiana presente é dependente do tipo de raiz, idade da planta e tipo de solo

Como as plantas atuam?

• Absorção direta dos contaminantes do solo e acúmulo

•Liberação de exsudados e enzimas que estimulam a atividade microbiana

•Aumento da mineralização na rizosfera

Obrigada

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