Download - 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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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
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