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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE ANTONIO PEDRO FRÓES DE FARIAS ISOLAMENTO, SELEÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE BACTÉRIAS PRODUTORAS DE BIOATIVOS COM POTENCIAL PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO Salvador - BA Fevereiro, 2016

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

ANTONIO PEDRO FRÓES DE FARIAS

ISOLAMENTO, SELEÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE BACTÉRIAS

PRODUTORAS DE BIOATIVOS COM POTENCIAL PARA

APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

Salvador - BA

Fevereiro, 2016

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ANTONIO PEDRO FRÓES DE FARIAS

ISOLAMENTO, SELEÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE BACTÉRIAS

PRODUTORAS DE BIOATIVOS COM POTENCIAL PARA

APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Biotecnologia do Instituto de

Ciências da Saúde da Universidade Federal da

Bahia como requisito para obtenção do grau de

Mestre em Biotecnologia.

Orientador: Dr. Paulo Fernando de Almeida

Coorientadora: Dr.ª Josilene Borges Torres

Lima Matos

Salvador - BA

Fevereiro, 2016

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FICHA CATALOGRÁFICA

F224 Farias, Antonio Pedro Fróes de.

Isolamento, seleção e identificação de bactérias produtoras de bioativos com potencial para aplicação na indústria do petróleo / Antonio Pedro Fróes de Farias. - Salvador, 2016.

92 f.: il.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Fernando de Almeida. Coorientadora: Profa. Dra. Josilene Borges Torres Lima Matos.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal da Bahia, Instituto de Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, 2016.

1. Petróleo - Bactérias. 2. Tensoativos. 3. Microbiologia industrial. I. Almeida, Paulo Fernando de. II. Matos, Josilene Borges Torres Lima. III. Universidade Federal da Bahia. Instituto de Ciências da Saúde. Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia. IV. Título.

CDU: 606

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Dedicado a ela, que sempre acreditou no

menino da Zona Rural, estudante de Colégio

Público, o filho de Dona Flor e Dema do Leite.

E disse que ele chegaria lá...

...ela sabia!!

Maria das Mercês de Farias Souza – Tia Cecê

(in memoriam)

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AGRADECIMENTOS

A Deus, por tudo que me foi concedido. Saúde, força, coragem e sabedoria

para superar os obstáculos e realizar esta conquista. A Bom Jesus da Lapa, por sua

companhia constante, todas as bênçãos alcançadas e por ter colocado tantas pessoas

boas em meu caminho.

A minha família, em especial aos meus pais Valdemar Barreto (Dema do Leite)

e Florisbela Fróes (Flor) por todo o amor, carinho, dedicação e incentivo durante esse

período longe de casa. Aos meus irmãos Jorge, Renato (Bá) e Marquinhos pelo amor

e companheirismo que existe entre nós. As minhas cunhadas, Thalita e Joseane. E a

princesa Jujú, que fez minha caminhada mais feliz!

A minha namorada Lais Reis, pela compreensão e paciência nessa jornada.

Pela ajuda constante nas inúmeras correções, mas, principalmente, pelo amor,

carinho e confiança que me fizeram continuar. Te amo!

A todos os meus tios (as) e primos (as), em especial a Gilberto Tibério, meu

amigo, pelos conselhos e apoio que nortearam minha caminhada.

Aos meus sogros, Dona Leide e Antônio (Tó) por me acolherem em sua casa e

fazerem de mim, seu filho. A toda família Reis, da qual tenho orgulho de dizer que

faço parte.

A UFBA - Universidade Federal da Bahia, que abriu novas portas para minha

formação, contribuindo com toda a estrutura física e de pessoal, em especial ao ICS.

Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Almeida por ter me acolhido, pela paciência,

apoio e confiança, fundamental no desenvolvimento desse trabalho. É uma honra

fazer parte do grupo LABEM.

A Prof.ª Josilene Matos, pelo apoio e confiança sem igual, pelo auxílio no

desenvolvimento da pesquisa e pelas correções. Muito obrigado!

Aos colegas do LABEM: Diego Montes, Tatiane, Igor, Marcela, Nai, Roseane,

João, Daniel, Leila, Joalene, Jackson, Lais, Débora, Bethânia, pelo auxílio nas

dúvidas, e por estarem sempre dispostos a ajudar. Em especial ao pessoal do

BIOMOL, Luciana e Mariane, fundamentais para o desenvolvimento da parte

molecular.

Aos meus amigos Sueli, Luiz e Fúlvia, por terem me acompanhado durante

essa caminhada, dando apoio, incentivo e ajudando sempre, obrigado!!

Ao técnico Edmundo, sem o senhor, seria muito mais difícil chegar até aqui.

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Aos alunos de Iniciação científica, Flávia Marília e Mariana Cozza, que fizeram

parte diretamente da pesquisa, muito obrigado!

A todo o pessoal do Moura Costa, na pessoa do Prof. Fábio Chinália, que

sempre manteve as portas abertas, colaborando com o desenvolvimento do trabalho.

Ao Prof. Adailson Feitosa, pelo auxílio constante e por ser uma fonte de

inspiração, para continuar melhorando cada dia mais. Obrigado!

Ao meu amigo José Brito, que apesar da distância, sempre se manteve

presente, apoiando e dando força!

A Ivonilton Junior, parte da minha família, que ao longo desses dois anos foi

uma parceria sem igual para todos os momentos.

A meu amigo/irmão Jorge Alberto, que apesar de todas as dificuldades, sempre

me ajuda e da força para continuar.

A FAPESB e ao CNPQ pela concessão da bolsa e pelo incentivo financeiro e

científico apostado em nossos projetos.

A PETROBRÁS/UN-BA pelo fornecimento das amostras de água produzida.

Ao programa de Pós-Graduação em Biotecnologia da Universidade Federal da

Bahia, pela oportunidade concedida.

Ao Programa de Desenvolvimento Tecnológico em Ferramentas para a Saúde

– PDTIS-FIOCRUZ pelo uso de suas instalações.

A todos os professores do Programa de Mestrado em Biotecnologia.

Aos membros da banca, por aceitarem o convite e pelas valiosas sugestões.

A todos que direta ou indiretamente fizeram parte desse processo, deixo os

meus sinceros agradecimentos.

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Farias, Antonio Pedro Fróes. Isolamento, seleção e identificação de bactérias produtoras de bioativos com potencial para aplicação na indústria do petróleo. 92f.: il. 2016. Dissertação (Mestrado). Instituto de Ciências da Saúde. Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2016.

RESUMO

A corrosão microbiologicamente influenciada é constituída pelo consórcio de diversos micro-organismos, destacando-se as bactérias redutoras de sulfato (BRS) dado sua relevância na constituição do biofilme promotor dos problemas associados à biocorrosão. Além das BRS, os campos de petróleo abrigam comunidades microbianas do subsolo que contêm uma rica diversidade de bactérias. Dentre elas estão as petrobióticas: micro-organismos que apresentam atividade benéfica, produzindo compostos úteis durante o seu crescimento que melhoram a recuperação de petróleo. Essas bactérias estão associadas com o controle de BRS, através da produção de substâncias antimicrobianas e/ou com a produção de bioativos (biopolímeros e biossurfactantes) que auxiliam na recuperação de óleo em campos maduros. O presente trabalho teve como objetivo isolar, selecionar e identificar bactérias produtoras de bioativos para aplicação na indústria do petróleo. No total, 26 bactérias foram isoladas de amostras de água produzida, sendo 13 bactérias do poço A e 13 do poço B. Todas as bactérias apresentaram capacidade de desnitrificação heterotrófica e/ou autotrófica, isso pode estar relacionado aos níveis de nitrato encontrados para as amostras de água produzida, 360 mg.L-1 no poço A e 907 mg.L-

1 no poço B. O perfil metabólico para a redução do molibdato a azul de molibdênio foi apresentado por 23 cepas, sendo que 10 mostraram os maiores níveis de redução. Os resultados dos testes de inibição mostraram que 10 linhagens apresentaram atividade inibitória frente às BRS, pela produção de substâncias antimicrobianas, destacando-se as cepas AMD (10 mm), AT6 (11 mm) e AT11-2 (13 mm). Os maiores valores obtidos para a produção de biopolímeros com base no diâmetro da camada de muco foram observadas para as cepas JV4, JV4-1, AMD e AT11-2 (40 mm). As cepas JV1, JV4, AMD, AT6 e AT11-2 apresentaram os melhores resultados para a produção de biossurfactante. Além disso, essas amostras mantiveram emulsão estável por mais de 90 dias. No presente trabalho foi possível selecionar diversas bactérias produtoras de bioativos de interesse para aplicação na indústria do petróleo. Estas, foram identificadas como Bacillus sp. (3), Bacillus subtilis (1), Bacillus thurigiensis (1), Bacillus pumilus (1), Bacillus cereus (1) e Staphylococcus sp. (1). Esta pesquisa serve como base para o desenvolvimento de diversos trabalhos com potencial aplicação na indústria do petróleo, tais como: inibição de BRS por produção de substâncias antimicrobianas, utilização das bactérias em processos de biorremediação e a constituição de consórcios microbianos que podem ser utilizados para a tecnologia MEOR. Palavras-chave: Bactérias petrobióticas, Bioativos, Substâncias antimicrobianas.

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Farias, Antonio Pedro Fróes. Isolation, selection and identification of bacteria producing bioactive with potential for application in the oil industry. 92f.: il. 2016. Dissertation (Master). Institute of Health Sciences. Federal University of Bahia, Salvador, 2016.

ABSTRACT

The microbiologically influenced corrosion is made by a consortium of several micro-organisms, especially the sulfate reducing bacteria (BRS) given its importance in the constitution of biofilm promoter of the problems associated with biocorrosion. Besides the BRS, oilfield harbor microbial communities subsoil that contain a rich variety of bacteria. Among them are petrobiotics: microorganisms that have beneficial activity, producing useful compounds during their growth to enhance oil recovery. These bacteria are associated with the BRS control by the production of antimicrobial substances and/or the production of bioactive (biopolymers and biosurfactants) that aid in oil recovery in mature fields. This study aimed to isolate, select and identify bioactive producing bacteria for application in the oil industry. A total of 26 bacteria were isolated from produced water samples, 13 bacteria of the pit A and 13 pit B. All bacteria have denitrification capacity (heterotrophic and/or autotrophic), this may be related to nitrate levels found for samples of produced water, 360 mg.L-1 to pit A and 907 mg.L-1 to pit B. The metabolic profile for reduction of the molybdate to molybdenum blue was shown by 23 strains and 10 showed the greatest levels of reduction. The results of the inhibition tests showed that the strains inhibited 10 BRS, production of antimicrobial substances, especially AMD strains (10 mm), AT6 (11 mm) and AT11-2 (13 mm). The highest values obtained for the production of biopolymers based on the diameter of the mucus layer were observed for strains JV4, JV4-1, AMD and AT11-2 (40 mm). The strains JV1, JV4, AMD, AT6 and AT11-2 presented the best results for biosurfactant production. In addition, these samples remained stable emulsion for more than 90 days. In the present study it was possible to select several bioactive producing bacteria of interest for application in the oil industry. These were identified as Bacillus sp. (3) Bacillus subtilis (1), Bacillus thuringiensis (1), Bacillus pumilus (1), Bacillus cereus (1) and Staphylococcus sp. (1). This study serves as a basis for the development of various studies with potential application in the oil industry, such as: inhibition BRS by production of antimicrobial substances, use of bacteria in bioremediation processes and the constitution of microbial consortia that can be used for MEOR technology.

Keywords: Petrobiotics bacteria, Bioactive, Antimicrobial substances.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Fluxograma da recuperação secundária de petróleo através da injeção de água produzida. ......................................................................................................... 19

Figura 2. Ilustração do ciclo microbiano do enxofre. ................................................ 23

Figura 3. Desenvolvimento de biofilme microbiano. ................................................. 31

Figura 4. Ilustração esquemática da interação dos ciclos enxofre/nitrogênio que podem ocorrer em reservatórios de petróleo............................................................. 37

Figura 5. Fluxograma do isolamento de bactérias com o meio MBT. ....................... 45

Figura 6. Fluxograma do isolamento de bactérias com o meio AAC. ....................... 46

Figura 7. Fluxograma do teste de inibição em placas. ............................................. 50

Figura 8. Placas com meio MBT após o inóculo da água produzida. ....................... 59

Figura 9. Resultado do teste para bactérias redutoras de nitrato. ............................ 63

Figura 10. Resultado do teste para bactérias redutoras de nitrato sulfeto-oxidantes. .................................................................................................................................. 65

Figura 11. Teste de redução do molibdato. .............................................................. 67

Figura 12. Atividade antimicrobiana das cepas isoladas da água produzida contra a Desulfovibrio spp. ...................................................................................................... 69

Figura 13. Teste de antagonismo em placas por sobrecamada das cepas isoladas da água produzida contra a cepa Desulfovibrio spp. ...................................................... 70

Figura 14. Produção de EPS pelas bactérias isoladas da água produzida. ............. 71

Figura 15. Confirmação da produção de EPS pelas bactérias isoladas da água produzida................................................................................................................... 72

Figura 16. Quantificação em porcentagem da produção de biossurfactante através do método de índice de emulsificação. .......................................................................... 74

Figura 17. Análise da redução da tensão superficial para as bactérias isoladas da água produzida. ......................................................................................................... 75

Figura 18. Análise comparativa do índice de emulsificação (%) e tensão superficial (mN/m) para as cepas selecionadas como produtoras de biossurfactante. .............. 76

Figura 19. Análise filogenética das sequências parciais do gene rRNA 16S (~700 pb) obtidas a partir das cepas produtoras de bioativos. .................................................. 78

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Composição do meio CSB modificado. ..................................................... 48

Tabela 2. Caracterização físico-química da água produzida coletada nos poços A e B. .................................................................................................................................. 56

Tabela 3. Bactérias isoladas da água produzida - poço A. ....................................... 59

Tabela 4. Bactérias isoladas da água produzida - poço B. ....................................... 60

Tabela 5. Teste metabólico para bactérias redutoras de nitrato (BRN) e bactérias redutoras de nitrato/oxidantes de sulfeto (BRN-OS). ................................................ 62

Tabela 6. Teste para avaliar a capacidade das bactérias isoladas da água produzida de reduzir o molibdato (VI) a azul de molibdênio (V). ................................................ 66

Tabela 7. Bactérias produtoras de bioativos selecionadas para identificação a nível molecular. .................................................................................................................. 77

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AAC Ágar Amido Caseína

ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária

AP Água Produzida

APS Adenosina Fosfosulfato

atm. Atmosfera

BOD Estufa Bacteriológica

BRN Bactéria Redutora de Nitrato

BRN-OS Bactéria Redutora de Nitrato Oxidante de Sulfeto

BRS Bactéria Redutora de Sulfato

CSB Coleville Synthetic Brine

CMI Corrosão Microbiologicamente Influenciada

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

DNA Ácido Desoxirribonucleico

Eh Potencial Redox

EOR Recuperação Avançada do Petróleo

EPS Exopolissacarídeo

E24 Índice de Emulsificação

FIOCRUZ Fundação Osvaldo Cruz

g Grama

g.L-1 Grama por Litro

h Hora

ICS Instituto de Ciências da Saúde

ISP-2 Ágar Extrato de Malte Extrato de Levedura

LABEM Laboratório de Biotecnologia e Ecologia de Micro-organismos

L Litro

M Molar

MBT Meio a Base de Glicerina Bruta e Borra de Petróleo

MEOR Recuperação Avançada do Petróleo com Micro-organismos

mg.L-1 Miligrama por Litro

min. Minuto

mL Mililitro

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mm Milímetro

mN/m MiliNewtons por Metro

mV Milivolt

nº. Número

ND Não Detectado

PCR Reação em Cadeia da Polimerase

pH Potencial Hidrogeniônico

rRNA Ácido Ribonucleico Ribossômico

rpm Rotação Por Minuto

SAM Substância Antimicrobiana

THPS Tetrakis (Hidroximetil) Fosfônio Sulfato

TSA Ágar Triptona de Soja

TSB Caldo Triptona de Soja

UFBA Universidade Federal da Bahia

UFC Unidade Formadora de Colônia

μL Microlitro

μm Micrometro

µHg Micrometro de Mercúrio

% Porcentagem

º C Graus Centígrado

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 15

2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 17

2.1. Geral .................................................................................................................. 17

2.2. Específicos ....................................................................................................... 17

3. REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................ 18

3.1. Água produzida e recuperação secundária do petróleo ............................... 18

3.2. Caracterização da água produzida ................................................................. 20

3.2.1. pH ................................................................................................................ 20

3.2.2. Potencial redox (Eh) .................................................................................... 21

3.2.3. Composição ................................................................................................. 21

3.3. Microbiologia do petróleo ................................................................................ 22

3.3.1. Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS)......................................................... 22

3.3.1.1. BRS mesófilos Gram-negativos ............................................................ 25

3.3.1.2. BRS Gram-positivos formadores de esporos ........................................ 26

3.3.1.3. BRS termófilas Gram-negativas ............................................................ 26

3.3.1.4. Arqueobactérias termófilas Gram-negativas ......................................... 27

3.3.2. Outros micro-organismos do petróleo .......................................................... 28

3.4. Acidificação biogênica dos reservatórios (souring) ..................................... 30

3.5. Corrosão Microbiologicamente Influenciada (CMI) ....................................... 30

3.6. Métodos de prevenção e controle do souring e CMI ..................................... 33

3.6.1. Limpeza mecânica ....................................................................................... 33

3.6.2. Proteção catódica ........................................................................................ 33

3.6.3. Biocidas ....................................................................................................... 34

3.6.4. Uso de molibdato ......................................................................................... 34

3.6.5. Inibição microbiana da corrosão .................................................................. 35

3.7. Antagonismo microbiano ................................................................................ 36

3.7.1. Exclusão biocompetitiva .............................................................................. 36

3.7.2. Biofilmes protetores e agentes antimicrobianos .......................................... 38

3.7.3. Inibição por bacteriófagos ............................................................................ 39

3.8. Bioativos para aplicação na indústria do petróleo ........................................ 39

3.8.1. Biopolímeros ................................................................................................ 40

3.8.2. Biossurfactantes .......................................................................................... 41

4. MATERIAL E MÉTODOS ..................................................................................... 43

4.1. Água produzida de campos de petróleo ........................................................ 43

4.2. Caracterização das amostras de água produzida ......................................... 43

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4.2.1. Determinação de íons .................................................................................. 43

4.2.2. Determinação de parâmetros físico-químicos (Eh/pH) ................................ 44

4.3. Isolamento e caracterização de micro-organismos de amostras de água produzida. ................................................................................................................ 44

4.3.1. Isolamento de bactérias da água produzida ................................................ 44

4.3.2. Caracterização - teste de redução do nitrato ............................................... 47

4.3.3. Caracterização - teste para bactérias sulfeto-oxidantes .............................. 47

4.3.4. Caracterização - teste de redução do molibdato ......................................... 49

4.4. Estudos laboratoriais de antagonismo .......................................................... 50

4.5. Produção de biopolímeros .............................................................................. 51

4.6. Produção de biossurfactantes ........................................................................ 52

4.6.1. Índice de emulsificação ................................................................................ 52

4.6.2. Tensão superficial ........................................................................................ 53

4.7. Identificação dos micro-organismos selecionados ...................................... 53

4.7.1. Extração de DNA ......................................................................................... 53

4.7.2. Reação de PCR ........................................................................................... 54

4.7.3. Reação de sequenciamento ........................................................................ 55

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 56

5.1. Caracterização físico-química das amostras de água produzida da indústria do petróleo ............................................................................................... 56

5.2. Isolamento de bactérias a partir de amostras de água produzida ............... 58

5.2.1. Bactérias isoladas do poço A ....................................................................... 58

5.2.2. Bactérias isoladas do poço B ....................................................................... 60

5.3. Caracterização dos micro-organismos isolados das amostras de água produzida. ................................................................................................................ 61

5.3.1. Bactérias Redutoras de Nitrato (BRN) ......................................................... 61

5.3.2. Bactérias Redutoras de Nitrato Oxidantes de Sulfeto (BRN-OS) ................ 64

5.3.3. Redução do molibdato ................................................................................. 66

5.4. Testes laboratoriais de antagonismo ............................................................. 68

5.5. Produção de biopolímeros .............................................................................. 71

5.6. Produção de biossurfactante .......................................................................... 73

5.6.1. Índice de emulsificação ................................................................................ 73

5.6.2. Análise da tensão superficial ....................................................................... 74

5.7 Identificação molecular das cepas selecionadas como produtoras de bioativos................................................................................................................... 77

6. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 80

7. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 82

8. APÊNDICE ............................................................................................................ 92

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1. INTRODUÇÃO

A produção de petróleo é seguida de uma significante produção de água,

conhecida como água de produção, constituindo a maior parte do rejeito da indústria

petrolífera (ALMEIDA et al., 2009). Quando há uma queda na pressão natural do

reservatório, essa água é reinjetada nos poços a fim de deslocar o óleo existente no

poço de injeção em direção aos poços produtores (recuperação secundária do

petróleo) (BACHMANN et al., 2014; EKINS et al., 2007). Métodos terciários, ou

recuperação avançada do petróleo (EOR), incluem processos térmicos e químicos

para produzir uma extração de petróleo adicional (SANDREA; SANDREA, 2007).

Os métodos terciários incluem também a utilização de micro-organismos e/ou

seus produtos metabólicos na recuperação do óleo residual (BANAT, 1995; JACK,

1991). Este tipo de recuperação envolve a estimulação de micróbios nativos ou a

injeção, no reservatório, de consórcios bacterianos com o objetivo de produzir

mecanismos e produtos metabólicos específicos que levem à melhoria da

recuperação do óleo (ALMEIDA; RAMOS-DE-SOUZA, 2010).

Os maiores problemas associados à reinjeção de água para recuperação

secundária de petróleo são o controle da corrosão e a minimização da injeção de

sólidos no reservatório. Esses processos corrosivos em sistemas de injeção de água

podem ser tanto de natureza química (presença de oxigênio e produtos corrosivos)

quanto induzida por micro-organismos (PENNA et al., 2002).

A corrosão microbiologicamente influenciada (CMI) é constituída pelo consórcio

de diversos micro-organismos, destacando-se as bactérias redutoras de sulfato (BRS)

dado sua relevância na constituição do biofilme promotor dos problemas associados

à biocorrosão (NEUMANN, 2012). As BRS têm como importante característica a

capacidade de degradação anaeróbia da matéria orgânica, promovendo a redução do

sulfato a sulfeto, provocando a acidificação dos reservatórios (souring) e o

desenvolvimento da biocorrosão. Essas bactérias são apontadas como as principais

responsáveis pela biocorrosão de materiais de ferro e aço na indústria de petróleo,

gerando um custo elevado na manutenção de equipamentos e metais usados

(CORTEZ, 2009).

Além das BRS, campos de petróleo abrigam comunidades microbianas do

subsolo que contêm uma rica diversidade de bactérias (VOORDOUW, 2001). Uma

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grande variedade de micro-organismos já foi isolada ou tem sido detectada na água

produzida de campos de petróleo, a partir de técnicas de biologia molecular, como por

exemplo: bactérias aeróbias, anaeróbias facultativas e micro-organismos

microaerófilos (MAGOT et al., 2000). Dentre estas bactérias, estão as petrobióticas:

micro-organismos que apresentam atividade benéfica, produzindo compostos úteis

durante o seu crescimento que melhoram a recuperação de petróleo (ALMEIDA et al.,

2004). Essas bactérias estão associadas com o controle de BRS e/ou com a produção

de compostos bioativos (biopolímeros e surfactantes) que auxiliam na recuperação de

petróleo em campos maduros (ALMEIDA; RAMOS-DE-SOUZA, 2010).

Para combater os problemas de acidificação e biocorrosão causados pelas

BRS, a indústria petroquímica tem investido em produtos químicos como biocidas ou

inibidores da formação de biofilmes. Porém, o uso frequente de biocidas para inibir o

crescimento microbiano apresenta elevado nível de toxidade (GARDNER; STEWART,

2002). Além disso, as BRS possuem uma grande capacidade adaptativa, reduzindo a

eficiência do uso de biocidas através de biofilmes de proteção e pelo surgimento de

cepas resistentes (TANG et al., 2009).

A injeção de nitrato através da estratégia de exclusão biocompetitiva, ou a

combinação de tratamentos, tais como, injeção de nitrito com molibdato e/ou biocidas,

são alternativas cada vez mais estudadas (GIEG et al., 2011). Entretanto, a eficiência

do nitrato em campos de petróleo nem sempre é previsível e o tratamento está

condicionado ao custo, disponibilidade e, em especial, ao modo de aplicação, uma

vez que dependendo do sistema a ser tratado poderá ser necessária a adição de

outros sais e/ou biomassa exógena a fim de garantir a eficácia do processo biológico

(SEGUI, 2009; SOUSA, 2009).

A dificuldade na eliminação das BRS aderidas às estruturas metálicas na forma

de biofilmes e a crescente taxa de resistência dos micro-organismos às estratégias

classicamente usadas tem impulsionado pesquisas que visam o desenvolvimento de

estratégias alternativas para o controle da biocorrosão. Uma delas é a utilização de

micróbios antagonistas ou o produto de seu metabolismo para eliminar micro-

organismos causadores da corrosão (ALBUQUERQUE et al., 2014; ZARASVAND;

RAI, 2014). Sendo assim, a utilização de substâncias antimicrobianas (SAM) pode ser

a chave para o controle dos efeitos nocivos causados por essas bactérias

(ALBUQUERQUE et al., 2014; ROSA et al., 2013).

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2. OBJETIVOS

2.1. Geral

Isolar, selecionar e identificar bactérias produtoras de bioativos com potencial

para aplicação na indústria do petróleo.

2.2. Específicos

Caracterizar físico-quimicamente amostras de água produzida oriundas de

campos de petróleo com problemas de souring e corrosão microbiologicamente

influenciada (CMI);

Isolar micro-organismos antagonistas às BRS a partir de amostras de água

produzida;

Avaliar atividade metabólica dos micro-organismos, quanto à redução de

nitrato, molibdato e sulfeto-oxidantes;

Caracterizar os micro-organismos quanto à produção de biopolímeros e

biossurfactantes;

Identificar as cepas selecionadas como produtoras de bioativos, através de

técnicas moleculares.

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3. REVISÃO DE LITERATURA

3.1. Água produzida e recuperação secundária do petróleo

A produção de petróleo gera grandes volumes de resíduos líquidos em todo o

mundo. A água produzida (AP) é um subproduto da extração de petróleo e gás natural

e representa o principal resíduo gerado durante o processo de separação, para que

esses fluidos possam se transformar em produtos comerciais (MOTTA et al., 2013,

TELLEZ et al., 2002).

O termo “água produzida” é utilizado para descrever a mistura de água de

formação (naturalmente encontrada em reservatórios de petróleo e gás) e

hidrocarbonetos que, mesmo após tratamento, contém uma pequena quantidade de

óleo (EKINS et al., 2007). A água produzida é formada a partir de diferentes

compostos (orgânicos e inorgânicos) e tem como principais constituintes: óleo,

minerais dissolvidos da formação, compostos químicos residuais da produção, sólidos

da produção, gases dissolvidos e micro-organismos (FAKHRU’L-RAZI et al., 2009).

Segundo Fakhru’l-Razi et al. (2009), a quantidade de AP gerada é dependente

do método de recuperação e a natureza da formação, ocorrendo um aumento gradual

durante o processo de produção. No início, um campo produz pouca água, em torno

de 5 a 15% da corrente produzida. Entretanto, à medida que a vida econômica dos

poços vai se esgotando, o volume de água pode aumentar significativamente,

correspondendo a uma faixa de 75 a 90% (THOMAS, 2004).

Para maximizar os níveis de recuperação do petróleo, a água produzida é

reinjetada nos reservatórios para aumentar a pressão interna e deslocar o óleo

existente no poço de injeção em direção a superfície - recuperação secundária do

petróleo (Figura 1) (VOORDOUW, 2011).

Antes de ser reinjetada nos poços, a água de produção deve ser submetida a

um tratamento de modo a torna-la mais adequada ao reservatório e aos fluidos neles

existentes. Convencionalmente, ela pode ser tratada por diferentes métodos: físicos,

químicos e biológicos (FAKHRU’L-RAZI et al., 2009).

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Figura 1. Fluxograma da recuperação secundária de petróleo através da injeção de água produzida.

Fonte: Voordouw, p. 403 (2011).

A recuperação primária (extração do petróleo pela pressão natural do poço) é

responsável pela extração de até 20% do petróleo. Já a recuperação secundária

(usada quando há uma queda na pressão natural do reservatório) é um método que

permite obter uma recuperação de 45-50% do petróleo. Métodos terciários, ou

recuperação avançada do petróleo (EOR – Enhanced Oil Recovery), incluem

processos térmicos e químicos para produzir uma extração de petróleo adicional de

7-15% (GOA et al., 2009; SANDREA; SANDREA, 2007).

Os métodos terciários incluem também a utilização de micro-organismos e/ou

seus produtos metabólicos na recuperação do óleo residual (MEOR – Microbial

Enhanced Oil Recovery). Este tipo de recuperação envolve a estimulação dos micro-

organismos naturais do reservatório ou injeção de consórcios microbianos,

especialmente selecionadas, para produzir eventos metabólicos específicos que

levam à melhoria da recuperação de petróleo (BANAT, 1995; JACK, 1991).

Os micro-organismos podem sintetizar compostos análogos aos utilizados em

processos EOR a partir da fermentação de substratos ou matérias-primas de baixo

custo, para aumentar a recuperação de óleo de reservatórios marginais. Portanto,

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MEOR apresenta grande potencial para substituir a EOR, que é uma tecnologia muito

cara (SHIBULAL et al., 2014).

O processo de recuperação de petróleo pela injeção de AP promove a redução

da salinidade e da temperatura da água de formação e, consequentemente, estimula

o crescimento microbiano ao tornar as condições do meio favorável à sua proliferação

(NEUMANN, 2012). Isso pode representar um sério risco às atividades operacionais

de recuperação do petróleo, uma vez que, aumenta a fonte de nutrientes disponíveis

e estimula a atividade de bactérias redutoras de sulfato que provocam a acidificação

dos reservatórios (souring) e o desenvolvimento da biocorrosão (SOUSA, 2009).

3.2. Caracterização da água produzida

As propriedades físicas e químicas da água produzida variam

consideravelmente, dependendo da localização geográfica do campo, da formação

geológica e dos tipos de hidrocarbonetos que estão sendo produzidos (VEIL et al.,

2004). As propriedades e o volume da água produzida podem variar ao longo do

tempo de vida de um reservatório. Além disso, as condições operacionais e produtos

químicos utilizados em instalações de processamento também interferem na sua

composição (FAKHRU’L-RAZI et al., 2009).

3.2.1. pH

Realizar a análise do potencial hidrogeniônico (pH) da água produzida é

necessário para o monitoramento do seu poder de corrosão, do crescimento de micro-

organismos e, com o intuito de verificar se tal AP se enquadra dentro das legislações

pertinentes para o controle de efluentes industriais (RIBEIRO, 2013). O pH ótimo para

o crescimento das BRS em poços geralmente é entre 5 e 8. No entanto, a avaliação

do pH mensurado à pressão atmosférica pode não refletir necessariamente o pH real

in situ, uma vez que o pH é influenciado por dissolução de gases sob alta pressão.

Esta característica tem que ser levada em consideração na interpretação da natureza

indígena das bactérias recuperadas a partir de amostras do subsolo (MAGOT et al.,

2000).

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3.2.2. Potencial redox (Eh)

O potencial de oxirredução, determina as características do ambiente quanto a

fugacidade de oxigênio (ambiente redutor ou oxidante). É sabido que bactérias

redutoras de sulfato requerem um Eh negativo para seu crescimento inicial. Sendo

assim, o Eh encontrado na AP é um registro metabólico da possível presença de BRS

nos poços de petróleo (POSTGATE, 1979).

3.2.3. Composição

A água produzida é uma mistura de materiais orgânicos e inorgânicos. Os

compostos orgânicos naturais podem ser divididos em quatro grupos principais:

alifáticos (incluindo os naftênicos), aromáticos, polares e ácidos graxos. A quantidade

relativa e a distribuição de peso molecular destes compostos variam de poço para

poço. Os compostos aromáticos juntamente com os alifáticos, constituem os

chamados hidrocarbonetos da água produzida e o material orgânico está presente

tanto nas formas dispersa, como dissolvida (OLIVEIRA; OLIVEIRA, 2000).

A água produzida apresenta em sua composição, diferentes compostos

inorgânicos. Dentre eles, cátions (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Sr2+, Fe2+) e ânions (Cl-,

SO42-, CO3

2-, HCO3-), responsáveis pelo potencial de incrustação dessas águas (VEIL,

et al., 2004). A determinação da concentração destes elementos é importante para o

monitoramento da água onde se encontra a estrutura metálica, já que essas variáveis

influenciam diretamente o processo corrosivo e o metabolismo dos micro-organismos

(GALVÃO, 2008).

É importante lembrar que o conhecimento sobre as características físicas,

químicas e a composição da água produzida são indispensáveis para avaliar a

possibilidade de seu uso nos processos de reinjeção, assim como prever as condições

existentes para o crescimento de BRS e os possíveis problemas decorrentes do

souring biogênico (NEUMANN, 2012; SEGUI, 2009).

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3.3. Microbiologia do petróleo

Uma grande diversidade taxonômica e funcional de micro-organismos tem sido

recuperada de reservatórios de extração de petróleo: desde anaeróbios estritos,

termófilos e hipertermófilos, até anaeróbios facultativos e termotolerantes. Aeróbios

também foram isolados ou tem sido detectados por técnicas moleculares (LOPES,

2010; MAGOT et al., 2000; ORPHAN et al., 2000).

Dentre os micro-organismos anaeróbios estritos presentes nos reservatórios de

petróleo, as BRS são o grupo bacteriano mais bem estudado devido ao seu papel

central nos processos de biocorrosão.

3.3.1. Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS)

O ciclo do enxofre é complexo, pois o enxofre pode existir em diversos estados

de oxidação na natureza. Em ambientes onde há a presença de oxigênio o sulfato é

termodinamicamente estável e em ambientes anaeróbios o sulfeto é mais constante

(ALMEIDA, 2005). Além disso, o ciclo do enxofre está intimamente ligado a outros

ciclos de elementos, tais como os ciclos do carbono e do nitrogênio (MUYZER;

STAMS, 2008).

O sulfato é utilizado por muitos micro-organismos como fonte de enxofre para

as suas necessidades biossintéticas. A capacidade de utilizar essa substância como

aceptor de elétrons nos processos geradores de energia, no entanto, envolve a

redução de uma grande quantidade de SO4-2, processo restrito às BRS (MADIGAN et

al., 2010).

A redução de sulfato a sulfeto não ocorre espontaneamente nas condições

físicas da atmosfera, e requer uma mediação catalítica por atividade biológica

(ALMEIDA, 2005). A redução do sulfato pode ocorrer de duas formas: 1) redução

assimilatória - o H2S formado é imediatamente convertido a enxofre orgânico, sob a

forma de aminoácidos e outros compostos sulfurados orgânicos; 2) redução

desassimilatória - uma pequena quantidade de enxofre reduzido é assimilada pelo

organismo, mas praticamente todo o H2S formado é excretado no ambiente externo

(MADIGAN et al., 2010).

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As BRS têm um papel chave no ciclo do enxofre (Figura 2). Eles são micro-

organismos ubíquos de habitats anaeróbios que utilizam o sulfato como aceptor

terminal de elétrons para a degradação de compostos orgânicos, formando sulfeto,

sem a assimilação significativa de enxofre em biomassa celular. O processo de

redução global do sulfato pode ser representado pela equação:

2CH2O + SO4-2 + 2H+ ⇔ H2S + CO2 + H2O (1)

onde CH2O representa um composto orgânico. Subsequentemente, o sulfeto pode ser

oxidado sob condições aeróbias por bactérias sulfurosas quimiolitotróficas ou em

condições anóxicas por bactérias sulfurosas fototróficas (GILBERT et al., 2002;

MUYZER; STAMS, 2008).

Figura 2. Ilustração do ciclo microbiano do enxofre.

Fonte: Muyzer; Stams, p. 443 (2008).

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Algumas BRS podem realizar a desproporcionação do enxofre: processo de

geração de energia no qual o enxofre elementar ou o tiossulfato atuam como doador

e aceptor de elétrons, resultando na formação simultânea de sulfato e sulfeto. Em

adição aos compostos inorgânicos de enxofre, uma grande variedade de compostos

orgânicos de enxofre (isto é, proteínas contendo enxofre) são sintetizados por micro-

organismos e considerados parte do ciclo microbiano do enxofre (TANG et al., 2009).

As BRS são capazes de reduzir o sulfato (SO42-) e por vezes outros compostos

de enxofre, como o sulfito (SO32-) e o tiossulfato (S2O3

2-), a sulfeto, isto é, realizam a

redução desassimilativa do íon sulfato, onde este íon atua como agente oxidante para

metabolizar a matéria orgânica (MADIGAN et al., 2010). A produção de H2S pelas

BRS podem causar sérios problemas para as indústrias de petróleo, já que esse

composto é altamente reativo, corrosivo e tóxico (MUYZER; STAMS, 2008).

As BRS apresentam crescimento em ampla faixa de pH (entre 5,0 e 9,0),

grandes variações de temperatura, além de uma ampla faixa de condições osmóticas

e um baixo potencial redox (TANG et al., 2009). São micro-organismos anaeróbios

estritos que estão distribuídas em ambientes terrestres e aquáticos. No entanto,

alguns gêneros de BRS conseguem sobreviver a longos períodos de exposição ao

oxigênio na natureza pela presença das enzimas superóxido dismutase e superóxido

redutase (VOORDOUW, 2001).

Atualmente, as BRS podem ser divididas em dois grupos metabólicos

principais: aqueles que degradam compostos orgânicos incompletamente ao acetato;

e aqueles que degradam compostos orgânicos completamente em dióxido de carbono

(MUYZER; STAMS, 2008). Existem também as bactérias redutoras de sulfato que não

necessitam de compostos orgânicos como fonte de energia ou doadores de elétrons.

Nesse caso, o crescimento bacteriano não ocorre através de um processo

heterotrófico, mas sim, autotrófico e geralmente com a produção de enxofre elementar

como produto inorgânico final (MADIGAN et al., 2010). Os dois primeiros grupos de

micro-organismos são os que mais contribuem para que ocorra o processo no qual o

H2S é produzido e assim afeta diretamente as superfícies metálicas que conduzem a

corrosão eletroquímica e anaeróbia (MAGALHÃES, 2014).

A redução desassimilatória do SO42- a H2S requer oito elétrons e ocorre por

meio de vários estágios intermediários. Primeiramente, o sulfato é ativado por uma

enzima ATP sulfurilase, resultando na formação de adenosina fosfosulfato (APS). A

enzima APS redutase reduz o sulfato ativado em sulfito (SO32-) com liberação de

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adenosina monofosfato (AMP). Por fim, a enzima sulfito redutase converte o sulfito a

H2S. As taxas de crescimento das BRS sugerem que há formação de um ATP para

cada sulfato reduzido a sulfeto quando o H2 é utilizado como doador de elétrons.

Quando o lactato ou o piruvato são os doadores de elétrons, ocorre a formação

adicional de ATP a nível de substrato, durante a oxidação do piruvato a acetato e CO2,

via acetil-COA e acetil fosfato (MADIGAN et al., 2010; MUYZER; STAMS, 2008).

Com base em análises da sequência de rRNA 16S, as BRS podem ser divididas

em quatro grupos principais: mesófilos Gram-negativos; Gram-positivos formadores

de esporos; eubactérias termófilas Gram-negativas e arqueobactérias termófilas

Gram-negativas. Todos esses grupos são caracterizados pelo uso do sulfato como

aceptor final de elétrons durante a respiração anaeróbia (CASTRO et al., 2000;

POSTGATE, 1979).

3.3.1.1. BRS mesófilos Gram-negativos

Este grupo de BRS está localizado dentro da subdivisão delta Proteobacteria.

Em algum ponto da evolução microbiana, a subdivisão delta divergiu de outros

membros do grupo Proteobacteria a partir de um ancestral comum fotoautotrófico,

perdendo sua capacidade fotossintética e sendo convertido para heterotrofia

(WOESE, 1987).

Segundo Castro et al., (2000) duas famílias de BRS foram propostas para delta

Proteobacteria:

1) Desulfovibrionaceae - inclui os gêneros Desulfovibrio e Desulfomicrobium;

2) Desulfobacteriaceae - inclui os gêneros Desulfobulbus, Desulfobacter,

Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfomonile, Desulfonema,

Desulfobotulus e Desulfoarculus.

O gênero de BRS mais frequentemente estudado é a Desulfovibrio, comum em

habitats aquáticos ou solos encharcados, contendo matéria orgânica em abundância

e concentrações suficientes de sulfato. Esse gênero possui grande importância na

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indústria do petróleo, pois está associada a CMI de tubulações metálicas de campos

de petróleo (MADIGAN et al., 2010; MAGOT et al., 2000; TORTORA et al., 2012).

Além de bactérias redutoras de sulfato, a subdivisão delta inclui bactérias

redutoras de enxofre (ordem Desulfovibrionales), Myxobacteria, Bdellovibrio,

Pelobacter e Geobacter (LONERGAN et al., 1996). As bactérias redutoras de enxofre

são organismos anaeróbios obrigatórios que utilizam formas oxidadas de enxofre,

como sulfato e enxofre elementar (S0), em vez do oxigênio como aceptor de elétrons

tendo como produto dessa redução o sulfeto de hidrogênio (TORTORA et al., 2012).

3.3.1.2. BRS Gram-positivos formadores de esporos

Este grupo é dominado pelo gênero Desulfotomaculum e é colocado dentro do

grupo de bactérias Gram-positivas com baixa quantidade de GC. Este gênero inclui

as únicas BRS conhecidas capazes de formar endosporos resistentes ao calor, uma

característica partilhada com diversas espécies de Bacillus e Clostridium. Em

contraste com as BRS mesófilas, algumas espécies de Desulfotomaculum são

termófilas moderadas, com temperatura ótima de crescimento entre 54 e 65º C

(CASTRO et al., 2000; LEÃO, 2009).

As espécies desse gênero exibem grande diversidade na obtenção de

nutrientes, oxidando incompletamente uma ampla gama de substratos incluindo

lactato, etanol, butanol e ácidos carboxílicos na presença de sulfato. Dependendo da

espécie, substratos orgânicos são oxidados incompletamente a acetato ou

completamente a CO2 (CASTRO et al., 2000; MAGOT et al., 2000).

Embora a maioria das BRS formadoras de esporos gram-positivas sejam

encontradas em ambientes similares aos das BRS mesófilas gram-negativas, a

formação de esporos permite a esse grupo sobreviver por longos períodos (meses ou

anos) em condições óxicas e de dissecação (STUBNER; MEUSER, 2000).

3.3.1.3. BRS termófilas Gram-negativas

As duas espécies mais bem caracterizados neste grupo de BRS são

Thermodesulfobacterium comuna e Thermodesulfovibrio yellowstonii (ambas isoladas

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a partir de fontes de águas hidrotermais). Embora estes dois gêneros tenham

características fisiológicas e fenotípicas semelhantes, eles diferem na forma (vibrião

e bacilo) e teor de GC (CASTRO et al., 2000).

As Termodesulfobacteria são um pequeno grupo de bactérias termófilas

primitivas que habitam as águas quentes em volta de chaminés vulcânicas

submarinas, nascentes hidrotermais e lençóis profundos de petróleo. São organismos

estritamente anaeróbios que utilizam o sulfato para oxidar compostos orgânicos ou

inorgânicos disponíveis no ambiente, produzindo energia e liberando sulfeto

(JEANTHON et al., 2002).

Thermodesulfobacterium é uma bactéria termofílica (temperatura ótima de

crescimento é de 70º C), incapaz de utilizar o acetato como doador de elétrons em

seu metabolismo energético. Em vez disso, ela utiliza compostos como lactato,

piruvato e etanol como doadores de elétrons, reduzindo o sulfato a sulfeto (MADIGAN

et al., 2010).

3.3.1.4. Arqueobactérias termófilas Gram-negativas

No domínio Archaea, as bactérias redutoras de sulfato são representadas por

membros do gênero Archaeoglobus. Esse gênero de BRS hipertermófila, com

temperatura ótima de crescimento de 83º C, possui algumas coenzimas únicas de

bactérias metanogênicas, que permitem produzir pequenas quantidades de metano

durante o crescimento. Utilizam H2, formato, glicose, lactato e piruvato como fonte de

energia e podem reduzir o SO42-, S2O3

2- ou SO32- a sulfeto (MADIGAN et al., 2010;

MAGOT et al., 2000). Apenas duas espécies foram descritas até hoje, as quais foram

isoladas a partir de sistemas hidrotermais marinhos: Archaeoglobus fulgidus e

A. profundus. As principais diferenças entre as duas espécies são que A. fulgidus

possuem flagelos, são quimiolitotróficos facultativos e produzem pequenas

quantidades de metano, enquanto A. profundus não possuem flagelos, são

quimiolitotróficos obrigatórios e não produzem metano (CASTRO et al., 2000).

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3.3.2. Outros micro-organismos do petróleo

Outras importantes comunidades microbianas destes ambientes são

representadas pelas arqueas metanogênicas (principalmente as mesófilas), bactérias

(mesófilas e termófilas) e arqueas fermentativas, além de bactérias redutoras de ferro

e manganês (MAGOT et al., 2000).

O Isolamento de micro-organismos metanogênicos tem sido bem sucedido a

partir de águas de poços de petróleo com temperaturas mesófilas e alta salinidade. Já

bactérias termófilas foram isoladas a partir de reservatórios que apresentam altas

temperaturas. A combinação de alta temperatura e salinidade, em campos de

petróleo, geralmente reduz drasticamente as populações microbianas, incluindo as

metanogênicas (MAGOT et al., 2000).

Bactérias fermentadoras mesófilas, termófilas e hipertermófilas constituem uma

importante comunidade microbiana do ambiente de campos de petróleo. As bactérias

fermentadoras termófilas têm sido isoladas com uma frequência muito maior que as

mesófilas, devido as altas temperaturas encontradas na maioria dos campos de

petróleo. Termófilos anaeróbios, em geral, também têm sido estudados,

principalmente devido ao potencial industrial das suas enzimas termoestáveis

(MAGOT et al., 2000).

Bactérias redutoras de ferro mesófilas têm sido detectadas em fluidos de

campos de petróleo e identificadas como Shewanella putrefaciens. Esta bactéria pode

reduzir o enxofre elementar, sulfito e tiossulfato em sulfeto e usar H2 ou formato como

doador de elétrons (MAGOT et al., 2000). Bactérias termófilas redutoras de ferro e

manganês, Deferribacter thermophilus, foram isoladas a partir de águas de produção

no Mar do Norte (GREENE et al., 1997).

No grupo das espécies anaeróbias facultativas encontradas em poços de

petróleo estão as BRN, que incluem bactérias autotróficas e heterotróficas. Os

principais gêneros heterotróficos desses organismos são: Achomobacter, Aerobacter,

Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobaterium, Lactobacillus, Micrococcus,

Proteus, Pseudomonas e Spirrillum (SEGUI, 2009). As BRN quimiolitotróficas são

representadas por Thiobacillus denitrificans, Sulfurimonas denitrificans (antigamente

conhecido como Thiomicrospira denitrificans) e a espécie autotrófica facultativa

Pseudomonas stutzeri (SHAO et al., 2010).

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Vários trabalhos relatam a recuperação de bactérias aeróbias de reservatórios

de petróleo. Sette et al. (2007) analisando a composição das comunidades

microbianas em reservatórios de petróleo, utilizando métodos dependentes e

independentes de cultivo, identificaram 9 diferentes grupos taxonômicos. Estes micro-

organismos mostram-se relacionados à Acidithiobacillus, Arcobacter, Alicyclobacillus,

Bacillus, Acinetobacter, Halanaerobium, Leuconostoc, Marinobacter, Rhodococcus,

Streptomyces, Propionibacterium e Streptococcus.

Bactérias aeróbias também foram relatadas por Lopes (2010) estudando a

diversidade taxonômica de bactérias isoladas da água de formação de reservatórios

de petróleo da Bacia de Campos. Os principais gêneros isolados foram: Marinobacter,

Halomonas, várias espécies de Bacillus, Citreicella, Stenotrophomonas,

Achromotobacter, Micrococcus, Kocuria, algumas espécies de Streptomyces, e

Staphylococcus.

Representantes de bactérias do gênero Streptomyces spp. já foram

caracterizados em vários estudos de diversidade bacteriana em campos de petróleo

(LOPES, 2010; OLIVEIRA et al., 2008; SETTE et al., 2007; SILVA et al., 2013). Este

grupo tem uma ampla distribuição em diferentes reservatórios de petróleo em todo o

mundo e tem sido descrito como degradadores de hidrocarbonetos (SETTE et al.,

2007). A recuperação de bactérias do gênero Streptomyces em campos de extração

de petróleo pode revelar uma nova abordagem no desenvolvimento de substâncias

antimicrobianas para a redução dos problemas causados pelas BRS, uma vez que,

esse grupo de micro-organismos é conhecido como potenciais produtores de uma

variedade de metabólitos secundários com atividades biológicas distintas (BÉRDY,

2005).

Uma avaliação abrangente da diversidade, processos metabólicos e condições

de habitat para os micro-organismos do petróleo é de importância prática para avaliar

as potencialidades econômicas dos campos de petróleo. Ela também ajuda na

compreensão de como os fatores bióticos in situ podem afetar as operações de

produção de petróleo (OKORO et al., 2016). Essas informações podem ajudar na

elaboração de medidas de prevenção de problemas associados com a biocorrosão de

equipamentos, a biotransformação e a biodeterioração do petróleo (LOPES, 2010).

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3.4. Acidificação biogênica dos reservatórios (souring)

A acidificação de reservatórios de petróleo pode ser atribuída a vários

mecanismos, bióticos e abióticos, sendo a geração microbiológica de sulfeto o que

melhor explica o fenômeno. Este mecanismo baseia-se no consumo anaeróbio da

matéria orgânica por micro-organismos através da utilização de íons sulfato como

aceptor final de elétrons (metabolismo desassimilativo do sulfato). O sulfeto gerado

no metabolismo das BRS é um gás altamente tóxico, corrosivo e inflamável, com um

odor desagradável que pode causar sérios problemas de saúde e também problemas

ambientais (FAUQUHAR, 1997; SEGUI, 2009).

O souring é um problema generalizado em toda a indústria do petróleo, que

ocorre tanto em operações onshore (reservatórios terrestres, pouco profundos onde a

redução de sulfato por BRS mesófilas é prevalente) quanto offshore (reservatórios no

fundo do mar em que a injeção de água do mar fornece uma fonte de sulfato para a

atividade de BRS termófilas) (GIEG et al., 2011; NEMATI et al., 2001).

Esse biofenômeno representa um impacto considerável na produção, pois

contribui para o aumento da biocorrosão, reduz a qualidade do petróleo produzido,

afeta a produtividade dos poços pela geração de incrustantes e potencializa os riscos

ambientais devido à toxicidade do sulfeto. Além disso, a necessidade de remoção do

H2S antes da utilização do petróleo e da reciclagem da água produzida, aumenta os

custos de produção (HUBERT; VOORDOUW, 2007; TANG et al., 2009).

Estudos microbiológicos para determinar a presença ou ausência de BRS

indígenas e a quantificação dos nutrientes disponíveis e limitantes antes da injeção

de água, pode ajudar na concepção de medidas de prevenção contra a acidificação

dos campos de petróleo (MAGOT et al., 2000).

3.5. Corrosão Microbiologicamente Influenciada (CMI)

Interações físico-químicas entre um material metálico e o seu ambiente pode

conduzir a corrosão. A corrosão eletroquímica é uma reação que envolve a

transferência de elétrons a partir de metais de valência zero para um aceptor de

elétrons externo, causando liberação dos íons metálicos para o meio circundante e

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deterioração do metal. Este processo ocorre através de uma série de reações

químicas (anódicas e catódicas), em contato direto ou em estreita proximidade, com

a superfície metálica (BEECH; SUNNER, 2004).

Vários micro-organismos, nomeadamente, bactérias, fungos e algas, estão

envolvidos no processo de corrosão de superfícies. A deterioração de metais devido

à atividade microbiana é denominada biocorrosão ou corrosão microbiologicamente

influenciada (BEECH; SUNNER, 2004; CORTEZ, 2009), que pode ser atribuída,

sobretudo, à colonização inicial de metais e ligas de uso industrial através da formação

de biofilmes, à produção de metabólitos secundários corrosivos como o H2S e à

despolarização catódica (VIDELA, 2002).

Os biofilmes são ecossistemas microbianos extremamente complexos,

podendo ser constituídos por uma diversidade de micro-organismos. Estas estruturas

são constituídas de agregados celulares; material polimérico extracelular (EPS)

resultante do metabolismo microbiano; matéria orgânica e inorgânica; e,

principalmente, de água (Figura 3) (VIDELA, 2002).

Figura 3. Desenvolvimento de biofilme microbiano.

Fonte: Davis (2007).

Os biofilmes são formados em diversos estágios: 1 - adesão de micro-

organismos planctônicos na superfície sólida; 2 - adesão e multiplicação de micro-

organismos aeróbios (sésseis); 3 - crescimento celular e produção de EPS; 4 -

crescimento de micro-organismos anaeróbios internamente ao biofilme; e 5 -

desenvolvimento adicional, formando o biofilme maduro, o que pode favorecer o

desprendimento das camadas mais externas (MADIGAN et al., 2010).

A produção de EPS permite a sobrevivência celular pela fixação a várias

superfícies em seu ambiente natural sob a forma de incrustações. Nesses biofilmes

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formam-se zonas anaeróbias, ainda que em meios oxigenados, fornecendo aos micro-

organismos condições favoráveis para o seu crescimento (HAMILTON, 1985).

As bactérias que se encontram agregadas, devido ao biofilme, apresentam

algumas vantagens sobre as planctônicas, uma vez que se tornam menos vulneráveis

à ação de antimicrobianos e biocidas em geral, bem como se encontram mais

protegidas de fatores ambientais agressivos. Por outro lado, podem estabelecer-se

ambientes simbióticos, facilitando assim a aquisição de nutrientes e a manutenção da

espécie (CORTEZ, 2009).

Os biofilmes formados em superfícies de materiais metálicos alteram os

processos eletroquímicos da interface solução/metal fornecendo um ambiente

propício às atividades metabólicas das bactérias associadas à biocorrosão, levando a

corrosão do substrato colonizado. Isto é feito por deposição física de substâncias

tóxicas, a formação de subprodutos ácidos e corrosivos, por despolarização da célula

de corrosão através do aumento da utilização de hidrogênio, de oxigênio ou de

composto de ferro no ambiente (OSSAI et al., 2015).

As BRS são apontadas como o grupo responsável pelos casos mais graves da

CMI, estando intimamente relacionadas com a biocorrosão de materiais de ferro e aço

usados na indústria (BEECH; SUNNER, 2004). A biocorrosão, aliada à

potencialização do souring biogênico e ao plugueamento da formação rochosa, levam

ao decréscimo da produção de petróleo e a deterioração de estruturas metálicas e

equipamentos, além de provocar danos ao meio ambiente e à saúde humana

(ALMEIDA et al., 2006; SEGUI, 2009; TANG et al., 2009).

Os problemas associados à biocorrosão e bioincrustação (acumulação

indesejável de depósitos de natureza biológica sobre uma superfície) de sistemas

industriais variam desde a contaminação microbiológica até falhas estruturais devido

à corrosão. As partes do sistema que frequentemente sofrem de tais riscos são:

sistemas de refrigeração (abertos ou fechados); linhas de injeção de água; tanques

de armazenamento; sistemas de tratamento de água residual; sistemas de filtração;

tubulações; membranas de osmose reversa; e sistemas de distribuição de água

potável (VIDELA, 2002).

Para evitar a biocorrosão os métodos empregados devem abordar as seguintes

questões fundamentais: inibição do crescimento e/ou atividade metabólica dos micro-

organismos e a modificação do ambiente no qual o processo de corrosão ocorre (para

evitar a adaptação das bactérias às condições existentes). Os métodos comumente

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utilizados para prevenir e controlar a CMI são: procedimentos de limpeza; uso de

biocidas; revestimentos protetores; e a proteção catódica (VIDELA, 2002).

3.6. Métodos de prevenção e controle do souring e CMI

Vários métodos podem ser empregados para prevenir e/ou controlar o souring

e a CMI. A escolha do método será definida pela relação custo-benefício, ou seja,

eficiência pretendida e estimativa de custos (GALVÃO, 2008).

Estratégias para o controle do souring e CMI em reservatórios de petróleo

incluem: injeção de AP com baixos teores de sulfato; remoção mecânica do biofilme;

controle da atividade microbiana por injeção de biocidas; injeção de nitrato e/ou nitrito

para inibir a atividade de BRS; combinar tratamentos, tais como injeção de nitrito com

molibdato e/ou biocidas; formação de biofilmes protetores com bactérias benéficas;

ou ainda, micro-organismos antagonistas à atividade das BRS (GIEG et al., 2011).

3.6.1. Limpeza mecânica

Envolve qualquer método capaz de remover depósitos formados sobre

superfícies metálicas. Dentre esses métodos, o tratamento por pigging (utilização de

instrumentos que se deslocam no interior do sistema com a pressão da água ou do

próprio fluido transportado na tubulação, removendo depósitos orgânicos,

incrustações ou qualquer material que esteja aderido à parede interna da tubulação),

se mostra o mais eficaz. A limpeza mecânica também pode ser realizada por

escovação, materiais abrasivos ou utilização de jatos d’água com alta pressão

(GALVÃO, 2008).

3.6.2. Proteção catódica

Proteger catodicamente uma estrutura significa eliminar, por processo artificial,

as áreas anódicas da superfície do metal fazendo com que toda a estrutura adquira

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comportamento catódico. Como consequência, o fluxo de corrente elétrica

ânodo/cátodo deixa de existir e a corrosão é eliminada. Os métodos de proteção

catódica são: proteção catódica galvânica e proteção catódica por corrente impressa

(GALVÃO, 2008).

3.6.3. Biocidas

Os biocidas são compostos individuais (ou uma mistura de compostos) capazes

de matar micro-organismos ou inibir o crescimento microbiano. Eles podem ser

inorgânicos ou orgânicos e a sua eficácia depende da natureza dos micro-organismos

a serem eliminadas e das condições de operação do sistema a ser tratado (VIDELA,

2002).

Os biocidas de amplo espectro incluem glutaraldeído, tetrakis (hidroximetil)

fosfonio sulfato (THPS), cloreto de benzalcônio, formaldeído, hipoclorito de sódio,

cocodiaminas, entre outros (VIDELA; HERRERA, 2005).

Normalmente, os biocidas comercialmente disponíveis são tóxicos e não

biodegradáveis, alguns, potencialmente perigosos para o pessoal de campos

petrolíferos e o meio ambiente. Eles também são caros e requerem aplicação repetida

ou contínua para que sejam eficazes. Além disso, o uso contínuo de biocidas pode

levar ao aparecimento de populações microbianas resistentes, através da resistência

bioquímica ou por falta de penetração nos biofilmes, in situ, em gasodutos (GIEG et

al., 2011).

3.6.4. Uso de molibdato

O íon molibdato (MoO42-) é um inibidor metabólico de baixa toxicidade

específico de BRS (DE JESUS, 2015). Ele entra na célula por um sistema de

transporte de sulfato e interfere com a formação de APS, a forma ativa do sulfato na

célula durante as reduções assimilativa e desassimilativa. A presença do molibdato

leva à formação de adenosina fosfomolibdato na célula, em vez de adenosina

fosfosulfato, o que provoca escassez de compostos de enxofre reduzidos necessários

ao crescimento bacteriano (NAIR et al., 2015; PATIDAR; TARE, 2005).

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O molibdato é um inibidor do processo de redução de sulfato, mas a sua

eficácia depende do metabolismo das BRS: é eficaz quando elas estão reduzindo

ativamente sulfato, mas ineficaz se as BRS estão fermentando ou em estado de

repouso (baixa concentração de sulfato) (GIEG et al., 2011). Uma alternativa para o

controle das BRS com o uso de molibdato é a adição consorciada nitrito/molibdato

(dois inibidores metabólicos de BRS), que apresenta atividade inibitória sinérgica,

podendo controlar a produção biogénica de H2S (PERCIVAL, 1999; PREDICALA et

al., 2008).

Além de ser um inibidor metabólico, o molibdato também pode atuar como um

inibidor anódico, formando um filme protetor nas estruturas metálicas, passivando o

metal e reduzindo a corrosão (MODESTO, 2008).

3.6.5. Inibição microbiana da corrosão

É a diminuição da reação de corrosão geralmente realizada por substâncias

(inibidores de corrosão) que, quando adicionadas em pequenas quantidades para um

determinado ambiente, diminui a taxa de ataque por este meio ambiente a um metal

(VIDELA; HERRERA, 2005).

A dificuldade na eliminação das BRS aderidas às estruturas metálicas na forma

de biofilmes e a crescente taxa de resistência dos micro-organismos às estratégias

classicamente usadas (antibióticos/biocidas) tem impulsionado pesquisas que visam

o desenvolvimento de estratégias alternativas para o controle da biocorrosão

(ALBUQUERQUE et al., 2014).

A utilização de micróbios antagonistas ou o produto de seu metabolismo para

eliminar micro-organismos causadores de corrosão é uma alternativa que vem sendo

cada vez mais estudada. Diferentes mecanismos têm sido propostos para explicar a

inibição da corrosão por bactérias, tais como: consumo de oxigénio na superfície do

metal devido a formação de biofilme; formação de materiais inorgânicos; geração de

antimicrobianos por biofilmes; produção de biossurfactante secretado pelo biofilme; e

inibição de corrosão por bacteriófagos (MORADI et al., 2015).

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3.7. Antagonismo microbiano

O alto custo, toxicidade e por vezes ineficácia das atuais estratégias físicas e

químicas para controlar a corrosão têm chamado atenção para a utilização de micro-

organismos em mecanismos inibitórios, e isso tem gerado grande interesse. Alguns

dos métodos inibidores incluem aplicações de bactérias redutoras de nitrato, biofilmes

regenerativos, substâncias antimicrobianas (SAM) e uso de bacteriófagos

(ZARASVAND; RAI, 2014).

3.7.1. Exclusão biocompetitiva

A Inoculação de bactérias como antagonistas competitivas em campos de

petróleo tem sido proposta para o controle da acidificação (ZUO, 2007).

O antagonismo bacteriano é um processo em que o crescimento e atividade de um

micro-organismo inibe o crescimento de outro (KRISTIJA; BAI, 2013).

Além de BRS, muitos outros micro-organismos, tais como bactérias redutoras

de nitrato heterotróficas (BRN) e bactérias redutoras de nitrato oxidante sulfeto (BRN-

OS) podem estar presentes nos campos de extração de petróleo. Essas bactérias

estão envolvidas em estratégias de atenuação do sulfeto (Figura 4) (TANG et al.,

2009).

A injeção de nitrato estimula o crescimento de BRN, que irão competir com as

BRS pelas mesmas fontes de carbono, tais como ácidos graxos voláteis. A energia

gerada na redução de nitrato é maior do que a energia obtida a partir da redução de

sulfato, promovendo uma atividade mais intensa das BRN que, por seu metabolismo

energeticamente mais favorável, provoca uma redução das fontes nutricionais

disponíveis para o desenvolvimento das BRS (VIDELA; HERRERA, 2005).

Por outro lado, as BRN-OS são quimiolitotróficas, ou seja, utilizam a energia da

oxidação do sulfeto para obter energia, reduzindo o nitrato a nitrito (VOORDOUW,

2011). Sendo assim, essas bactérias não competem com as BRS por compostos

orgânicos. O nitrito gerado pelo metabolismo das BRN-OS inibe o crescimento das

BRS, pois esse composto inibe a enzima sulfito redutase, responsável por catalisar a

redução do sulfito a sulfeto nas BRS (ZARASVAND; RAI, 2014).

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Figura 4. Ilustração esquemática da interação dos ciclos enxofre/nitrogênio que podem ocorrer em reservatórios de petróleo.

Fonte: Gieg et al., p. 273, (2011). As interseções entre os ciclos biogeoquímicos do nitrogênio e do enxofre são: 1 - amonificação; 2 - sulfetogênese; 3 - oxidação parcial e completa de sulfeto; 4 - competição de BRN e BRS por doadores de elétrons, juntamente com a redução incompleta de nitrato em nitrito; 5 - reação química com sulfeto e nitrito; 6 - inibição da atividade da enzima sulfito redutase pelo nitrito.

As bactérias oxidantes de sulfeto são conhecidas pelo importante papel na

remoção de H2S in situ a partir dos reservatórios de petróleo onshore e offshore e são

utilizadas nos processos ex situ para o tratamento de gás ácido e águas carregadas

de sulfeto (TANG et al., 2009).

A abordagem microbiana que propõe a alteração das características da água

produzida com nitrato ou uma combinação de nitrato e BRN-OS, surgiu como uma

opção atraente para controlar o souring (TANG et al., 2009). No entanto, apesar dessa

metodologia ter se mostrado eficiente no controle da biocorrosão, a sua ação em

campos petrolíferos nem sempre é previsível. Tais incertezas têm estimulado um

exame dos mecanismos fundamentais da inibição pela utilização de nitrato/nitrito,

revelando um conjunto complexo de interações biológicas, bioquímicas e abióticas

(Figura 4). A importância dessas reações varia entre os reservatórios com diferentes

condições físico-químicas, microbiota e regimes de tratamento secundário (GIEG et

al., 2011).

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3.7.2. Biofilmes protetores e agentes antimicrobianos

Algumas bactérias produzem biofilmes que inibem a biocorrosão através de

uma série de mecanismos: remoção de agentes de corrosão, produção de peptídeo

inibidor dentro do biofilme, eliminação de bactérias causadoras de corrosão por

agente antimicrobiano e a produção de biossurfactante (ZARASVAND; RAI, 2014;

ZUO, 2007).

Moradi et al. (2015) avaliando o efeito inibidor da corrosão pela formação de

biofilmes protetores observaram que a bactéria Vibrio neocaledonicus sp. e seu

subproduto metabólico aumentou em mais de sessenta vezes a proteção contra a

corrosão do aço carbono. Esse efeito foi causado pela formação de uma camada

inibidora de EPS que cobriu completamente as superfícies metálicas.

Em outro estudo, Jayaraman et al. (1999) avaliando a inibição de BRS por

produção de peptídeos antimicrobianos em biofilmes produzidos por Bacillus

subtilis, descobriram que estas substâncias foram capazes de inibir o crescimento das

bactérias Desulfovibrio vulgaris e D. gigas, reduzindo significativamente as taxas de

corrosão em condição de cultura contínua. Segundo os autores, a produção dessas

substâncias no biofilme tem duas vantagens: a primeira é que ela evita a dificuldade

de difusão biocida em biofilme e a segunda é que mantêm uma concentração mais

elevada do antimicrobiano dentro do biofilme devido às substâncias exopoliméricas

que formam a matriz do biofilme e impedem a sua difusão.

A produção de agentes antimicrobianos por bactérias também pode eliminar os

micróbios associados à biocorrosão. Magalhães (2014), estudando micro-organismos

antagonistas às BRS oriundas de amostras de água produzida, observou que

substâncias produzidas pelas bactérias Halomonas aquamarina e Marinobacter

hydrocarbonoclasticus, ambas com metabolismo desnitrificante, foram capazes de

inibir o crescimento da bactéria Desulfovibrio vulgaris.

Várias bactérias produzem biossurfactantes com atividade antimicrobiana. Os

raminolipídeos de P. aeruginosa e a surfactina de B. subtilis funcionam como

antibióticos, solubilizando os principais componentes das membranas celulares

microbianas (LIN, 1996). Através da excreção destes biossurfactantes no meio, os

micro-organismos adquirem maior chance de sobrevivência e maior competitividade

na busca por nutrientes (NITSCHKE; PASTORE, 2002).

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3.7.3. Inibição por bacteriófagos

Bacteriófagos ou fagos são vírus que infectam os procariotos, bactérias e

arqueas, com natureza geral similar à de outros vírus. São constituídos por ácido

nucleico envolto por uma capa proteica (capsídeo), podendo ou não possuir envelope

lipoproteico (MADIGAN et al., 2010). A utilização de bacteriófagos como agentes

antimicrobianos pode ser vantajosa pela sua alta especificidade, precisão e potência

em comparação ao uso de biocidas, possuindo a capacidade de infectar bactérias de

forma seletiva. Além disso, a capacidade de autorreplicação do fago, aumenta a sua

dosagem ao longo do curso do tratamento (ALBUQUERQUE et al., 2014).

3.8. Bioativos para aplicação na indústria do petróleo

Trabalhos realizados na área de tratamento de efluentes apontam o uso de

micro-organismos nos mais variados ramos da atividade industrial: indústria de

alimentos, petróleo, mineração, no tratamento de efluentes e acidentes

potencialmente capazes de impactarem solos e corpos hídricos (NAZIAZENO, 2012).

Tecnologias microbianas são consideradas ferramentas comercialmente competitivas

e ambientalmente sustentáveis que aumentam a produção de petróleo (ALMEIDA;

RAMOS-DE-SOUZA, 2010).

A recuperação de petróleo por ação microbiana (MEOR) é um método de

recuperação terciária que utiliza micro-organismos (ou seus produtos metabólicos),

para modificar as propriedades físicas e/ou químicas dos reservatórios, facilitando os

processos necessários à mobilização de óleo residual (BANAT, 1995; JACK, 1991;

SHENG, 2013;).

Os mecanismos responsáveis pelo aumento da recuperação observados com

a MEOR são vários e incluem: redução da tensão superficial e interfacial entre óleo e

água, obstrução seletiva por biopolímeros, produção de gás, biodegradação e

alteração da molhabilidade (GOA et al., 2009; SHENG, 2013).

A descoberta de espécies bacterianas produtoras de bioativos de interesse

biotecnológico (capazes de crescer nas condições encontradas na maioria dos

reservatórios), as tornam promissoras para a utilização na tecnologia MEOR

(ALMEIDA; RAMOS-DE-SOUZA, 2010).

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3.8.1. Biopolímeros

Os polissacarídeos bacterianos podem ser classificados pelas suas funções

biológicas em polissacarídeos intracelulares de armazenagem, polissacarídeos

capsulares, que estão estreitamente ligadas à superfície da célula e polissacarídeos

bacterianos extracelulares (EPS), também conhecidos como gomas hidrossolúveis ou

biopolímeros (SCHMID et al., 2015).

Devido a facilidade de sua obtenção (produção independente de condições

climáticas, possibilidade de utilização de matérias-primas regionais, maior rapidez na

obtenção do produto) os EPS tem sido bastante estudados (SOUZA; GARCIA-CRUZ,

2004).

Na indústria de petróleo os biopolímeros são utilizados para aumentar a

viscosidade da água de inundação, melhorando a mobilização e recuperação do

petróleo em campos maduros (SEN, 2008). Quando o óleo do reservatório tem

viscosidade um pouco elevada, pode-se adicionar polímeros à água de injeção para

transformá-la em um fluido que se desloque dentro do meio poroso com a mesma

mobilidade que o óleo. Devido a essa semelhança, o fluido injetado em vez de

escolher caminhos preferenciais e se dirigir rapidamente para os poços de produção,

se difunde mais no meio poroso, aumentando a eficiência na recuperação. Esses

biopolímeros podem também ser usados para preencher áreas que ficaram vazias

devido ao deslocamento do óleo (GOA et al., 2009; THOMAS, 2004).

Os atributos desejáveis aos biopolímeros utilizados nestas aplicações estão

relacionados, principalmente, às suas propriedades reológicas, que permitem a

formação de soluções viscosas a baixas concentrações e estabilidade em ampla faixa

de pH e temperatura. Atualmente, a goma xantana é o polímero mais utilizado, não

tendo nenhum outro substituto em escala comercial que supere suas qualidades

(LUVIELMO; SCAMPARINI, 2009).

Tendo em vista a larga utilização de biopolímeros em diversos setores

industriais, a busca por novos micro-organismos que produzam EPS em grandes

quantidades e com menor custo de produção tem despertado grande interesse

(BORGES, 2015). Pesquisas tem direcionado esforços em busca da obtenção de

novos biopolímeros. Apesar dos avanços, poucas cepas foram completamente

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estudadas dentro da ampla diversidade microbiana produtora de EPS (SOUZA;

GARCIA-CRUZ, 2004).

3.8.2. Biossurfactantes

Biossurfactantes são compostos anfifílicos que contêm um grupo hidrofílico e

um grupo hidrofóbico e por isso são capazes de exibir uma variedade de atividades

de superfície que permitem a solubilização de substratos hidrofóbicos (SATPUTE et

al., 2010). Enquanto os surfactantes químicos são classificados de acordo com a

natureza do seu grupo polar, os biossurfactantes são classificados com base em sua

natureza bioquímica (PIRÔLLO, 2006). As principais classes incluem: glicolipídeos,

lipopeptídeos e lipoproteínas, biossurfactantes poliméricos, fosfolipídios e ácidos

graxos (GOUVEIA et al., 2003).

Dentre os glicolipídeos, os mais estudados são os raminolipídeos produzidos

por bactérias do gênero Pseudomonas (GOUVEIA et al., 2003). Já na classe dos

lipopeptídeos destaca-se a surfactina produzida por bactérias do gênero Bacillus

(JOSHI et al., 2013). Esses biossurfactantes apresentam diversas propriedades com

aplicações industriais, tais como detergência, emulsificação, solubilização,

umectabilidade, espumantes e atividade antimicrobiana, dentre outras (NITSCHKE;

PASTORE, 2002).

Muitos agentes tensoativos produzidos e utilizados hoje são sintéticos. Isto

ocorre devido ao alto custo na produção de surfactantes microbianas (CHRISTOFI;

IVSHINA, 2002). Porém, os biossurfactantes apresentam importantes vantagens

sobre os surfactantes químicos, pois, além de serem biodegradáveis e apresentarem

baixa toxicidade, são mais resistentes às variações de temperatura, pH e a condições

de elevada salinidade (ALVAREZ et al., 2015). Outra importante propriedade é a sua

capacidade de apresentar atividade biológica como antimicrobiano.

Na indústria do petróleo os biossurfactantes produzidos pelos micro-

organismos reduzem a tensão superficial óleo-rocha, reduzindo as forças capilares

que impedem a movimentação do óleo através dos poros da rocha (SEN, 2008).

Alguns surfactantes microbianos podem também melhorar a produção de petróleo

através da remoção de detritos e parafinas em suspensão (ALMEIDA; RAMOS-DE-

SOUZA, 2010).

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As principais estratégias para a utilização de biossurfactantes em MEOR são:

produção em condições industriais, seguido por adição ao reservatório, juntamente

com o fluxo de água (MEOR ex situ); penetração de células metabolicamente ativas

no reservatório para a produção de compostos tensoativos na interface óleo-água; e

a injeção de nutrientes selecionados (e inibidores de crescimento para o crescimento

indesejado) para um reservatório, estimulando assim o crescimento de micro-

organismos indígenas produtores de biossurfactante desejados (BACHMANN et al.,

2014).

A utilização de micro-organismos petrobióticos na MEOR é uma alternativa

incontestavelmente eficiente para melhorar a recuperação de óleo, especialmente em

campos maduros e em reservatórios de petróleo com alto teor parafínico (ALMEIDA

et al., 2004). Para tanto, metodologias de triagem para a seleção de micróbios eficazes

são essenciais para atingir as quantidades e qualidades desejadas de

biossurfactantes (SATPUTE et al., 2010).

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4. MATERIAL E MÉTODOS

4.1. Água produzida de campos de petróleo

Os poços de extração de petróleo, onde foram realizadas as coletas das

amostras de efluentes, são campos maduros, pertencentes à região da Bacia do

Recôncavo Baiano que apresentam problemas de souring.

Foram realizadas duas coletas de amostras de água produzida, em períodos

distintos. A primeira coleta (poço A) foi realizada em 29 de outubro de 2014. A amostra

foi obtida de uma estação de tratamento, através de uma tubulação da região

denominada cabeça de poço, local onde ocorre a entrada de água produzida sem

neutralizante.

A segunda coleta (poço B) foi realizada em 11 de março de 2015. A amostra foi

coletada da cabeça de poço numa segunda estação de tratamento.

Após a coleta, as amostras foram transportadas em frascos de borossilicato

âmbar até a unidade laboratorial do LABEM - Laboratório de Biotecnologia e Ecologia

de Micro-organismos, localizado no ICS-UFBA.

4.2. Caracterização das amostras de água produzida

4.2.1. Determinação de íons

Os íons NO3, SO4-2 e HS-, foram determinados por cromatografia de troca

iônica (cromatógrafo iônico ICS3000, Dionex, USA) operando com um detector de

condutividade (MONTES et al., 20015). A coluna usada para ânions foi a Ion Pack

AS23 e o eluente foi o hidróxido de sódio, com um fluxo de 0,25 mL/min e volume de

injeção de 100 μL.

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4.2.2. Determinação de parâmetros físico-químicos (Eh/pH)

Os parâmetros físico-químicos avaliados foram: potencial redox (Eh) e o

potencial hidrogeniônico (pH). Esses parâmetros indicam as condições eletrolíticas do

meio, permitindo a inferência sobre qual via metabólica ativa durante os testes. Para

realizar as análises foram aliquotadas 7 mL da amostra em tubos polietileno tipo

Falcon de 50 mL. A leitura do potencial redox foi feita em eagametro da Thermo

Electron Corporation, modelo Orion 3 Star com eletrodo de platina e calamelano

saturado e calibrado em solução para -100 mV e 100 mV, os valores foram expressos

em miliVolt (mV). O pH foi medido em peagametro Thermo Electron Corporation,

modelo Orion 3 Star, calibrado em solução padrão para pH 4,0; 7,0 e 10,0.

4.3. Isolamento e caracterização de micro-organismos de amostras de água

produzida.

4.3.1. Isolamento de bactérias da água produzida

Para o isolamento de bactérias com potencial de inibir o crescimento de BRS

foram realizados experimentos-piloto onde foi utilizado um meio a base de glicerina

bruta e borra de petróleo - MBT (nas concentrações de 2 e 0,7%, respectivamente),

como única fonte de carbono suplementados com os seguintes nutrientes: fosfato de

potássio monobásico (5,0 g.L-1); citrato de sódio (0,5 g.L-1); extrato de levedura (0,5

g.L-1) e ágar (1,5%), pH 7,0. Esse meio foi escolhido devido à semelhança com as

fontes de nutrientes disponíveis em poços de extração de petróleo.

O isolamento foi realizado através da técnica das diluições seriadas em placas,

onde 14 mL da amostra de água produzida foi homogeneizada em 125 mL de solução

salina (0,85% NaCl) estéril em frascos de Erlenmeyer de 250 mL (diluição 10-1). A

suspensão foi misturada em agitador rotatório, a 150 rpm por 30 minutos, a

temperatura ambiente.

A segunda diluição (10-2) foi realizada transferindo-se 1 mL da diluição 10-1 para

tubo de ensaio contendo 9 mL de solução salina (0,85% NaCl), e assim

sucessivamente até a diluição 10-3. As amostras foram plaqueadas no meio MBT, e

incubadas em BOD a 38º C, 4 dias. Em seguida foi feita uma raspagem superficial das

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placas, transferindo uma alçada para tubos contendo o meio Triptona de Soja (TSB)

(Himedia), 38º C, 24 h. Dos tubos que apresentaram crescimento aparente (turvação),

foi retirada uma alçada e, através da técnica de esgotamento por estrias, plaqueada

em Ágar Triptona de Soja (TSA). Colônias que apresentaram crescimento foram

isoladas, purificadas e armazenadas em ultra freezer a -70º C (Figura 5).

Figura 5. Fluxograma do isolamento de bactérias com o meio MBT.

Fonte: Próprio autor.

No intuito de isolar actinomicetos da água produzida (devido ao seu conhecido

potencial na produção de substâncias inibitórias), foi utilizado a técnica das diluições

seriadas em placas, onde 14 mL da amostra foi homogeneizada em 125 mL de

solução salina (0,85% NaCl) estéril em frascos de Erlenmeyer de 250 mL (diluição 10-

1). A suspensão foi misturada em agitador rotatório, a 150 rpm por 30 minutos, a

temperatura ambiente. A segunda diluição (10-2) foi realizada transferindo-se 1 mL da

diluição 10-1 para tubo de ensaio contendo 9 mL de solução salina (0,85% NaCl), e

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assim sucessivamente até a diluição 10-3. As amostras foram plaqueadas no meio

Ágar Amido Caseína (AAC), seletivo para actinomicetos, contendo 150 mg.L-1 do

antifúngico Fluconazol.

Para análise do perfil bacteriano, foi retirada uma alíquota de 0,1 mL de cada

diluição e inoculada em triplicata na superfície do meio solidificado, espalhando-se

homogeneamente com auxílio da alça de Drigalsky. As placas foram incubadas em

BOD a 28º C, por 10 dias. As colônias foram transferidas para o meio de manutenção

Ágar Extrato de Malte Extrato de Levedura (ISP-2), pH 7.0, pela técnica de

esgotamento por estrias em placa para posterior obtenção das culturas purificadas.

As estirpes purificadas estão mantidas na forma de suspensão de células/esporos em

meio Hogness, a temperatura de - 70º C (Figura 6).

Figura 6. Fluxograma do isolamento de bactérias com o meio AAC.

Fonte: próprio autor.

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4.3.2. Caracterização - teste de redução do nitrato

O teste de redução do nitrato determina a habilidade do micro-organismo em

reduzir o nitrato (NO3) a nitrito (NO2) ou gás nitrogênio (N2) (desnitrificação). Para o

teste foi utilizado o meio caldo nitrato, em proporções para 1L: peptona 5,0 g ; extrato

de carne 1,5 g; extrato de levedura 1,5 g; cloreto de sódio 5,0 g e nitrato de potássio

0,5 g (ANVISA, 2013).

As cepas isoladas foram ativadas em meio TSB, 24 h. Em seguida, uma

alíquota de 100 μL (109 UFC/mL) foi inoculado em tubos com o meio caldo nitrato

contendo tubos de Durham invertidos (para observar a formação de gás N2). Um tubo

controle (não inoculado) também foi testado.

A presença de nitrito foi detectada pela adição de 0,5 mL da solução ácido

sulfanílico (reagente A) e 0,5 mL da solução α-Naftilamina (reagente B). O

desenvolvimento de cor vermelho tijolo, devido a formação do corante vermelho

diazônio, isto é, p-sulfobenzeno-azo-a-naftilamina, indica a redução de nitrato a nitrito.

Para os tubos que não desenvolveram cor, o nitrato não foi reduzido ou ocorreu

redução tardia a amônia ou gás nitrogênio. Isso foi verificado pela formação de gás

dentro dos tubos de Durham, ou pela adição de 0,001 g de pó de zinco no tubo. O

zinco reduz nitrato a nitrito resultando em cor vermelha. A cor vermelha indica que o

nitrato continua presente e não foi reduzido anteriormente. Ausência de cor vermelha

após a adição de pó de zinco indica que não há nitrato presente e assim o nitrato foi

reduzido além de nitrito (ANVISA, 2013).

4.3.3. Caracterização - teste para bactérias sulfeto-oxidantes

O teste para bactérias sulfeto-oxidantes determina a habilidade do micro-

organismo de reduzir o nitrato (NO3) a nitrito (NO2) (desnitrificação) utilizando o H2S

como única fonte de energia (redução quimiolitotrófica do nitrato através da oxidação

do sulfeto). Para isso foi utilizado o meio Coleville Synthetic Brine (CSB) modificado

(ECKFORD; FEDORACK, 2002).

A solução dos componentes principais, a de elementos-traço e a de

micronutrientes, expressos na Tabela 1 foram preparadas separadamente. Para 1 L

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de meio CSB modificado, foram adicionados 50 mL de solução de elementos traços e

10 mL de solução de micronutrientes.

A solução de sulfeto de sódio (Na2S.9h2O) 0,1 M foi preparada como solução

estoque estéril e adicionada em alíquotas de 0,25 mL em cada frasco, de modo a

obter a concentração final de 2,5 mM para um volume reacional final de 10,0 mL.

Tabela 1. Composição do meio CSB modificado.

Componente Concentração (g.L-¹)

Componentes principais

KH2PO4 0,027

MgSO4.7H2O 0,680

CaCl2.2H2O 0,240

NH4Cl 0,020

(NH4)2SO4 0,130

NaHCO3 1,900

KNO3 1,000

Resazurina 0,001

Elementos-traço

EDTA 2,000

FeCl3 0,290

CaSO4.2H2O 1,200

MgSO4.7H2O 2,000

NaCl 0,160

Na2HPO4 1,400

KH2PO4 0,720

Componente Concentração (g.L-1)

Micronutrientes

H2SO4 0,005 L

MnSO4.H2O 2,280

ZnSO4.7H2O 0,500

H3BO3 0,500

CuSO4.5H2O 0,025

CoCl2.6H2O 0,045

Fonte: Fonseca, p. 104 (2012).

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Os meios de cultura foram distribuídos em frascos “tipo penicilina” e purgados

por meio de fluxo de N2 (100%). Os frascos foram esterilizados por 15 minutos por

autoclavação a 121°C e 1 atm. A leitura dos tubos foi realizada após o período de

incubação de 72 horas.

A presença de nitrito foi detectada pela adição dos reagentes A e B

mencionados no item anterior (4.3.2.). Para a determinação do nitrato foi efetuada a

adição de solução de difenilamina ácida. Foi transferido 0,5 mL de cada frasco (antes

de adicionar os reagentes A e B) para tubos de ensaio estéreis com capacidade para

5,0 mL. A ele foi adicionado duas a três gotas da solução difenilamina ácida.

Difenilamina (C6H5)2NH 200 mg

Ácido sulfúrico (H2SO4) 100 mL

A difenilamina oxidada na presença de nitrito ou nitrato é convertida em

difenilbenzidina e, posteriormente, em um sal de coloração azul, denominado

quinoidiamonium. A coloração azul indica a presença de nitrato na amostra e possível

ausência de bactérias desnitrificantes (resultado negativo) (FONSECA, 2012).

4.3.4. Caracterização - teste de redução do molibdato

Para o teste foi utilizado o meio ágar molibdato em proporções para 1 L: glicose

10 g; sulfato de amônio heptahidratado 3,0 g; cloreto de sódio 5,0 g; extrato de

levedura 0,5 g; molibdato de sódio dihidratado 2,4 g e ágar 15 g, pH 7,0. A glicose foi

esterilizada separadamente (SHUKOR et al., 2008).

Os micro-organismos foram ativados em caldo TSB, 24 h. Posteriormente, as

bactérias foram transferidas com o uso de uma alça bacteriológica para o meio ágar

molibdato, e foram incubadas em BOD por 24 h. A presença de colónias azuis significa

que as bactérias reduziram o molibdato.

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4.4. Estudos laboratoriais de antagonismo

Com o objetivo de realizar o teste de efetividade contra a produção biogênica

de sulfeto, foi feito o teste de antagonismo em placas por sobrecamada (Figura 7).

Uma alíquota de 50 μl das culturas (109 UFC/mL) a serem testadas quanto a

capacidade inibitória foram transferidas para tubos tipo Falcon contendo 10 mL de

caldo TSB, incubados a 38º C, 24 h. Após esse período, as amostras foram

centrifugadas a 8.000 rpm, por 10 minutos, 4º C. O sobrenadante foi transferido para

um novo tubo Falcon estéril e foi centrifugado novamente (MAGALHÃES, 2014). Em

seguida, o sobrenadante foi filtrado com papel filtro 0,22 μm para a remoção de todas

as células microbianas.

Figura 7. Fluxograma do teste de inibição em placas.

Fonte: Próprio autor.

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Os sobrenadantes livres de células foram transferidos para frascos “tipo

penicilina”, cobertos com parafilme e armazenados em ultra freezer a -70°C por 24

horas. Após esse período, as amostras foram concentradas por liofilização em

liofilizador Liotop, modelo L101, -49°C, pressão abaixo de 500 µHg, ciclo contínuo, 24

h. O material liofilizado foi ressuspenso em 50 µL de água mili-Q estéril (amostras

200x concentradas), armazenado em geladeira, a 4º C, até a realização do teste de

inibição.

A cepa de BRS utilizada para os testes de antagonismo foi a Desulfovibrio spp.,

pertencente a coleção de culturas do LABEM (Laboratório de Biotecnologia e Ecologia

de Micro-organismos). A Desulfovíbrio spp. (inóculo de 1 mL) foi ativada em frascos

de penicilina contendo o meio Postgate modificado (RAMOS, 2013), e incubada a 38º

C, 24 h. Posteriormente, foi feito a contagem das bactérias pelo método do laranja de

acridina (SAMPAIO, 2014). A concentração do inóculo foi ajustada para 1X106

UFC/mL. A partir dessa diluição, 1 mL do inóculo foi transferido para tubos de

penicilina com meio Postgate modificado semissólido 1% (armazenados em banho

maria a 45º C), resultando na diluição 10-5, utilizado para fazer a sobrecamada.

Para os testes de inibição por sobrecamada, 10 μL do caldo livre de células

(200x concentrado) foi inoculado em discos de papel filtro (5 mm) na superfície de

placas contendo o meio Postgate modificado, seguido de secagem por 30min. Após

esse período, foi realizado o inóculo da cepa Desulfovíbrio spp. (105) na forma de

sobrecamada. As placas foram incubadas em câmara de anaerobiose, à 38°C, 48 h.

Para cada um dos isolados, o experimento foi realizado em triplicata. A formação de

um halo claro ao redor das culturas indicou a inibição do crescimento (ROSA et al.,

2013). Para a análise estatística, foi realizado o teste de Scott-Knott, a 5% de

probabilidade.

4.5. Produção de biopolímeros

A capacidade para produzir exopolissacarídeos (EPS) foi determinada com a

metodologia descrita por Paulo et al. (2012). As cepas isoladas da água produzida

foram ativadas em caldo TSB, 24 h. Em seguida, uma alíquota de 5 μL (109 UFC/mL)

foi inoculada em discos de papel de filtro (5 mm) esterilizados colocados sobre a

superfície do meio de cultura modificado contendo 2% de extrato de levedura, 1,5%

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K2HPO4, 0,02% de MgSO4, 0,0015% MnSO4, 0,0015% de FeSO4, 0,003% de CaCl2,

0,0015% de NaCl, 1,5% de ágar e 10% de sacarose, com pH ajustado para 7,5

(GUIMARÃES et al., 1999). As culturas foram incubadas a 30°C durante 48 h, e a

produção de EPS foi observado com base na formação de uma camada mucoide em

torno dos discos de papel de filtro dos inoculados bacterianas (PAULO et al., 2012).

Esta camada mucoide foi removida com uma alça de inoculação e adicionado em 2

ml de etanol absoluto. A formação de um precipitado confirma a presença de EPS.

Para cada um dos isolados, a análise foi realizada em triplicata. A análise

experimental consistiu de medição com um paquímetro, o diâmetro da camada de

muco em torno dos discos de papel (SANTOS, 2015). Para a análise estatística, foi

realizado o teste de Scott-Knott, a 5% de probabilidade.

4.6. Produção de biossurfactantes

Para a caracterização da produção de surfactantes, 1 mL das bactérias

isoladas da água produzida (109 UFC/mL) foram ativadas em frascos de Erlenmeyers

de 250 mL contendo 49 mL de caldo TSB e incubadas em BOD a 38º C, 120 rpm, 24

h. Após a incubação, 2,5 mL do inóculo bacteriano foi transferido para Erlenmeyers

de 125 mL contendo 22,5 mL de meio TSB, seguido de incubação a 38º C, 180 rpm,

96 h. Para cada um dos isolados, a análise foi realizada em triplicata. Após esse

período, o caldo de fermentação foi centrifugado a 4.000 rpm, 4º C por 20 min., para

a obtenção do caldo livre de células.

4.6.1. Índice de emulsificação

O índice de emulsificação foi determinado em tubos de ensaio com tampa de

rosca pela adição de 2,0 mL de óleo mineral e 2,0 mL do sobrenadante, agitado em

Vortex por 2 min. e deixado em repouso por 24 horas. O índice de emulsificação (E24)

foi calculado como segue: E24 = [altura da camada emulsionada (mm) / altura total do

líquido na coluna (mm)] x 100. A estabilidade das emulsões ainda foi verificada a cada

30 dias durante 90 dias (HABA et al., 2000).

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4.6.2. Tensão superficial

A tensão superficial foi determinada no meio de cultura livre de células

utilizando o Tensiômetro KSV (modelo Sigma) a 25º C. Como controle, utilizaram-se

os meios de cultura sem inóculo. As análises foram feitas pelo método do anel de

distanciamento usando o tensiômetro de Du Nouy (JOSHI et al., 2013). Neste método,

a amostra é colocada em um recipiente do aparelho, com o anel inicialmente

submerso. Uma força adicional é exercida sobre o anel no momento em que a lâmina

do líquido vai se romper, sendo então determinada a tensão superficial (DAMIÃO,

2012). A análise foi realizada em triplicata. Para a análise estatística, foi realizado o

teste de Scott-Knott, a 5% de probabilidade.

4.7. Identificação dos micro-organismos selecionados

4.7.1. Extração de DNA

As bactérias que apresentaram características promissoras para a produção de

bioativos de interesse para a indústria do petróleo foram selecionadas para a

identificação a nível molecular.

Para a extração de DNA foi utilizado o protocolo de extração para células de

crescimento em suspensão, pelo método do Brazol (LGC Biotecnologia). Para a

realização deste protocolo as culturas foram preparadas no dia anterior (crescimento

18\24 horas).

Alíquotas de 1 mL das amostras foram transferidas para tubos tipo Eppendorf

de 1,5 mL. A amostra foi centrifugada a 5.000xg por 5 min, para formar o pellet. Em

seguida, as células foram lisadas através de repetidas pipetagens pela adição de 1

mL do Brazol. Os tubos foram agitados com agitador, tipo Vórtex, por 2 min e

adicionou-se 250 μL de clorofórmio gelado. As amostras foram agitadas novamente.

Em seguida, as amostras foram centrifugadas a 12.000xg, a 4º C, 20 min. O

sobrenadante foi transferido para novos tubos contendo 500 μL de etanol absoluto

gelado. Os tubos foram agitados por inversão por 2 min, seguido de centrifugação a

12.000xg por 15 min.

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O sobrenadante foi desprezado por cuidadosa decantação, e o pellet foi lavado

em 500 μL de etanol 70%. As amostras foram homogeneizadas por inversão e

centrifugadas a 12.000xg, 4º C, 10 min. O sobrenadante foi desprezado e o pellet foi

dissolvido em 40 μL de H2O Milli-Q estéril. A amostra foi armazenada em geladeira a

-20º C, até a sua utilização.

4.7.2. Reação de PCR

O mix para a reação de PCR foi realizado em um microtubo com capacidade

para 200 μL. Foi utilizado a Taq PCR Master Mix 2X da Promega e os primers,

conforme descrito abaixo:

Primer RNA ribossomal 16S de Eubactéria

fD1 - 5' - AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3'

rP2 - 5' - ACGGCTACCTTGTTACGACTT 3'

Os reagentes utilizados na reação de PCR, para um volume final igual a 25 μL,

são os que seguem: H2O Milli-Q esterilizada, até 25 μL; enzima Master Mix 12,5 μL;

forward primer (10 μM) e reverse primer (10 μM) 0,8 μL; DNA molde 2 μL.

As reações foram incubadas em um termociclador Veriti® 96 (Aplied

Biosystems), a 95º C, durante 3 minutos, para desnaturação do DNA e ativação da

Taq DNA polimerase (Master Mix 2X). Após a desnaturação, a reação de amplificação

foi composta por 35 ciclos formados por uma etapa de desnaturação, a 95º C durante

45 segundos, uma temperatura de anelamento a 59º C por 45 segundos e uma etapa

de extensão a 72º C, durante 1 minuto. Ao final dos ciclos, a reação foi mantida a 72º

C, durante 20 minutos.

A purificação dos produtos de PCR foi realizada utilizando a enzima illustra

ExoPro Star 1-Step (GE) seguindo as recomendações do fabricante.

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4.7.3. Reação de sequenciamento

O resultado do PCR gerou um segmento de DNA de aproximadamente 1500

pb e o produto foi sequenciado pela plataforma de sequenciamento da Fundação

Osvaldo Cruz (FIOCRUZ). As sequências foram checadas para presença de chimera

e a árvore filogenética foi construída usando sequências “tipo” do gene rRNA 16S

bacteriano depositados em “Silva” – High Quality Ribosomal RNA Databases. As

sequências foram alinhadas e analisadas pelo programa MEGA 5 usando o teste de

bootstrap para 1000 repetições com a técnica Neighbour-Joining gerado pelo

algoritmo Kimura 2-parâmetros.

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5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1. Caracterização físico-química das amostras de água produzida da indústria

do petróleo

Para a caracterização físico-química das amostras de água produzida foram

analisados os parâmetros, pH, Eh, nitrato, sulfato, sulfeto, cloreto e ácidos orgânicos

voláteis. Os resultados da caracterização das amostras de água produzida dos poços

A e B são apresentados na tabela 2.

Tabela 2. Caracterização físico-química da água produzida coletada nos poços A e B.

Poço pH Eh Concentração (mg.L-1)

Nitrato Cloreto Sulfato Sulfeto Ác.Org.*

A 6,2 -158mV 360 22.588 < 2 7,94 < 2

B 7,4 -123mV 907 28.790 3,2 ND < 2

*Ácidos orgânicos voláteis; ND - Não Detectado.

A partir da análise da tabela, pode-se observar que o pH da água de ambos os

poços se mostraram em torno da neutralidade. O potencial hidrogeniônico encontrado

na AP das estações de tratamento foram: 6,2 para o poço A e 7,4 no poço B. Valores

semelhantes foram observados por Kaster et al., (2007) estudando o efeito do nitrato

e nitrito na sulfetogênese por BRS termófilas utilizando amostras de água produzida

do Mar do Norte. Segundo Magot et al. (2000) valores de pH entre 5,0 e 8,0 fornecem

condições adequadas à atividade das BRS.

Já o potencial redox (Eh) foi de -158 mV para o poço A e -123mV para o poço

B, evidenciando que os locais onde foram coletadas as amostras de água produzida

apresentavam caráter redutor. Segundo Postgate (1979) BRS requerem um Eh

negativo para o seu crescimento inicial. Sendo assim, o potencial redox encontrado

para os poços A e B são favoráveis para o crescimento desse grupo de bactérias.

Com relação às concentrações de íons, os dados obtidos através de

cromatografia demonstram que as concentrações de cloreto nos poços A e B foram

22.588 mg.L-1 e 28.790 mg.L-1, respectivamente. Valores superiores (41.180 mg.L-1)

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foram encontrados por Segui (2009), estudando a bioatenuação da geração de

sulfeto, por meio da utilização de nitrato, em água produzida. Segundo o autor, a alta

concentração de cloreto nas amostras de água produzida é decorrente da presença

desses íons nos materiais rochosos onde se encontra o petróleo.

Com relação às concentrações de nitrato, os valores encontrados para a água

produzida no poço A foi de 360 mg.L-1, inferior ao apresentado pela amostra do poço

B, 907 mg.L-1. Os valores de nitrato encontrados nas amostras de água produzida são

superiores aos relatados por uma série de outros autores: 0,276 mg.L-1, Segui (2009);

0,31/2,63 mg.L-1, Parente (2006); 27,5 mg.L-1, Sousa (2009).

Jenneman et al. (1999) demonstraram, em testes de campo, que a aplicação

de 207 mg.L-1 de NO3 foi suficiente para a remoção total de sulfeto. Já Segui (2009),

estudando a bioatenuação da produção de sulfeto em laboratório, observou que níveis

entre 500 e 1000 mg.L-1 de NO3 foram eficientes na inibição da geração de sulfeto.

Portanto, as altas concentrações de nitrato encontradas no presente trabalho podem

estar relacionadas a aplicação dessa substância nos campos de extração de petróleo

para inibir a geração de sulfeto pelas BRS.

A variável sulfato da água produzida dos poços A e B foram < 2 e 3,2 mg.L-1,

respectivamente. Esses valores diferem dos encontrados por Neumann (2012) que

obteve valores entre 10,31 mg.L-1 e 71,61 mg.L-1, estudando a avaliação de uma nova

metodologia para detecção de micro-organismos redutores de sulfato aplicada à

indústria de petróleo e gás. Ele destaca a importância do íon sulfato em relação às

outras variáveis físico-químicas, uma vez que observou uma correlação direta entre a

disponibilidade de sulfato na água produzida e o crescimento de BRS, com

consequente produção de sulfeto.

As concentrações de sulfeto nas amostras de água produzida foram 7,94 mg.L-

1 para o poço A e não foi detectada no poço B. Esses valores se encontram dentro

das especificações da resolução nº 430 do CONAMA para o descarte de efluentes

(BRASIL, 2011).

Segundo Okoro et al. (2016) baixas concentrações de sulfato, aliado a altas

concentrações de sulfeto são indicativos da ocorrência de souring nos campos de

extração de petróleo. Segundo o mesmo, baixas concentrações de sulfeto detectadas

no laboratório podem subestimar os valores reais do campo devido à alta volatilidade

do H2S.

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Com relação a presença de ácidos orgânicos voláteis (ácido acético,

propiônico, butírico e ácido pirúvico), as amostras analisadas apresentaram valores

inferiores a 2 mg.L-1. Esses valores se enquadram nos padrões determinados pela

resolução CONAMA nº. 393, que determina a concentração máxima de óleos e graxas

para o descarte da água produzida (BRASIL, 2007). Segundo Grigoryan et al. (2008),

essas fontes de carbono merecem especial atenção na caracterização da água

produzida, pois elas são facilmente metabolizadas pelas BRS, sendo consideradas os

principais doadores de elétrons para a redução desassimilativa do sulfato em campos

de petróleo.

Vale ressaltar que o conhecimento sobre a composição da água produzida é

indispensável para verificar a possibilidade de seu uso nos processos de reinjeção,

assim como prever os possíveis problemas decorrentes do desenvolvimento do

souring biogênico (NEUMANN, 2012).

5.2. Isolamento de bactérias a partir de amostras de água produzida

5.2.1. Bactérias isoladas do poço A

As bactérias isoladas da amostra de água produzida, poço A, estão

representadas na Tabela 3. Os micro-organismos isolados a partir dos meios MBT e

AAC foram caracterizados quanto a sua forma e reação tintorial da parede celular, à

coloração de Gram.

No total, 13 bactérias foram isoladas, sendo 8 provenientes do meio MBT (meio

a base de glicerina bruta e borra de petróleo) e 5 do meio AAC (seletivo para

actinomicetos). O emprego da coloração de Gram teve como objetivo verificar a

pureza das culturas e a forma predominante como os micro-organismos isolados se

apresentavam.

As bactérias isoladas do poço A se apresentaram como: cocos, diplococos,

estafilococos, bacilos e diplobacilos. Com relação a composição da parede celular,

todos os isolados são bactérias Gram positivas (13 isolados), sendo que alguns são

formadores de endosporos, uma estrutura especialmente resistente formada dentro

de uma célula que protege a bactéria das condições ambientais adversas (TORTORA

et al., 2012).

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Tabela 3. Bactérias isoladas da água produzida - poço A.

Meio origem - MBT

Cepa Gram Forma

Jv1 + Diplococos

Jv4 + Estafilococos

Jv4-1 + Bacilos curtos

Ap1A-MBT + Cocos

Ap1B-MBT + Diplobacilos

Ap1C-MBT + Bacilos

Ap2A-MBT + Bacilos

Ap2B-MBT + Bacilos

Meio origem - AAC

Ap01-A + Diplobacilos

Ap01-B + Bacilos

Ap01-C + Diplobacilos

Ap01-D + Bacilos

AMD + Bacilos

A Figura 8 mostra o aspecto do meio MBT, após inóculo da água produzida e

incubação em estufa bacteriológica a 38º C, 4 dias. A presença da borra de petróleo

como fonte de carbono adicional, forma pequenas gotículas de óleo na superfície do

meio, dificultando a visualização das bactérias. Dessa forma, foi realizado uma

raspagem por toda a superfície do meio de cultura, transferindo o conteúdo para o

meio TSB e, em seguida, para o meio TSA, a fim de realizar o isolamento das bactérias

da água produzida.

Figura 8. Placas com meio MBT após o inóculo da água produzida.

Fonte: próprio autor.

O meio a base de glicerina bruta foi utilizado para o isolamento de bactérias

com potencial antagonista às BRS. Pesquisas demonstram que a glicerina bruta

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possui composição rica em carbono de fácil degradação sendo utilizada por micro-

organismos como fonte de carbono em seu metabolismo. Além disso, esse meio

apresenta semelhança com as fontes de nutrientes disponíveis em poços de extração

de petróleo (RAMOS, 2011).

Os parâmetros ambientais do reservatório, tais como: temperatura,

permeabilidade, acidez e salinidade limitam os tipos de micro-organismos que podem

ser usados para os processos in situ visando a recuperação do petróleo ou controle

da produção biogênica do sulfeto (ALMEIDA et al., 2004). Dessa forma, o isolamento

de bactérias petrobióticas com meios seletivos e procedimentos de triagem

adequados são etapas importantes para a seleção de micro-organismos produtores

de bioativos que já estão adaptados às condições do campo (ALVAREZ et al., 2015).

5.2.2. Bactérias isoladas do poço B

As bactérias isoladas da amostra de água produzida do poço B estão

representados na Tabela 4. As culturas isoladas nessa amostra também foram

caracterizadas quanto a sua forma e agrupadas de acordo com a composição de sua

parede celular (Gram + ou Gram -).

Tabela 4. Bactérias isoladas da água produzida - poço B.

Meio origem - MBT

Cepa Gram Forma

AT11-1 + Bacilos

AT11-2 + Bacilos AT12 + Bacilos curtos AT13 + Bacilos

AT14-1 - Bacilos AT14-2 - Bacilos AT14-3 + Bacilos

Meio origem - AAC AT1 + Bacilos curtos AT2 + Diplobacilos AT3 - Bacilos AT4 + Bacilos AT5 + Bacilos AT6 + Cocobacilos

No poço B, foram isoladas 13 cepas, sendo 7 provenientes do meio MBT e 6

do meio AAC. A forma bacteriana predominante foi a bacilar, diferindo do resultado

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encontrado no poço A, onde algumas bactérias se apresentaram na forma de cocos.

Quando analisado a composição da parede celular, 10 bactérias foram classificadas

como Gram positivas e 3 como Gram negativas.

O meio Ágar Amido Caseína utilizado no presente trabalho é seletivo para o

isolamento de actinomicetos, bactérias de grande interesse industrial, conhecidas pela

sua capacidade de produção de substâncias inibitórias frente a outros micro-

organismos (TORTORA et al., 2012). Bactérias do gênero Streptomyces spp.,

representante desse grupo de micro-organismos, já foram caracterizados em vários

estudos de diversidade bacteriana em campos de petróleo (LOPES, 2010; OLIVEIRA

et al., 2008; SETTE et al., 2007; SILVA et al., 2013).

A recuperação de bactérias do gênero Streptomyces em campos de extração

de petróleo pode revelar uma nova abordagem no desenvolvimento de substâncias

antimicrobianas (SAM) para a redução dos problemas causados pelas BRS. Porém,

a diversidade de bactérias encontrada nas amostras de água produzida utilizando o

meio AAC foi baixa. Dessa forma, todas as bactérias que apresentaram crescimento

utilizando esse meio de cultura foram isoladas e submetidas aos testes metabólicos e

de antagonismo.

5.3. Caracterização dos micro-organismos isolados das amostras de água

produzida.

5.3.1. Bactérias Redutoras de Nitrato (BRN)

O resultado do perfil metabólico das cepas isoladas para bactérias redutoras

de nitrato heterotróficas (BRN) é apresentado na Tabela 5.

Das 26 cepas testadas, 24 se mostraram capazes de reduzir o nitrato a nitrito

utilizando uma fonte orgânica de carbono como doador de elétrons (desnitrificação

heterotrófica). Apenas as cepas Ap1C-MBT e AMD, isoladas do poço A, não

reduziram o nitrato. Todas as cepas do poço B mostraram perfil metabólico positivo

para a redução heterotrófica do nitrato. Nenhuma das bactérias testadas apresentou

formação de bolha de gás nos tubos de Durham, indicativo para a redução do nitrato

além do nitrito (N2) (ANVISA, 2013).

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Tabela 5. Teste metabólico para bactérias redutoras de nitrato (BRN) e bactérias redutoras de nitrato/oxidantes de sulfeto (BRN-OS).

Cepa Teste BRN* Teste BRN-OS**

NO3 NO2 Bolha de gás Crescimento NO3 NO2

Jv1 + - + ●

Jv4 + - + ●●

Jv4-1 + - + ●/-

Ap1A-MBT + - + ●●●

Ap1B-MBT + - - --

Ap1C-MBT - - + ●●●

Ap2A-MBT + - + --

Ap2B-MBT + - + ●●

Ap01-A + - - --

Ap01-B + - + ●●

Ap01-C + - + ●●●

Ap01-D + - + ●

AMD - - + ●●

AT1 + - - --

AT2 + - + ●●●

AT3 + - - --

AT4 + - + ●●

AT5 + - + ●●●

AT6 + - - --

AT11-1 + - + ●●●

AT11-2 + - + ●/-

AT12 + - + ●●

AT13 + - + ●●

AT14-1 + - + ●●●

AT14-2 + - - ●

AT14-3 + - + ●/-

*Interpretação do teste para BRN: (+) reduziu o nitrato; (-) não reduziu o nitrato.

**Interpretação do teste para BRN-OS: (--) não reduziu; (●/-) fraca redução; (●) redução

aparente; (●●) forte redução; (●●●) máximo de redução observada.

A Figura 9 mostra o resultado do teste para BRN. A variável empregada para

determinar a capacidade de reduzir o nitrato a nitrito foi a formação da cor vermelho-

tijolo após a adição das soluções A e B (Figura 9-A/B). As bactérias que não reduziram

o nitrato se mantiveram incolor após o teste (Figura 9-C). Para confirmar a presença

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do nitrato no meio foi adicionado 0,001 g de zinco (Figura 9-D). Foi utilizado também

2 tubos com o caldo nitrato, sem inóculo, como controle (Figura 9-E/F).

Figura 9. Resultado do teste para bactérias redutoras de nitrato.

Fonte: Próprio autor. A/B - resultado positivo para BRN; C - bactéria não reduziu o nitrato a nitrito; D - confirmação da não redução pela presença de nitrato após adição de uma pitada de zinco; E/F - controles negativo e positivo (respectivamente).

O elevado número de bactérias com capacidade de desnitrificação heterotrófica

encontrado no presente trabalho pode estar relacionado aos níveis de nitrato

encontrados para as amostras de água produzida de ambas as estações de

tratamento, 360 mg.L-1 no poço A e 907 mg.L-1 no poço B.

Segundo Voordouw (2011) a adição de nitrato estimula o crescimento de

bactérias redutoras de nitrato (BRN), promovendo uma atividade mais intensa desse

grupo de bactérias nos campos de petróleo, o que provoca uma redução das fontes

nutricionais disponíveis, impedindo o desenvolvimento das BRS. Assim, a adição de

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nitrato, pode induzir uma mudança na população dominante de BRS para BRN,

reduzindo os danos causados pela CMI.

No entanto, o uso de nitrato como agente controlador da produção de sulfeto é

um processo temporário, pois, pode levar ao aumento de biomassa das BRS.

Consequentemente, quando houver o esgotamento das fontes de nitrato disponíveis,

haverá um aumento significativo na produção de sulfeto, agravando ainda mais os

efeitos do souring (MAGALHÃES, 2014; SOUSA, 2009).

5.3.2. Bactérias Redutoras de Nitrato Oxidantes de Sulfeto (BRN-OS)

A determinação do perfil metabólico das bactérias isoladas como redutoras de

nitrato oxidantes de sulfeto (BRN-OS) é apresentado na Tabela 5.

Primeiramente, foi determinado o crescimento “aparente” das bactérias no meio

CSB. Dos 26 isolados, 20 apresentaram turbidez nos frascos “tipo penicilina”. Para

confirmar o crescimento dos micro-organismos por processo de desnitrificação

autotrófica utilizando o H2S como única fonte de energia, a presença do nitrito na

amostra foi revelada pelo teste de redução do nitrato (ANVISA, 2013).

Das 20 cepas que apresentaram turbidez, 7 mostraram os maiores níveis de

redução do nitrato, outras 7 apresentaram forte redução, evidenciado pela cor

vermelho tijolo formado nos frascos após a adição das soluções A e B. Das 6 bactérias

restantes, 2 se mostraram reativos para a redução quimiolitotrófica do nitrato, 3

apresentaram fraca redução e a cepa Ap2A-MBT não reduziu o nitrato.

Das 6 bactérias que não apresentaram turbidez, 5 se mantiveram incolores

após o teste e não são capazes de reduzir o nitrato de forma autotrófica. No entanto,

a cepa AT14-2 mostrou-se reagente para a presença do nitrito. Ainda analisando a

tabela 5, é possível observar que as cepas Ap1C-MBT e AMD (que não reduziram o

nitrato de forma heterotrófica) mostraram a capacidade de reduzir o nitrato pela

oxidação do sulfeto.

A Figura 10 mostra o resultado do teste para BRN-OS que relaciona a

intensidade da cor formada ao nível de redução do nitrato.

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Figura 10. Resultado do teste para bactérias redutoras de nitrato sulfeto-oxidantes.

Fonte: Próprio autor. A - controle negativo; B - não reduziu; C - fraca redução; D - redução aparente; E - forte redução; F - máximo de redução observada.

O frasco da figura 10-A foi o controle. Bactérias que não reduziram o nitrato se

mantiveram incolores após a adição dos reagentes (10-B). A presença do nitrato na

amostra foi confirmada pela adição da solução de difenilamina ácida, que na presença

dessa substância, forma um precipitado azul (não mostrado). As bactérias que tiveram

crescimento, apresentaram variada capacidade de redução do nitrato: fraca redução

(10-C); redução aparente (10-D); forte redução, com a formação da coloração

vermelho-tijolo (10-E); e máximo de redução observada nos frascos com cor

enegrecida (10-F).

Todas as bactérias isoladas no presente estudo apresentaram pelo menos um

tipo de redução desassimilativa do nitrato, autotrófica ou heterotrófica. O grande

número de bactérias desnitrificantes encontrado pode estar relacionado a injeção de

nitrato nos poços de petróleo para inibir a geração de sulfeto pelas BRS. Esta ideia é

corroborada por Magalhães (2014) que estudando bactérias com atividade

antagonista às BRS, observou populações de BRN (isoladas de água produzida de

um poço de extração na Bacia do Recôncavo Baiano), 6 vezes maiores que a

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população de BRS, indicando a adição dessa substância nos campos de extração de

petróleo.

5.3.3. Redução do molibdato

Os resultados para o teste de redução do molibdato são apresentados na

Tabela 6.

Tabela 6. Teste para avaliar a capacidade das bactérias isoladas da água produzida de reduzir o molibdato (VI) a azul de molibdênio (V).

Cepa (Poço A) Redução do

molibdato Cepa (poço B)

Redução do

molibdato

Jv1 ●● AT1 ●

Jv4 ●/- AT2 --

Jv4-1 ● AT3 ●●

Ap1A-MBT ●/- AT4 ●●

Ap1B-MBT ● AT5 ●●

Ap1C-MBT ● AT6 ●

Ap2A-MBT ● AT11-1 ●●

Ap2B-MBT ●● AT11-2 ●

Ap01-A -- AT12 ●●

Ap01-B ● AT13 ●●

Ap01-C -- AT14-1 ●●

Ap01-D ●/- AT14-2 ●●

AMD ● AT14-3 ●

Interpretação do teste: (--) incolor; (●/-) fraca redução; (●) reduziu o molibdato; (●●) forte redução do molibdato.

Das 26 bactérias testadas, 23 apresentaram capacidade de reduzir o molibdato

(VI) a azul de molibdênio (V). No entanto, o nível de redução variou entre os isolados

microbianos: 10 cepas apresentaram forte redução do molibdato, 8 do poço B e 2 do

poço A; perfil de redução intermediária foi observado em 10 bactérias, sendo 6 do

poço A e 4 do poço B; fraca redução do molibdato foi observado em 3 cepas, todas

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do poço A; e 3 bactérias não apresentaram perfil redutor, 2 do poço A e 1 do poço B.

Pelo resultado exposto percebe-se que a maioria dos isolados oriundos do poço B

apresentaram perfil metabólico para a redução do molibdato.

A Figura 11 mostra a interpretação para o teste de redução do molibdato onde

relaciona a intensidade da cor formada ao nível de molibdênio produzido. Na figura

11-A a bactéria testada não foi capaz de reduzir o molibdato. Já a bactéria mostrada

na figura 11-B apresentou uma fraca redução, pois as colônias se coraram fracamente

em azul. Resultados positivos para o teste foi observado nas figuras 11-C e D, onde

as colônias tendiam a um azul escuro ou se coraram totalmente em azul,

respectivamente.

Figura 11. Teste de redução do molibdato.

Fonte: próprio autor. A - não reduziu o molibdato; B - fraca redução; C - redução intermediária; D - forte redução do molibdato.

Diversos autores relatam a eficiência do molibdato como inibidor metabólico

específico de BRS (NAIR et al., 2015; PATIDAR; TARE, 2005). Contudo, esse

composto apresenta elevado valor comercial, tornando inviável sua utilização em

campos de petróleo (DE JESUS et al., 2015; SOUSA, 2009).

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Na Malásia, molibdênio, sob a forma de molibdenita é extraído como um

subproduto da mineração de cobre e tem havido relatos de vários casos de poluição

causado por vazamento acidental de sistema de transporte de metal e lixiviação dos

metais do local de mineração (SHUKOR et al., 2008). No Brasil o molibdênio é extraído

como um coproduto ou subproduto da mineração de esmeraldas, na região de Campo

Formoso e Pindobaçu, na Bahia (BRAGA, 2013).

Biorremediação usando enzimas microbianas para tratar a poluição por metais

pesados é um processo revolucionário que tem crescido extensivamente na era da

biotecnologia. A redução de molibdato por micro-organismo é um fenômeno

interessante porque o produto mostra um azul intenso permitindo que o progresso da

redução seja observado (SHUKOR et al., 2008). Esse processo pode ser utilizado

para imobilizar molibdénio solúvel em formas insolúveis, reduzindo a sua toxicidade.

O produto azul de molibdênio adere fortemente às células indicando que a remoção

do metal a partir de solução tem potencial de biorremediação (OTHMAN et al., 2013).

Testes piloto em nosso laboratório tem demonstrado o potencial inibidor do azul

de molibdênio produzido pelas bactérias isoladas da água produzida frente as BRS

(dados não mostrados). Sendo assim, estudos combinados de biorremediação,

associado a produção de um composto inibitório de baixo custo, mostra-se uma

alternativa interessante para aplicação na indústria do petróleo.

5.4. Testes laboratoriais de antagonismo

O resultado dos testes laboratoriais de antagonismo em placas é mostrado na

Figura 12. Das 26 cepas testadas quanto ao potencial inibidor contra a bactéria

Desulfovíbrio spp., 10 apresentaram algum tipo de inibição microbiana. Halos de 6

mm foram observados para as cepas AP2A-MBT e AT11-1. A bactéria AP1A-MBT

obteve halo de 7 mm. Outras 4 linhagens produziram halos de 8 mm (JV4, AP1B-MBT,

AP1C-MBT e AP2B-MBT).

Os melhores resultados obtidos para os testes de inibição foram observados

para as bactérias AMD (10 mm), AT6 (11 mm) e AT11-2 (13 mm). Valores superiores

aos obtidos por Magalhães (2014), que testando bactérias com atividade antagonista

às BRS oriundas de amostras de água produzida de poços de petróleo, obteve halos

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entre 7 e 9 mm para a cepa Halomonas aquamarina e 8-9 mm para a cepa

Marinobacter hydrocarbonoclasticus.

Figura 12. Atividade antimicrobiana das cepas isoladas da água produzida contra a Desulfovibrio spp.

Fonte: Próprio autor. Médias seguidas pela mesma letra, entre as barras, não diferem pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade.

A inibição mais expressiva encontrada no presente trabalho (13 mm para a

cepa AT11-2) foi superior ao relatado por Rosa et al. (2013) estudando o antagonismo

de bactérias do gênero Streptomyces contra bactérias envolvidas em processos

biocorrosão, que obtiveram halos de 12 mm. O sobrenadante da cepa Streptomyces

lunalinharesii 235, que apresentou atividade inibitória frente à bactéria

Desulfovibrio alaskensis, estava concentrado 300 vezes. Diferente dos sobrenadantes

das amostras testadas no presente trabalho, concentrados 200 vezes.

A Figura 13 mostra a diferença entre o controle negativo, placa apenas com

BRS (13-A), e a formação dos halos de inibição pela adição das SAM (13-B).

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Figura 13. Teste de antagonismo em placas por sobrecamada das cepas isoladas da água produzida contra a cepa Desulfovibrio spp.

Fonte: própria autor. A - Controle negativo; B - Halo de inibição.

A inibição de bactérias redutoras de sulfato pela produção de SAM tem sido

relatada em vários trabalhos na literatura. Jayaraman et al. (1999) avaliando a inibição

de BRS por produção de peptídeos antimicrobianos em biofilmes produzidos por

Bacillus subtilis, evidenciaram que estas substâncias foram capazes de inibir o

crescimento das bactérias Desulfovibrio vulgaris e D. gigas, reduzindo

significativamente as taxas de corrosão em condição de cultura contínua.

Gana et al. (2011) estudando o potencial antagonista de uma espécie

nanopatogênica de Bacillus sp., obtido a partir de um campo de petróleo argelino

contra um consórcio de BRS, observaram que o inibidor biológico produzido pela cepa

apresentou melhor desempenho e eficácia na inibição da produção de sulfeto pelas

BRS, quando comparado com o biocida químico THPS.

Rosa et al. (2013) estudando o potencial inibitório de bactérias do gênero

Streptomyces contra bactérias envolvidas em processos de biocorrosão, observaram

SAM de caráter proteico capazes de inibir a bactéria Desulfovibrio alaskensis.

Já Moradi et al. (2015) avaliando o efeito inibidor da corrosão pela formação de

biofilmes protetores observaram que a bactéria Vibrio neocaledonicus sp. e seu

subproduto metabólico aumentaram em mais de sessenta vezes a proteção contra a

corrosão do aço carbono.

Atualmente, existe uma busca crescente por moléculas eficientes e menos

tóxicas (green molecules) para o controle dos problemas causados pelas BRS na

indústria do petróleo (ALBUQUERQUE et al., 2014). Dessa forma, bactérias que

apresentam atividade inibitória frente a Desulfovíbrio spp., mostram-se como

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potenciais produtoras de SAM contra os micro-organismos causadores dos processos

de biocorrosão (ROSA et al., 2013).

5.5. Produção de biopolímeros

A produção de EPS foi observado em todos os isolados da água produzida. A

Figura 14 apresenta gráfico com a média dos resultados obtidos para a produção de

biopolímeros com base no diâmetro da camada de muco (mm). Foi aplicado um teste

de comparação de médias (Scott-Knott), para determinar se havia diferença

significativa na produção de biopolímeros entre os isolados.

Figura 14. Produção de EPS pelas bactérias isoladas da água produzida.

Fonte: Próprio autor. Médias seguidas pela mesma letra, entre as barras, não diferem pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade.

Considerando a produção média de biopolímeros (mm), pode-se observar que

houve diferença estatística entre os cultivos isolados da água produzida. As maiores

produções foram encontradas para as cepas JV4, JV4-1, AMD e AT11-2 (40 mm). Já

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os menores valores encontrados para a produção de EPS foram observados para as

cepas AP01-A, AP01-D, AT1 e AT2 (entre 4 e 8 mm).

A Figura 15 mostra a confirmação da produção de biopolímeros pelas bactérias

isoladas da água produzida.

Figura 15. Confirmação da produção de EPS pelas bactérias isoladas da água produzida.

Fonte: Próprio autor.

A presença de EPS associados a células bacterianas pode ser reconhecido

pela formação de colônias mucosas em meio sólido (15-A) ou pela formação de longos

filamentos pela extensão da colônia com uma alça de inoculação (15-B). A

confirmação da produção de biopolímeros é vista na Figura 15-C pela formação de

um precipitado após a adição do etanol (PAULO et al., 2012; RUAS-MADIEDO;

REYES-GAVILÁN, 2005).

Micro-organismos produtores de EPS são importantes para a tecnologia

MEOR uma vez que tais compostos podem aumentar a recuperação de petróleo

através da modificação do perfil geológico do reservatório (BACHMANN et al., 2014).

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Os biopolímeros são utilizados para aumentar a viscosidade da água de inundação,

melhorando a mobilização e recuperação do óleo em campos maduros. Eles ainda

podem ser utilizados para bloquear de forma seletiva zonas de alta permeabilidade,

assegurando que a subsequente injeção de água produzida aumente o varrimento do

petróleo (SEN, 2008; SHENG, 2013).

Além das aplicações citadas, os EPS produzidos por micro-organismos tem

sido fonte de estudo de muitos pesquisadores na busca por cepas microbianas

capazes de produzir biofilmes benéficos para inibir ou reduzir os efeitos nocivos

causados pelas BRS na indústria do petróleo (GHAFARI et al., 2013; JAYARAMAN et

al., 1999; MORADI et al., 2015; ZARASVAND; RAI, 2014).

A busca por novos micro-organismos que produzam EPS em grandes

quantidades com menor custo de produção tem despertado grande interesse

(BORGES, 2015). A indústria anseia por novos biopolímeros que possuam

propriedades reológicas distintas, com estabilidade em ampla faixa de pH, salinidade

e temperatura (GAO, 2015).

5.6. Produção de biossurfactante

5.6.1. Índice de emulsificação

Os critérios utilizados para selecionar bactérias produtoras de biossurfactantes

são: habilidade de produzir emulsificado, reduzir a tensão superficial abaixo de 40

mN/m, além de manter pelo menos 50% do volume da emulsão original 24h após sua

formação (DAMIÃO, 2012).

A Figura 16 mostra a quantificação em porcentagem da produção de

biossurfactante através do método de índice de emulsificação. Comparando as

linhagens entre si observou-se que as bactérias JV1, JV4, AMD, AT4, AT6 e AT11-2,

apresentaram índice de emulsificação acima de 50% após 24 horas. A produção de

biossurfactante para essas cepas variou entre 54 e 68%, sendo as maiores produções

observadas para as cepas AT6 (60%) e AMD (68%).

Esses valores são semelhantes aos encontrados por Damião (2012) que

estudando a produção de biossurfactantes por Pseudomonas aeruginosa e a

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bioprospecção de genes relacionados com raminolipídeos em diferentes meios,

obteve índice de emulsificação entre 60 e 64%.

Figura 16. Quantificação em porcentagem da produção de biossurfactante através do método de índice de emulsificação.

Fonte: Próprio autor.

Com exceção da cepa AT4, todas amostras com índice de emulsificação maior

que 50% permaneceram com emulsão estável por mais de 90 dias de produção. A

produção de emulsões estáveis permite ao micro-organismo se aderir a superfícies

hidrofóbicas muito fortemente, com implicações na capacidade de biodegradação

(CHRISTOFI; IVSHINA, 2002).

5.6.2. Análise da tensão superficial

Visando analisar a eficiência do biossurfactante produzido pelas cepas isoladas

da água produzida no meio TSB, foram efetuadas medidas da tensão superficial

(Figura 17). A tensão superficial do controle (meio de cultura sem inóculo) foi 53,2

mN/m. Bons produtores de biossurfactante reduzem a tensão superficial a 40mN/m

ou menos (HABA et al., 2000).

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Das 26 cepas testadas, 10 apresentaram valores inferiores a 40 mN/m. As

reduções da tensão superficial para essas linhagens variaram entre 27,83 e 31,92

mN/m, sendo o melhor resultado observado para a cepa AT11-2 (27,83 mN/m).

Porém, os resultados não diferiram estatisticamente entre eles.

Figura 17. Análise da redução da tensão superficial para as bactérias isoladas da água produzida.

Fonte: Próprio autor. Médias seguidas pela mesma letra, entre as barras, não diferem pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade.

Gouveia et al. (2003), estudando bactérias produtoras de biossurfactante

isolados de poços de petróleo, obtiveram valores para a redução da tensão superficial

entre 28,2 e 34,05 mN/m, para linhagens de Pseudomonas produtoras de

raminolipídeos.

Bento et al. (2005) avaliando a diversidade de micro-organismos produtores de

biossurfactante, obtiveram o melhor resultado para redução da tensão superficial (41,1

mN/m), utilizando um consórcio bacteriano isolado de solos contaminados com óleo

diesel.

Joshi et al. (2013) estudando a produção de biossurfactante por linhagens

pertencentes ao gênero Bacillus spp., observaram 24 estirpes com atividade de

tensão superficial entre 28 e 35 mN/m. Essas bactérias foram isoladas de habitats

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diversos (águas termais, oceano, poços de petróleo, bomba de gasolina, etc.), com

alta salinidade e/ou temperatura, sendo que a cepa identificada como

B. licheniformis TT42, apresentou redução da tensão superficial para 28 mN/m, contra

o petróleo bruto a 80º C. Segundo os autores, os resultados obtidos aumentam a

possibilidade de utilizar bactérias desse gênero, nos processos de recuperação

melhorada do petróleo.

Analisando conjuntamente o índice de emulsificação (Figura 16) e a eficiência

do biossurfactante produzido (Figura 17), pode-se observar que as cepas JV1, JV4,

AMD, AT6 e AT11-2 obtiveram os melhores resultados.

Alvarez et al. (2015) estudando estirpes bacterianas produtoras de

biossurfactante com potencial biotecnológico para aplicação em MEOR, selecionaram

a bactéria Bacillus amyloliquefaciens TSBSO 3.8, por produzir um composto de alta

atividade, com índice de emulsificação de 63%, tensões superficial e interfacial de

28,5 e 11,4 mN/m (respectivamente), utilizando o meio de cultura TSB. Esses

resultados se assemelham aos obtidos pelas cepas selecionadas como produtoras de

biossurfactante no presente trabalho (Figura 18).

Figura 18. Análise comparativa do índice de emulsificação (%) e tensão superficial (mN/m) para as cepas selecionadas como produtoras de biossurfactante.

Fonte: Próprio autor. Médias seguidas pela mesma letra, entre barras, não diferem pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade.

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Analisando a figura é possível observar que os melhores resultados para o

índice de emulsificação e para a redução da tensão superficial foram obtidos pelas

cepas AMD (68%) e AT11-2 (27,83 mN/m), respectivamente. Os valores encontrados

para essas linhagens diferiram estatisticamente dos demais micro-organismos.

Consórcios bacterianos exibem uma grande variedade de mecanismos

metabólicos na quebra dos componentes do óleo, incluindo a produção de agentes

emulsionantes e tensoativos (BENTO et al., 2005).

Almeida et al. (2004), estudando a seleção de micro-organismos para aplicação

em MEOR, obtiveram as melhores taxas de mobilização de óleo em experimentos de

laboratório utilizando consórcio bacteriano de Bacillus brevis, B. licheniformis e B.

polymyxa. Sendo assim, a utilização das cepas AMD e AT11-2 como consórcios

petrobióticos produtores de bioativos com complementaridade metabólica, pode ser

uma alternativa interessante para a tecnologia MEOR.

5.7 Identificação molecular das cepas selecionadas como produtoras de

bioativos

A Tabela 7 mostra as linhagens bacterianas que foram selecionadas para a

identificação molecular devido a seus desempenhos na produção de compostos

bioativos para aplicação na indústria do petróleo.

Tabela 7. Bactérias produtoras de bioativos selecionadas para identificação a nível molecular.

Caract. destaque: Inibição; Biossurfactante; Biopolímero; Redução do Molibdato.

Cepa Halo Biossurfactante

Biopolímero Molibdato Emulsificação Tensão mN/m

JV4 8mm 54% 29,6 40mm -+

AP1B-MBT 8mm 6% 54,3 20mm +

AP1C-MBT 8mm 10% 51,1 22mm +

AP2B-MBT 8mm - 54,3 32mm ++

AMD 10mm 68% 29,6 40mm +

AT4 - 58% 51,9 28mm ++

AT6 11mm 60% 29,6 24mm +

AT11-2 13mm 56% 27,8 40mm +

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A sequência (~700 pb) do rRNA 16S das oito cepas selecionadas como

produtoras de bioativos revelaram uma significativa homologia (P≥95%) com as

sequências de Bacillus sp. (3), Bacillus subtilis (1), Bacillus thurigiensis (1), Bacillus

pumilus (1), Bacillus cereus (1) e Staphylococcus sp. (1).

As sequências homólogas obtidas nesse trabalho foram identificadas através

de análise filogenética comparando com micro-organismos “tipo” depositados no site

“Silva” – High Quality Ribosomal RNA Databases (Figura 19).

A partir da análise filogenética das sequências de rRNA 16S dos isolados é

possível observar que as cepas AP1B-MBT, AP1C-MBT e AT4 apresentaram alta

identidade, sendo agrupadas com a bactéria Bacillus sp. Já os isolados AP2B-MBT,

AMD e AT6 estão relacionados com as espécies Bacillus subtilis, Bacillus thurigiensis,

Bacillus pumilus e Bacillus cereus.

Várias espécies de Bacillus são extremamente diferentes em diversos aspectos

metabólicos e fisiológicos. Contudo, elas são intimamente relacionadas, sendo

consideradas pelos taxonomistas como variantes de uma mesma espécie, diferindo

essencialmente por genes carreados em plasmídeos, que são facilmente transferidos

de uma bactéria para outra (TORTORA et al., 2012).

Figura 19. Análise filogenética das sequências parciais do gene rRNA 16S (~700 pb) obtidas a partir das cepas produtoras de bioativos.

Fonte: próprio autor.

Borrelia rectrrentis AF107360

Pseudomonas sp

Pseudomonas aeruginosa PACS2

AT6

AP2B

Bacillus thuringiensis AB741470

AMD

Bacillus pumilus AB020208

Bacillus cereus G9241

Bacillus subtilis AB018484

clone OPB54 AF027087

AT11-2

Arcobacter butzleri DQ464342

AP1B

AP1C

KP207648 Bacillus sp

AT4

Thermovibrio ammonificans AY263403

Thermovibrio ruber AJ316619

99

38

25

25

12

10

29

5

0.5

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A prevalência das bactérias selecionadas como pertencentes ao gênero

Bacillus é corroborado pelos dados na literatura sobre a distribuição generalizada de

Bacillus spp. em ambientes associados ao petróleo, incluindo reservatórios de

petróleo (OLIVEIRA et al., 2008; SETTE et al., 2007; VASCONCELLOS et al., 2010).

Bactérias do gênero Staphylococcus também já foram detectados em amostras de

petróleo em estudos anteriores (LOPES et al., 2010; SILVA et al., 2013).

Vasconcellos et al. (2009) estudando o isolamento e a capacidade de

biodegradação de bactérias em amostras de petróleo, isolaram vinte e oito estirpes

bacterianas aeróbias a partir do óleo biodegradado e água de formação. Essas

bactérias foram identificadas como Bacillus sp., Bacillus pumilus, Halomonas sp.,

Pseudomonas stutzeri, Microbacterium sp., Micrococcus sp., Brevibacillus sp. e

Methylobacterium sp.

Lopes (2010) estudando a diversidade taxonômica de bactérias isoladas da

água de formação de reservatórios de petróleo da Bacia de Campos, relatou bactérias

aeróbias pertencentes aos gêneros: Marinobacter, Halomonas, várias espécies de

Bacillus, Citreicella, Stenotrophomonas, Achromotobacter, Micrococcus, Kocuria,

algumas espécies de Streptomyces, e Staphylococcus.

Silva et al. (2013) estudando a diversidade de comunidades microbianas em

amostras de petróleo da Bacia do Potiguar isolaram vinte e três estirpes bacterianas

aeróbias por meio de cultivo que pertenciam aos gêneros Curtobacterium, Kocuria,

Janibacter, Brevundimonas, Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces, Petrobacter e

Brachymonas.

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6. CONCLUSÕES

A presença de poços de extração de petróleo com problema de biocorrosão é

uma realidade na Bacia do Recôncavo Baiano e mostra a necessidade de

desenvolvimento de alternativas menos nocivas (como a utilização de SAM) para o

controle e redução dos problemas causados pelas BRS.

Os procedimentos de isolamento e caracterização utilizados neste trabalho

mostraram-se eficientes para a seleção apropriada de uma variedade de bactérias a

partir da água produzida.

O elevado número de bactérias com capacidade de desnitrificação encontrado

no presente trabalho pode estar relacionado aos níveis de nitrato encontrados para as

amostras de água produzida de ambas as estações de tratamento.

Isolados microbianos com perfil metabólico para a redução do molibdato

possibilita o desenvolvimento de estudos combinados de biorremediação, associado

a produção de compostos inibitórios de baixo custo, sendo uma alternativa

interessante para aplicação na indústria do petróleo.

Os melhores resultados obtidos para os testes de inibição foram observados

para as bactérias AMD (10 mm), AT6 (11 mm) e AT11-2 (13 mm). A inibição de

bactérias redutoras de sulfato pela produção de SAM por linhagens isoladas da água

produzida, demonstra o potencial uso dessas cepas a fim de reduzir os problemas

causados pela BRS na indústria do petróleo.

O screening rápido para determinar o potencial de micro-organismos isolados

da água produzida como produtores de EPS mostrou-se eficiente. Faz-se necessário

estudos complementares para determinar o tipo de biopolímero produzido, suas

características reológicas e sua potencial aplicação na tecnologia MEOR.

As cepas JV1, JV4, AMD, AT6 e AT11-2 apresentaram os melhores resultados

para a produção de biossurfactantes. Além disso, as amostras mantiveram emulsão

estável por mais de 90 dias de produção. Os resultados obtidos pelas cepas AMD

(68%) para o índice de emulsificação e AT11-2 (27,83 mN/m) para a redução da

tensão superficial, merecem especial atenção, uma vez que, consórcios petrobióticos

produtores de bioativos com complementaridade metabólica podem ser uma

alternativa interessante para a tecnologia MEOR.

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A maioria das bactérias selecionadas como produtoras de bioativos foram

identificadas como pertencentes ao gênero Bacillus.

Esta pesquisa serve como base para o desenvolvimento de diversos trabalhos

com potencial aplicação na indústria do petróleo, tais como: (1) inibição de BRS por

produção de substâncias antimicrobianas; (2) utilização das bactérias em processos

de biorremediação; (3) e a constituição de consórcios microbianos que podem ser

utilizados para a tecnologia MEOR.

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APÊNDICE

Caracterização dos micro-organismos isolados da água produzida.

Cepa Molecular Inibição Biossurfactante

EPS Molibdato BRN BRN-OS Emulsão Tensão

JV1 - - 58% 30,5 mN/m 19 mm ++ + ●

JV4 Staphylococcus sp. 8 mm 54% 29,6 mN/m 40 mm -+ + ●●

JV4-1 - - 38% 29,6 mN/m 40 mm + + ●/-

AP1A-MBT - 7 mm 30% 55,8 mN/m 24 mm -+ + ●●●

AP1B-MBT Bacillus cereus 8 mm 6% 54,3 mN/m 20 mm + + --

AP1C-MBT Bacillus sp. 8 mm 11% 51,1 mN/m 22 mm + - ●●●

AP2A-MBT - 6 mm 8% 43,9 mN/m 24 mm + + --

AP2B-MBT Bacillus subtilis 8 mm - 54,3 mN/m 32 mm ++ + ●●

AP01-A - - - 50,2 mN/m 5 mm - + --

AP01-B - - 20% 46,1 mN/m 23 mm ++ + ●●

AP01-C - - - 53,2 mN/m 18 mm - + ●●●

AP01-D - - - 51,0 mN/m 4 mm -+ + ●

AMD Bacillus pumilus 10 mm 68% 29,6 mN/m 40 mm + - ●●

AT1 - - - 44,3 mN/m 9 mm + + --

AT2 - - - 53,0 mN/m 7 mm - + ●●●

AT3 - - - 50,9 mN/m 22 mm ++ + --

AT4 Bacillus thurigiensis - 58% 51,8 mN/m 28 mm ++ + ●●

AT5 - - - 29,5 mN/m 24 mm ++ + ●●●

AT6 Bacillus sp. 11 mm 60% 29,5 mN/m 34 mm + + --

AT11-1 - 6 mm 21% 31,9 mN/m 16 mm ++ + ●●●

AT11-2 Bacillus sp. 13 mm 56% 27,8 mN/m 40 mm + + ●/-

AT12 - - - 50,1 mN/m 27 mm ++ + ●●

AT13 - - 17% 43,5 mN/m 22 mm ++ + ●●

AT14-1 - - 20% 45,5 mN/m 25 mm ++ + ●●●

AT14-2 - - 21% 30,7 mN/m 24 mm ++ + ●

AT14-3 - - 40% 29,2 mN/m 22 mm + + ●/-