Biodegradao Qumica Ambiental Engenharia Ambiental Prof Alonso Goes
Biodegradação Química Ambiental Engenharia Ambiental Prof. Alonso Goes Guimarães
INTRODUÇÃO - Xenobióticos podem se tornar poluentes caso determinem efeitos indesejáveis – toxicidade e concentração. - Microrganismos: papel fundamental nos ciclos biogeoquímicos e são os grandes responsáveis pela completa degradação ambiental de muitos xenobióticos.
PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS ORG NICOS a) Hidrólise - p. H, presença de catalisadores, temperatura, força iônica. - Compostos potencialmente suscetíveis: amidas, aminas, nitrilas, etc. - Compostos resistentes: fenóis, alcanos, alcenos, alcinos, hidrocarbonetos aromáticos, pesticidas, etc.
b) Fotólise - Propriedades da substância e do ambiente. - Fotodegradação: origem de compostos mais hidrossolúveis e menos voláteis. - Pesticidas que sofrem fotólise: malation (15 horas), mirex (1 ano). - Hidrocarbonetos aromáticos que sofrem hidrólise: naftaleno (70 horas), benzopireno (1 hora).
c) Dissociação - Vários compostos orgânicos podem atuar como ácidos ou bases. q DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS INORG NICOS a) Complexação - Combinação dos íons inorgânicos com agentes complexantes presente no meio aquoso.
b) Oxidação-redução - Reações envolvendo transferência de elétrons. c) Polimerização - Moléculas inorgânicas da mesma espécie reagem entre si, formando moléculas maiores ou polímeros.
DEGRADAÇÃO BIÓTICA – BIODEGRADAÇÃO a) Biodegradação: transformação de compostos orgânicos através da atividade metabólica dos organismos, especialmente microrganismos – CO 2 e água. b) Biotransformação: a conversão de um composto orgânico em estrutura molecular alterada, induzindo a perda de alguma propriedade característica da substância, podendo alterar sua toxicidade por exemplo. - Compostos orgânicos: biodegradável, persistente ou recalcitrante.
q Quatro grupos de compostos orgânicos de acordo com a periculosidade: a) Compostos facilmente biodegradáveis e não tóxicos; b) Compostos facilmente biodegradáveis e tóxicos; c) Compostos não biodegradáveis e não tóxicos; d) Compostos não biodegradáveis e tóxico.
Biodegradabilidade Suscetibilidade do composto sofrer a ação dos microrganismos a) Características físicas do composto; b) Características químicas; c) Disponibilidade dos microrganismos.
PROCESSOS ENZIMÁTICOS NA BIODEGRADAÇÃO Oxidação Hidroxilação Redução Hidrólise Descarboxilação Dehalogenação Conjugação Dealquilação
BIORREMEDIAÇÃO Processo de tratamento que utiliza a ocorrência natural de microrganismos para degradar substâncias toxicamente perigosas transformando-as em substâncias menos ou não tóxicas.
BIORREMEDIAÇÃO Biorremediação natural: processo passivo no qual os microrganismos transformam os contaminantes alvos em produtos finais inócuos – atenuação natural. Biorremediação acelerada: métodos de biorremediação que empregam técnicas para estimular a degradação dos contaminantes alvos, como adição de oxidantes, substrato, nutrientes inorgânicos, microrganismos específicos, etc.
BIORREMEDIAÇÃO v. Biorremediação “in situ”: resíduo é tratado no local. v. Biorremediação “ex situ”: remoção física do material contaminado e seu encaminhamento para o local de tratamento.
Biorremediação “in situ”
BIORREMEDIAÇÃO Importante estratégia para a remediação de solos e águas subterrâneas porque: Beneficia-se dos processos biogeoquímicos que ocorrem naturalmente; Destrói ou imobiliza contaminantes, ao invés de transferi-los de um meio para outro; e Preserva os recursos financeiros se comparado a outras tecnologias de remediação.
TIPOS DE BIORREMEDIAÇÃO Bioaumentação: introduz misturas específicas de microorganismos em um ambiente contaminado ou em um biorreator para iniciar o processo da biorremediação. Bioestimulação: fornece nutrientes às populações de microrganismos, aumentando sua população, promovendo o crescimento e consequentemente o aumento da atividade metabólica na degradação de contaminantes.
Aspectos importantes Três aspectos devem ser considerados: 1. A existência de microrganismos com capacidade catabólica para degradar o contaminante; 2. O contaminante tem que estar disponível ou acessível ao ataque microbiano ou enzimático; 3. Condições ambientais adequadas para o crescimento e atividade do agente biorremediador.
LIMITAÇÕES DA BIORREMEDIAÇÃO Não é uma solução imediata. - Os locais a serem tratados devem estar preparados para suportar a ação dos microrganismos. - Para cada tipo de contaminante, indicamse espécies diferentes de microrganismos para o processo de biorremediação.
Contaminantes-Espécies Contaminante Espécie utilizada Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Anéis aromáticos Arthrobacter, Penicillum, Aspergillus, Fusarium, Phanerocheate Cádmio Staphlococcus, Bacillus, Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella, Rhodococcus Cobre Escherichia, Pseudomonas Cromo Alcaligenes, Pseudomonas Enxofre Thiobacillus Petróleo Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillum, Cunninghamella
INVESTIGAÇÃO PARA BIORREMEDIAÇÃO a) Identificação dos poluentes em relação ao grau de biodegradação (níveis de biodegradabilidade) b) Levantamento do local contaminado c) Tempo requerido para a biorremediação d) Fatores econômicos
PASSOS APLICÁVEIS a) Isolamento do local até segunda ordem b) Definição do método básico de biorremediação c) Determinar os tipos de monitoramento
FATORES QUE AFETAM A BIORREMEDIAÇÃO Biodisponibilidade inadequada de contaminantes para os microrganismos– incorporação ao húmus. Nível de toxicidade dos contaminantes. Preferência microbiana, população presente no local.
Biossurfactantes
FATORES QUE AFETAM A BIORREMEDIAÇÃO - Degradação incompleta metabólitos tóxicos. de contaminantes – - Incapacidade de remover contaminantes em baixa concentração. - Esgotamento de substratos preferenciais, e escassez de nutrientes. - Disponibilidade de aceptores de elétrons, potencial de redox. - Difusão de oxigênio e solubilidade.
MÉTODOS MAIS UTILIZADOS a) Landfarming: sistema de tratamento em fase sólida para solos contaminados. b) Compostagem: processo de tratamento termofílico e aeróbio, onde ocorre a transformação do composto orgânico mediante a mistura dos microrganismos com o material.
MÉTODOS MAIS UTILIZADOS a) Bioreatores: biorremediação em containeres ou reatores, para tratamento de efluentes e lodos (Lodo ativado, filtro biológico, lagoas de estabilização, lagoas aeradas - degradação microbiana de compostos orgânicos através do metabolismo aeróbio facilitado pela disponibilidade de oxigênio mo meio) b) Bioventilação ou bioeração: injeção de ar ou oxigênio puro em solos e água subterrânea contaminados, estimulando a atividade dos microrganismos.
TESTES DE BIODEGRADABILIDADE I. II. III. Testes de biodegradabilidade imediata: testes simples em condições similares às do meio ambiente. Testes de biodegradabilidade intrínseca: fornecimento de condições mais favoráveis. Testes de simulação: indicação da taxa de biodegradação em um compartimento específico.
TESTES DE BIODEGRADABILIDADE IMEDIATA 1) 2) 3) 4) 5) Período do ensaio: 28 dias (limitada aclimatação) A literatura recomenda 60 a 80% como níveis aceitáveis para biodegradabilidade imediata. Parâmetro avaliado: desprendimento de CO 2 ou consumo de O 2, remoção de carbono orgânico. Decaimento da DQO Desprendimento de CO 2 em sistema aberto Desprendimento de CO 2 em sistema fechado Consumo de oxigênio dissolvido Decaimento de carbono orgânico
TESTES DE BIODEGRADABILIDADE INTRÍNSECA - Período do ensaio: até 120 dias. - Condições experimentais mais favoráveis: maior densidade microbiana; maior período de adaptação ou aclimatação do inóculo; introdução de nutrientes. - Resultado negativo no teste indica provável permanência do composto no ambiente.
Comparação de produção de CO 2 acumulado durante o período de 111 dias com aplicação de borra oleosa na taxa de 12% no solo testemunha p. H 5, 5 e no solo de landfarming p. H 6, 0 e 7, 5.
TESTES DE SIMULAÇÃO Fase I: considerar a estrutura do composto e os dados existentes em literatura, identificando os prováveis compartimentos de sua distribuição; • • Fase II: testes de biodegradabilidade imediata – positivo (não necessita estudos complementares), negativo (é preciso condições mais favoráveis para que a biodegradação ocorra);
TESTES DE SIMULAÇÃO • Fase III: teste de biodegradabilidade intrínseca – negativo(biodegradação ambiental lenta), positivo (o composto não persistirá no ambiente); • Fase IV: testes de simulação para obter informações sobre a extensão da biodegradação em condições similares às encontradas no ambiente; • Fase V: testes de campo ou monitoramento ambiental.
CATEGORIAS DE BIODEGRADABILIDADE 1. Rapidamente biodegradáveis: condições de equilíbrio ambiental quase que instantaneamente, uma vez suspenso o seu lançamento suas concentrações tendem a zero; 2. Praticamente biodegradáveis: meia-vida inferior ao seu tempo de residência em compartimentos ambientais específicos, não se acumulam;
CATEGORIAS DE BIODEGRADABILIDADE 3. Pouco biodegradáveis (persistentes): composto com meia vida superior ao seu tempo de residência, persiste por longos períodos, mesmo após seu uso ter sido interrompido; 4. Não biodegradáveis ou recalcitrantes: biodegradação próxima a zero, não mostram evidência de mineralização significativa por microrganismos, acumula-se e não atingem concentrações de equilíbrio.
1. Biodegradação de polímeros sintéticos e plásticos biodegradáveis - Indústria produz 40 bilhões de quilos de plástico/ano. - Dispostos em aterros (grande área) ou incinerados (gases tóxicos). - Polímeros (polietileno, poliestireno) são altamente recalcitrantes e os microrganismos têm dificuldade de degradá-los.
1. Biodegradação de polímeros sintéticos e plásticos biodegradáveis - Alternativas de plásticos biodegradáveis (biopolímeros) constituídos associados com amido obtido por síntese microbiana – poliidroxibutirato (PHB). - Biopolímeros são degradados por bactérias amilolíticas do solo e por fungos (Penicillium, Aspergillus, Fusarium).
2. Biodegradação do petróleo - Petróleo principal fonte mundial de combustível. - O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos (H e C) – metano, aromático policíclico. - Impacto ambiental: resíduos de refinaria de petróleo, contaminação do solo em áreas adjacentes, vazamentos de oleodutos e de tanques, derramamentos acidentais – maré negra.
2. Biodegradação do petróleo A habilidade em degradar hidrocarbonetos não é restrita a apenas alguns gêneros de microrganismos. Vários grupos de bactérias, fungos e actinomicetos tem capacidade de degradar hidrocarbonetos.
3 características essenciais para a utilização de hidrocarbonetos pelos microrganismos: a) Sistema eficiente de absorção de hidrocarbonetos, com sítios especiais de ligação e/ou substâncias emulsificante para o transporte do hidrocarboneto ao interior da célula, b) Enzimas específicas c) Especificidade induzida – resposta positiva do organismo ao petróleo e seus constituintes. - Acinetobacter, Alcaligenes, Bacillus, Nocardia, Flavobacterium, Klebsiella etc. Pseudomonas, - Culturas mistas possuem vantagens sobre cultura pura, pois a capacidade biodegradativa de uma comunidade é maior quantitativamente e qualitativamente.
Utilização de hidrocarbonetos pelos microrganismos - - A resistência da comunidade a substâncias tóxicas pode ser muito maior, quando em culturas mistas. - A mineralização de compostos xenobióticos requer muitas vezes a atividade de muitas enzimas. - Para a degradação de hidrocarbonetos o primeiro passo é a introdução de oxigênio na molécula.
Utilização de hidrocarbonetos pelos microrganismos - Na mistura de hidrocarbonetos os mais facilmente degradados e aqueles em maior concentração são os primeiros que sofrem a ação microbiana. - Quanto maior o comprimento da cadeia e a maior quantidade de ramificações presentes, mais resistente torna-se o composto.
3. Biodegradação de compostos orgânicos por basidiomicetos lignocelulolíticos -Subdivisão Basidiomycota: fungos amplamente distribuídos na natureza, principalmente sobre madeira em decomposição e resíduos vegetais. - Brasil são conhecidas 2500 espécies de fungos basidiomicetos lignocelulolíticos.
3. Biodegradação de compostos orgânicos por basidiomicetos lignocelulolíticos - Degradam componentes da madeira, celulose, hemicelulose e lignina, obtendo energia para seu crescimento e reprodução. - Os basidiomicetos lignocelulolíticos são os únicos microrganismos conhecidos com capacidade de metabolizar completamente a molécula de lignina a CO 2 e H 2 O. Fungos causam a podridão branca da madeira.
3. Biodegradação de compostos orgânicos por basidiomicetos lignocelulolíticos Fungos são capazes de degradar vários compostos orgânicos recalcitrantes: fenóis clorados (pentaclorofenol, triclorofenol, diclorofenol), inseticidas (DDT, lindane, dieldrin), anilinas cloradas (3, 4 -dicloroanilina), dioxinas (diclorodibenzeno – ρ – dioxina, tetraclorodibenzeno -– ρ – dioxina), hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (fluoreno, antraceno, pireno), corantes (cristal violeta, azul de bromofenol, azo corantes).
3. Biodegradação de compostos orgânicos por basidiomicetos lignocelulolíticos q Lignina - Vegetais são constituídos por: celulose (40 -60%), hemicelulose (10 -30%) e lignina (15 -30%). - Lignina é um polímeros natural de difícil biodegradação. - Função na planta: suporte estrutural, envolvendo células vegetais e impregnando a parede celular, fornece uma poderosa proteção contra o ataque microbiano.
Estrutura da lignina Fonte: American Chemical Society
Lignina - O processo de formação da lignina resulta na formação de uma molécula extremamente complexa – um biopolímero tridimensional, de alta massa molecular, altamente ramificado, com estrutura irregular. - Phanerochaete chrysosporium: basidiomiceto com capacidade de degradar a lignina.
Lignina - Despolimerização inicial da lignina ocorre devido a presença de lacases, peroxidases e outras enzimas capazes de romper anéis aromáticos. - Sendo estes fungos dotados da capacidade de degradar a lignina, eles estão sendo amplamente utilizados na degradação dos mais variados compostos orgânicos recalcitrantes – xenobióticos.
FITORREMEDIAÇÃO Raízes das plantas e a comunidade microbiana oferece uma estratégia importante para remediação contaminados. de solos - Fitorremediação: técnica de biorremediação in situ de solos contaminados.
FITORREMEDIAÇÃO - Emprego de sistemas vegetais fotossintetizantes e sua microbiota com objetivo de descontaminação de áreas contaminadas.
FITORREMEDIAÇÃO - A rizosfera tem sido amplamente pesquisada, devido a sua importância para a produtividade e degradação de xenobióticos. - A composição da população de microrganismos é dependente do tipo de raiz, espécie e idade da planta, do tipo de solo.
FITORREMEDIAÇÃO - Não é uma tecnologia amplamente aceita pelos órgãos de controle ambiental. - Plantas atuam com três mecanismos: 1) Absorção direta de contaminantes e subseqüente acumulação de metabólitos não fitotóxicos nos tecidos da planta;
FITORREMEDIAÇÃO 2) Liberação de exsudatos e enzimas que estimulam a atividade microbiana e as transformações bioquímicas; 3) Aumento de mineralização na rizosfera. - Substâncias alvo: metais pesados (Cd, Zn, Cu, Ni, etc), pesticidas (atrazina, compostos clorados), solventes clorados, resíduos orgânicos , etc. - Vantagens: grandes áreas podem ser tratadas, com baixo custo.
- Desvantagem: longo tempo, tolerância da planta utilizada ao poluente, risco de vegetais na cadeia alimentar. - Fitorremediação para limpeza de áreas contaminadas com petróleo. - Utilização de plantas aquáticas: intensa absorção de nutrientes e rápido crescimento. - Macrófitas: Typha dominguense, Eichhornia crassipes.
Constructed wetlands
BIOVENTING Consiste na passagem de ar pelo interior da zona não saturada do solo contaminado, pela introdução forçada do ar (extração ou injeção de ar) para aumentar a concentração de oxigênio e estimular a biodegradação. Poços Monitoramento
Poços Monitoramento Fluxo de ar Compressor de ar Poço de Injeção Solo Contaminado
Bioventing é uma tecnologia que estimula a biodegradação natural in situ para qualquer composto aerobiamente degradável, disponibilizando oxigênio adicional aos microorganismos presentes no solo. Diferentemente da técnica de extração de vapor do solo, a Bioventing utiliza baixas taxas de fluxo de ar, para disponibilizar somente o oxigênio necessário à sustentação da atividade microbiológica.
Bioventing O oxigênio é normalmente disponibilizado por meio da injeção direta do ar no interior do solo contaminado. A degradação da fase residual de contaminantes se realiza pelo movimento lento do vapor através do solo biologicamente ativo É uma técnica de remediação entre média a demorada. O processo de limpeza do solo pode durar de alguns meses a vários anos.
Aplicabilidade Remediar solos contaminados por hidrocarbonetos de petróleo, solventes não clorados, alguns pesticidas, preservantes de madeira, e outros químicos orgânicos. Pode ser utilizada para alterar o estado de valência dos contaminantes inorgânicos e causar sua adsorção, incorporação, acumulação, etc. Esta técnica, apesar ainda da escala experimental, tem mostrado ser promissora na remoção de contaminantes inorgânicos.
Limitações Nível d’água pouco profundo, lentes de solo saturado ou solos pouco permeáveis diminuem a eficácia da técnica Bioventing Vapores podem escapar do solo dentro do raio de influência do poço de injeção. Este problema pode ser amenizado pela extração de ar próximo a área alvo Umidade muito baixa no solo pode limitar a biodegradação e a eficácia da técnica
Limitações Aconselhável o monitoramento da perda de gases pela superfície do solo Biodegradação aeróbia de muitos compostos clorados pode não ser eficiente a menos que haja um cometabólito presente, ou um ciclo anaeróbio Baixas temperaturas podem retardar a remediação, embora tenha tido sucesso projetos realizados em climas extremamente frios
Necessidades de Projeto O ar precisa passar através de todo o solo em quantidades adequadas para manter a condição aeróbia Precisa estar presente naturalmente no solo microorganismo em quantidade suficiente para se obter taxas razoáveis de biodegradação Testes pilotos para determinar tanto a permeabilidade do solo ao ar como a taxa de respiração microbiológica
Necessidades de Projeto Granulometria e umidade do solo influenciam significativamente a permeabilidade do solo ao gás. Uma das maiores limitações à permeabilidade do ar é a umidade excessiva do solo. A combinação entre nível d’água alto, umidade alta e solo texturalmente fino tem inviabilizado a técnica Bioventing em alguns sítios contaminados nos EUA.
Cinética de Biodegradação
CINÉTICA DE BIODEGRADAÇÃO DE NAFTALENO POR Pseudomonas flourescens HK 44 (MAGALHÃES E VALDMAN, 2005) O experimento de biodegradação contendo inicialmente 10 mg/L do poliaromático foi realizado na concentração celular 0, 2 g/L. Os resultados obtidos comprovaram o potêncial de degradação da cepa HK 44, uma vez que a remoção real de 54, 9% de naftaleno foi obtida em menos de 2 horas.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS DE Acinetobacter johnsonii foi isolada e selecionada a partir de amostras coletadas em tanques de lodo ativado para tratamento biológico de efluentes de uma siderurgia situada em Minas Gerais. A bactéria foi submetida a ensaios de crescimento e degradação de fenol em diferentes concentrações.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS DE Acinetobacter johnsonii Fenol como única fonte de carbono e de degradar até 15 mmol/L deste composto em 120 horas de incubação, a 30 ºC e agitação de 150 rpm. A porcentagem e a taxa máxima de degradação de fenol foram dependentes das concentrações iniciais de fenol no meio.
BIODEGRADAÇÃO DE FENOL POR CÉLULAS LIVRES E IMOBILIZADAS DE Acinetobacter johnsonii Foram realizados ensaios com o dobro da concentração de células, onde novamente as células livres exibiram maior capacidade degradativa.
BIODEGRADAÇÃO DE FILMES POLIMÉRICOS POR AÇÃO DOS FUNGOS Talaromyces wortmannii e Phanerochaete crysosporyum Amostras constituídas de PEBD (polietileno de baixa densidade) e a mistura de PEBD/amido sofreram uma biodegradação estatisticamente significativa após trinta dias de incubação com o fungo Talaromyces wortmannii e após sete dias com o fungo Phanerochaete chrysosporium.
BIODEGRADAÇÃO DE FILMES POLIMÉRICOS POR AÇÃO DOS FUNGOS Talaromyces wortmannii e Phanerochaete crysosporyum A completa degradação do biopolímero ocorreu após 14 dias com a espécie Talaromyces wortmannii e após sete dias com a espécie Phanerochaete chrysosporium.
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