Biodegradação

1. Biodegradação Química Ambiental Engenharia Ambiental Prof. Alonso Goes Guimarães

2. 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.

5. PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO • DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS ORGÂNICOS • Hidrólise • pH, presença de catalisadores, temperatura, força iônica. • Compostos potencialmente suscetíveis: amidas, aminas, nitrilas, etc. • Compostos resistentes: fenóis, alcanos, alcenos, alcinos, hidrocarbonetos aromáticos, pesticidas, etc.

6. 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).

7. c) Dissociação • - Vários compostos orgânicos podem atuar como ácidos ou bases. • DEGRADAÇÃO ABIÓTICA: COMPOSTOS INORGÂNICOS • Complexação - Combinação dos íons inorgânicos com agentes complexantes presente no meio aquoso.

8. b) Oxidação-redução • Reações envolvendo transferência de elétrons. • c) Polimerização • - Moléculas inorgânicas da mesma espécie reagem entre si, formando moléculas maiores ou polímeros.

9. DEGRADAÇÃO BIÓTICA – BIODEGRADAÇÃO a) Biodegradação: transformação de compostos orgânicos através da atividade metabólica dos organismos, especialmente microrganismos – CO2 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.

10. Quatro grupos de compostos orgânicos de acordo com a periculosidade: • Compostos facilmente biodegradáveis e não tóxicos; • Compostos facilmente biodegradáveis e tóxicos; • Compostos não biodegradáveis e não tóxicos; • Compostos não biodegradáveis e tóxico.

11. Biodegradabilidade • Suscetibilidade do composto sofrer a ação dos microrganismos • Características físicas do composto; • Características químicas; • Disponibilidade dos microrganismos.

12. PROCESSOS ENZIMÁTICOS NA BIODEGRADAÇÃO • Oxidação • Hidroxilação • Redução • Hidrólise • Descarboxilação • Dehalogenação • Conjugação • Dealquilação

13. BIORREMEDIAÇÃO • Processo de tratamento que utiliza a ocorrência natural de microrganismos para degradar substâncias toxicamente perigosas transformando-as em substâncias menos ou não tóxicas.

14. 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.

15. BIORREMEDIAÇÃO • Biorremediação “in situ”: resíduo é tratado no local. • Biorremediação “ex situ”: remoção física do material contaminado e seu encaminhamento para o local de tratamento.

16. Biorremediação “in situ”

17. 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.

18. 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.

21. Aspectos importantes • Três aspectos devem ser considerados: • 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.

22. 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, indicam-se espécies diferentes de microrganismos para o processo de biorremediação.

23. Contaminantes-Espécies

24. INVESTIGAÇÃO PARA BIORREMEDIAÇÃO • Identificação dos poluentes em relação ao grau de biodegradação (níveis de biodegradabilidade) • Levantamento do local contaminado • Tempo requerido para a biorremediação • Fatores econômicos

25. PASSOS APLICÁVEIS • Isolamento do local até segunda ordem • Definição do método básico de biorremediação • Determinar os tipos de monitoramento

26. 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.

28. Biossurfactantes

29. FATORES QUE AFETAM A BIORREMEDIAÇÃO • Degradação incompleta de contaminantes –metabólitos tóxicos. • 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.

30. MÉTODOS MAIS UTILIZADOS • Landfarming: sistema de tratamento em fase sólida para solos contaminados. • Compostagem: processo de tratamento termofílico e aeróbio, onde ocorre a transformação do composto orgânico mediante a mistura dos microrganismos com o material.

31. MÉTODOS MAIS UTILIZADOS • 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) • Bioventilação ou bioeração: injeção de ar ou oxigênio puro em solos e água subterrânea contaminados, estimulando a atividade dos microrganismos.

32. TESTES DE BIODEGRADABILIDADE • 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.

33. TESTES DE BIODEGRADABILIDADE IMEDIATA • Período do ensaio: 28 dias (limitada aclimatação) • A literatura recomenda 60 a 80% como níveis aceitáveis para biodegradabilidade imediata. • Parâmetro avaliado: desprendimento de CO2 ou consumo de O2, remoção de carbono orgânico. • Decaimento da DQO • Desprendimento de CO2 em sistema aberto • Desprendimento de CO2 em sistema fechado • Consumo de oxigênio dissolvido • Decaimento de carbono orgânico

36. 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.

37. Comparação de produção de CO2 acumulado durante o período de 111 dias com aplicação de borra oleosa na taxa de 12% no solo testemunha pH 5,5 e no solo de landfarming pH 6,0 e 7,5.

38. 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);

39. 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.

41. CATEGORIAS DE BIODEGRADABILIDADE • Rapidamente biodegradáveis: condições de equilíbrio ambiental quase que instantaneamente, uma vez suspenso o seu lançamento suas concentrações tendem a zero; • Praticamente biodegradáveis: meia-vida inferior ao seu tempo de residência em compartimentos ambientais específicos, não se acumulam;

42. CATEGORIAS DE BIODEGRADABILIDADE • Pouco biodegradáveis (persistentes): composto com meia vida superior ao seu tempo de residência, persiste por longos períodos, mesmo após seu uso ter sido interrompido; • Não biodegradáveis ou recalcitrantes: biodegradação próxima a zero, não mostram evidência de mineralização significativa por microrganismos, acumula-se e não atingem concentrações de equilíbrio.

43. 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.

44. 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).

45. 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.

46. 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.

47. 3 características essenciais para a utilização de hidrocarbonetos pelos microrganismos: • Sistema eficiente de absorção de hidrocarbonetos, com sítios especiais de ligação e/ou substâncias emulsificante para o transporte do hidrocarboneto ao interior da célula, • Enzimas específicas • Especificidade induzida – resposta positiva do organismo ao petróleo e seus constituintes. • Acinetobacter, Alcaligenes, Bacillus, Pseudomonas, Nocardia, Flavobacterium, Klebsiella etc. • Culturas mistas possuem vantagens sobre cultura pura, pois a capacidade biodegradativa de uma comunidade é maior quantitativamente e qualitativamente.

48. 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.

49. 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.

50. 3. Biodegradação de compostos orgânicos por basidiomicetoslignocelulolíticos -Subdivisão Basidiomycota: fungos amplamente distribuídos na natureza, principalmente sobre madeira em decomposição e resíduos vegetais. - Brasil são conhecidas 2500 espécies de fungos basidiomicetoslignocelulolíticos.