Microbiologia Aplicada ao Controle da Poluição do Solo

1. Microbiologia Aplicada ao Controle da Poluição do Solo Juliana Calábria de Araujo

2. Roteiro da Aula • Solo • Poluição do Solo Urbano (contaminantes) • Poluição Solo Rural (contaminantes) • Poluição águas subterrâneas • Princípios da Biodegradação/ Biorremediação • Degradação de alguns compostos (HAP, BTEX, PCE- desalogenação redutiva) • Tipos e técnicas de Biorremediação de solos

3. Solo • De forma geral é um manto superficial formado por rocha desagregada misturada a matéria orgânica em decomposição, contendo água e organismos vivos. • Composição variável, em média: • 45% de elementos minerais • 25% de ar • 25% de água • 5% de matéria orgânica

4. Poluição solo urbano - Vazamentos de tanques de óleo, gasolina (BTEX); - Resíduos Sólidos Urbanos: lixões ou aterros mal executados - Parques industriais

5. Áreas contaminadas: estado de SP

6. Áreas Contaminadas: Situação em MG FEAM, Dezembro de 2007 Das 56 áreas identificadas, 55 referem-se a postos de gasolina e 1 a um garimpo abandonado do século XIX

7. Contaminantes solo urbano • Gasolina e óleo: (BTEX, fenol, PAH – policíclicos), • Benzeno (carcinogênico) e + solúvel em água, porém são todos hidrofóbicos (sendo o xileno o + hidrofóbico de todos); • Substâncias sintéticas: • PCE (Tetracloroetileno) e TCE (tricloroetileno), solventes (desengordurantes) limpar máquinas (EUA poluente águas subterrâneas, CV carcinogênico). • PCB (fluidos hidraulicos e dielétricos) Benzeno Tolueno m-xileno Etilbenzeno

8. Outros Contaminantes solo urbano • Plásticos: polietileno, cloreto de polivinila, poliestireno (muito resistentes) • ABS (alquilbenzeno sulfonatos) detergentes aniônicos

9. Poluição solo rural - Inseticidas: - organoclorados: DDT, lindano, aldrin; proibidos. -organofosforados:parathion, malathion (- persistentes) • Herbicidas :derivados do ácido fenoxiacético: 2, 4- D, 2,4,5-T; • Fungicidas:PCP (preservante de madeira) . DDT, 4 a 5 anos

10. Contaminação das águas subterrâneas • As águas subterrâneas são indissociáveis do meio que as contém. • Solo contaminado - grande possibilidade de contaminação das águas subterrâneas. • Formação de plumas de contaminação que avançam vários quilômetros. • Área urbana: postos de gasolina • Área Rural: disposição inadequada de resíduos, fertilizantes, pesticidas, etc.

11. Extração de vapor Escavação Bioventing Recuperação de fase livre Bombeamento e tratamento Atenuação natural Bioremediação induzida Air sparging Biotratamento in situ

12. Poluentes orgânicos • Compostos que podem ser utilizados pelos microrganismos como fonte de carbono (e doador de é), alguns à CO2 e H2O • Diversas estruturas químicas: aromáticos Cl e não-Cl, alifáticos clorados, nitro aromáticos, fosforados, etc • PCBs e Pesticidas são xenobióticos, mas com estruturas semelhantes a compostos naturais, são reconhecidos pelas enzimas e degradados • Pseudomonas sp. B13 isolada de esgoto, foi a 1ª bactéria capaz de utilizar um composto cloroaromático (3CBA) (Dorn et al., 1974). Fonte: Madigan et al., 2004

13. Biodegradação Depende • Condições Ambientais (pH, T, O2, umid.) • Tipo e estrutura do contaminante • - peso molecular, solubilidade 4-6 semanas 20 semanas

14. Biodegradabilidade de alguns compostos químicos

15. Disponibilidade do contaminante • Reações químicas entre os contaminantes e a matéria orgânica no solo NAPL=non aqueous phase liquid

16. Condições Redox para a degradação • Condições aeróbias = presença de oxigênio • Condições anaeróbias = ausência de O2 -Redução de nitrato (NO3) -Condições Fe-redutoras -Condições sulfato-redutoras (SO4) -Condições metanogênicas Processo co-metabólico ou reação “gratuita”: composto é transformado, mas o M.O. é incapaz de crescer com ele (não retira energia) (Atlas & Bartha, 1987). Ex:bactérias com enzimas de ampla especificidade.

17. Tendências da Degradação

18. Degradação de HPA • Hidrocarbonetos P. Aromáticos: formados durante a combustão incompleta da matéria orgânica, como combustíveis derivados do petróleo (gasolina e óleo diesel) ou, carvão, madeira, etc. • Tamanho da molécula; • Solubilidade • Pseudomonas (naftaleno dioxigenase até catecol) • Rhodococcus (antraceno) naftaleno fenantreno Benzo(a)pireno

19. Degradação de HPA

20. Bactérias capazes de degradar BTEX- aeróbias • Pseudomonas putida mt2, Burkholderia, Comamonas, Alcaligenes , • Beijerinckia, Sphingomonas (xileno e dibenzofurano) Sphingomonas sp. Fonte: U.T.Hamburg Fonte: Base de dados da Universidade de Minnesota sobre Biocatálise/ Biodegradação (UM-BBD)

21. Degradação Aeróbia de BTEX O catabolismo oxidativo começa a partir do catecol ou do protocatecoato O anel aromático depois é clivado por uma dioxigenase, à acetil CoA , succinato e piruvato.

22. Degradação Aeróbia de Tolueno Bactérias degradadoras de Tolueno:

23. Degradação anaeróbia do BTEX • Mais lenta comparada à condições aeróbias • T>E>X>B • Degradação do benzeno é lenta, mas é possível (com redução de NO3); • Pode ocorrer a mineralização completa até CO2 e H2O • Thauera aromatica (desnitrificante) • Dechloromonas spp. JJ e RCB mineralizam completamente benzeno(Chakraborty & Coates, 2005). • Poucos metabolizam o xileno. São desnitrificantes capazes de usar m-xileno como substrato para o crescimento (Harwood et al., 1997). Dechloromonas RCB degrada anaerobiamente os 3 isômeros de xileno (Chakraborty et al., 2005). Azoarcus Tolulyticus (Chee-Sanford, 1996) Degrada Tolueno em Presença de NO3

24. Degradação Anaeróbia de BTEX reduzido e Transformado em 3 acetato + CO2 Condição anaeróbia encontrada em sedimentos, águas subterrâneas e solo

25. Degradação anóxica do benzoato pela clivagem redutiva do anel Todos os intermediários da via são ligados à acetil Coa; Posteriormente o acetato produzido é catabolizado no ciclo De Krebs.

26. Tipos de Solventes Clorados Tetracloro Carbono Cloroformio 1,1,1-Tricloroetano solvente industrial solvente de desengordurante de motores Solvente de tinturaria Tetracloroeteno Tricloroeteno solvente de desengordurante de motores solvente de tinturaria

27. Produção Natural de solventes Clorados Produção natural de organohalogenados Mas de 3800 compostos organohalogenados naturais identificados Oxidação de ácidos húmicos do solo Tricloroacetico, cloreto de vinila, clorometano e clorofórmio Fungos, plantas e algas do mar Algas do Mar: fonte natural de tetracloroeteno e tricloroeteno Plantas e Fungos: fonte natural de clorometano Escala de Produção Natural Clorometano: 4,000,000 t/a Cloroformo: 700,000 t/a

28. As 5 Fisiologias da Biodegradação de solventes Clorados Aeróbio: Substrato de Crescimento solvente Clorado é Substrato Primário (fonte de carbono e energia) Aeróbio: Co-oxidação solvente Clorado é Oxidado Fortuitamente durante a Oxidação Biológica de outro Substrato Primário Anaeróbio: Substrato de Crescimento solvente Clorado é Substrato Primário (fonte de carbono e energia) durante respiração anóxica e fermentação Anaeróbio: Cometabolismo solvente Clorado é Reduzido Fortuitamente por Enzimas Redutivas ou Cofatores Reduzidos durante o uso de outro Substrato Anaeróbio: Halorespiração solvente Clorado serve como Aceptor de Elétron que apoia o Crescimento sobre outro Doador de Eletron (causa desalogenação redutiva)

29. Mecanismos Gerais de Desalogenação Oxigenolítico: incorporação de uma molécula de oxigênio Hidrolítico: substituição nucleofílica com OH é originado da agua Tiolítico:substituição nucleofílica com grupo sulfidrilica

30. Mecanismos Gerais da Desalogenação Hidrogenólise Redutiva: halogênio se substituí com H Hidrólise Redutiva: reação de radical reduzido com agua Eliminação Redutiva Dicloreto:formação de ligação dupla devido a eliminação de dois cloretos vicinais

31. Mecanismos Gerais da Desalogenação Eliminação Deshidrocloreto: formação de ligação dupla devido a eliminação de HCl de grupos vicinais Transferência de Grupo Metila:

32. Desalogenação redutiva do PCE • Outros gêneros que fazem : Dehalobacter restrictus (wild et al., 1996), • Desulfitobacterium, Dehalospirilum multivorans (Neumann et al., 1996), • Dehalococcoides ethenogenes, • Dehalobacterium • Methanosarcina (também envolvida na descloração de PCP) Dehalococcoides ethenogenes Fonte: Maymo-Gatell, X. et al.1997 Fonte: Base de dados da Universidade de Minnesota sobre Biocatálise/ Biodegradação (UM-BBD) http://umbbd.ahc.umn.edu

33. Rota de degradação Anaeróbia do PCE (percloroetileno) PCE Solventes para limpar maquinas e partes eletronicas. Dehalobacter, Desulfomonile, Dehalospirillum até dicloro- etileno CV Dehaloccocoides ethenogenes remove todos os Cl deixando o Gás eteno como produto final

34. Degradação anaeróbia de compostos aromáticos clorados • Via desaloganação (ou descloração) redutiva. PCB, DDT, 2,4-D. • Ex: Desulfomonile tiedje, 3-clorobenzoato (aceptor de é), e H2, formiato, piruvato, lactato (doadores ) • C7H4O2Cl- + 2H → C7H5O2- + HCl • A desalogenação redutiva pode resultar na metanogênese (benzoato fermentado à acetato e H2, substratos das metanogênicas)

35. Bactérias capazes de degradar pesticidas • 2,4,D: Achromobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Alcaligenes, Halomonas, Azotobacter • 2,4,T: Burkholderia. • DDT: Proteus,Pseudomonas, Synechococcus Alcaligenes sp. Fonte: www.scu.edu.tw Fonte: Base de dados da Universidade de Minnesota sobre Biocatálise/ Biodegradação (UM-BBD) http://umbbd.ahc.umn.edu