BIORREMEDIAÇÃO AREAS CONTAMINADAS

Servio Tulio CassiniProf. Titular Departamento Engenharia Ambiental

DEA CT UFES

Vitoria, ES. 7 e 8 Abril 2016

BIORREMEDIAÇÃO AREAS CONTAMINADAS

1. Introdução e Conceitos Gerais. Os Ambientes do solo e água. (60 min)2. Microbiologia Basica (60 min)

Diversidade Microbiana, Principais Grupos Microbianos, Caracteristicas gerais e aplicadas

3. Metabolismo Microbiano (120 min)Enzimas, Tipos de Metabolismo, Energia e Biomassa, Nutrientes, Ciclagem Elementar, Enzimas, Meios de cultivo.

4. Biodegradação (120)Conceitos. Estruturas químicas poluentes. Recalcitrancia. Rotas de Biodegradação. Cinética de Biodegradação. Exemplos Numericos

5. Métodos de Estudo ( 120)Conceitos e aplicações. Estruturas químicas associadas. Isolamento e Caract de microrganismos.Isolamento e Caracterização de Microrganismos ambientais. Respirometria Aeróbia. Respirometria Anaerobia. Perda de Substrato. Avaliação Biomassa. Metodos Moleculares. Monitoramento de áreas.

6. Tecnologias de Biorremediação ( 60)Atenuação Natural. Bioestimulação, Bioaumento, Bioventilação, FitorremediaçãoCompostagem ou Biopilhas, Landfarming, Biorreatores ( pump and treat)

7. Gerenciamento Areas Contaminadas ( 120)Manual CETESB.

8. Estudos de Caso (120)Petroleo, Sacolas Plasticas, Barreiras reativas, Biosurfactantes, Fitorremediação

11. Discussão. Avaliação. Encerramento. (60)

BIORREMEDIAÇÃOA biorremediação é a exploração da diversidade seres vivos na remoção ou

transformação de contaminantes em produtos que podem ser integrados aos ciclos biogeoquímicos.

É a utilização de organismos que transformam ou acumulam compostos químicos de alto risco, para eliminar os poluentes ou contaminantes presentes em amostras ambientais.

Processos de Remediação: Processos de remoção ou atenuação de contaminantes ambientais por processos físicos ou químicos. Exemplos: processos oxidativos avançados com o emprego de Ozonio, Peróxidos, Permanganatos etc. Esta via remove contaminantes específicos mas pode originar outros no meio reacional.

BiorremediaçãoProcesso ou combinação de tecnologias visando a remoção ou atenuação de um poluente ou contaminante presente em um ambiente impactado, utilizando microrganismos, plantas ou produtos derivados desses seres vivos.

PROCESSOS

MICRORGANISMOS

PLANTAS

ENZIMAS

REDUÇÃO OU ATENUAÇÃO DO

IMPACTO AMBIENTAL

BiorremediaçãoComparando Custos

Biorremediação: Brasil (até)2015Empresas com interface ambiental (IPT 2015): • 230 empresas (remediação, sondagens e laboratórios de análises ambientais.) • 44% consultorias ambientais, 18% laboratórios e 14% consultorias jurídicas. • Geralmente PME com faturamento anual de 340 milhões de reais (2012).• Média 51 profissionais/empresa, faturamento médio por empresa é de 18 milhões de reais anuais,

lucratividade de 13% e investimento em P&D também de 13% do total faturado (2012).

Empresas com Departamentos (2015): 145 (Geralmente SMA)

Órgãos Públicos Ambientais ( F, E, M): 5 (F, 48 E e 423 M

Grupos de Pesquisa (CNPq 2016): 143 (Busca: Biorremediação)

Patentes mundiais ( espacenet 2015): 456 ( 64% petroleo)

Patentes INPI (2005-2012): 19 (Biorremediação)

Conceitos e Definições

Biodegradação: Modificação de moléculas por meio de quebras ou remoção, visando a sua remoção ou atenuação no meio ambiente.

Atenuação natural: Processo de biorremediação “in situ” onde os microrganismos naturais processam os contaminantes orgânicos, promovendo a sua remoção ou atenuação ambiental.Decomposição: Biodegradação de produtos ou substratos naturais. Ex. celulose, amido, proteínas, por ação microbiológica

Biotransformação: Modificação parcial de moléculas orgânicas até compostos intermediários que podem ser metabolizados.

Mineralização: Modificação total de moléculas orgânicas até produtos minerais. Ex. glicose CO2

Biodisponibilidade: Característica de uma molécula de entrar em rotas metabólicas. Depende de fatores diversos tais como solubilidade, cargas, pH, estrutura molecular etc.

Bioacumulação: Propriedade de certas moléculas orgânicas de acumular em tecidos ( animais e vegetais)

Biomagnificação: Acumulação de determinadas moléculas ou compostos na cadeia trofica

Xenobióticos: Qualquer produto não natural (artificial) introduzido no ecossistema. Estrutura molecular não natural.

Persistencia / Recalcitrancia: Qualquer composto que apresenta uma baixa biodegradabilidade natural (<20%)

Bioestimulação: Utilização de microrganismos ou produtos para aumentar eficiência de atenuação natural

Bioaumento : Inoculação de microrganismos específicos para incremento da atividade de biodegradação

Assimilação: Incorporação de moléculas (orgânicas ou Inorganicas) na célula por meio de rotas metabólicas específicas.

MICRORGANISMOS

FONTE ENERGIA

ACEPTORES ELETRONS

UMIDADE

NUTRIENTES TEMPERATURA

AUSENCIA TOXIDEZ

REMOÇÃO METABOLITOS

AUSENCIA PREDATORES

BIORREMEDIAÇÃO

PRINCIPAIS REQUISITOS PARA BIORREMEDIAÇÃO

Poluição x Contaminação

Hidrocarbonetos◦ Alifaticos, Aromaticos, Poliaromaticos, BTEX,

Pesticidas◦ Organoclorados, Organofosforados, Herbicidas

Solventes◦ Eter, cloroformio, Hexano, Benzeno,

Oleos e Graxas◦ Bifenilas, aromaticos,

Matéria Orgânica (Esgotos) Gases (VOC) – hidrocarbonetos de cadeia curta

Apesar de sinônimos, Poluição é um termo mais abrangente enquanto contaminação refere-se aos componentes, compostos químicos específicos ou à presença de microrganismos no meio.

• Cerca de onze milhões de substâncias químicas sintéticas são conhecidas em todo o mundo, sendo aprox. três mil produzidas em larga escala (2010).

• Como somente 40 a 50 substâncias químicas são contempladas pelos padrões de potabilidade da água na maioria dos países incluindo o Brasil, a presença dessas substâncias na água, no solo e no ar representam uma importante fonte de contaminação da cadeia alimentar não avaliada pelos órgãos de controle de qualidade.

• (FONTANELE et al., 2010)

Compostos Quimicos Sintéticos

Diferentes classes de poluentes emergentes que afetam o metabolismo humano (animal)

Poluentes ou Contaminantes EmergentesUm "contaminante emergente" é um produto químico ou material que se caracteriza pela percepção, potencial ou real, como ameaça para a saúde humana ou para o ambiente ou pela falta de normas de saúde publicados. Um contaminante pode também ser "Emergente", devido a uma nova estrutura que pode interferir no metabolismo humano ou do meio ambiente. Um desses novos contaminantes emergentes relacionado pela EPA é o perfluorooctanossulfonatos (PFOS) e o ácido perfluorooctanóico (PFOA), devido a sua potencial ação resdual no meio ambiente. PFOS e PFOA são extremamente persistentes no ambiente e resistente a processos típicos de degradação ambientais. Como resultado, eles são amplamente distribuídos entre os níveis tróficos superiores e são encontrados em solo, ar e águas subterrâneas globalmente. A toxicidade, mobilidade e potencial de bioacumulação de PFOS e PFOA representam potenciais efeitos adversos para o ambiente e a saúde humana.

PFOS é um perfluoralquil sulfonato that is commonly used as a simple salt or is incorporated into larger polymers (EPA 2009c). PFOA is a perfluoralquilcarboxilate produziido como sal amoniacal (EPA 2009c).

Biorremediação e Remediação

Vantagens• Limpeza “in situ” eliminando riscos e custos de transporte• Compostos orgânicos são oxidados até compostos não impactantes• Processos naturais• Mínimo de Área e perturbação ambiental• Ampla diversidade de atuação ( diversidade microbiana)• Aceitação publica• Não há consumo de água • Pode ser combinado com outros sistemas de tratamentos

Desvantagens• Certos resíduos, especialmente metais pesados não podem ser processados• Monitoramento exaustivo• Variabilidade ambiental• Possibilidade de toxicidade para populações microbianas• Técnicas em desenvolvimento

RESIDUO CONTAMINANTE

AMBIENTAL

CO2 ou CH4

BIOMASSA

Redução ou Atenuação da Contaminação

ambiental

50/50

Geralmente a distribuição entre processos metabólicos é 50/50. Entretanto no caso de contaminantes pode haver uma alteração deste quadro com maior ou menor formação de biomassa e energia. Além disto deve-se considerar também a geração de compostos recalcitrantes.

Processos de Biorremediação do

Solo

CO2 (CH4) + H2O +

BIOMASSA

Agua

Microrganismos

Nutrientes

Ambiente

O2 / Anaerobiose

SOLO ATMOSFERA

FASE LIQUIDA

Poluição e ContaminaçãoAntropogênica

“ O DESTINO FINAL DE TODA CONTAMINAÇÃO É A FASE LIQUIDA”

PARAMETROS DE QUALIDADE DE ÁGUAS

QuímicasFísicas Biológicas

sólidos Gases Inorgânicos Orgânicos Microrganismos

“IMPUREZAS”

Contaminantes Organicos, Micropoluentes e Recalcitrantes

A matéria orgânica no solo

Carbono ( C) H ( Hidrogênio ) O (Oxigênio) N (Nitrogênio) S (Enxofre) P ( Fósforo)

C H O N SP

Hidrocarbonetos CH Alifaticos e Aromaticos

Carboidratos CHO grupo aldeido cetonas alcool

Proteinas CHONS grupo amino carboxil

Fosfo-Lipideos CHOP grupos complexos

Fórmula Empírica Geral Biomassa: C5H7O2N

Lipideos CHO grupos ester eter carboxil alcool

Materia Orgânica e Biomassa

Acidos Nucleicos

CO2

Ciclo do Carbono na Biosfera: O que está faltando?

Equilíbrio da Ciclagem do Carbono

Fotossíntese / Quimiossíntese

Biomassa / Matéria Orgânica

Respiração / Combustão

CO2 CH4

CO2

BIOMASSAMAT ORGANICA

FRAÇÃO RECALCITRANTE (HUMUS)

POLUENTES CONTAMINANTES INDUSTRIAIS / URBANOS

“Ciclagem natural” do CNPSCH4

Materia Orgânica e Biomassa

Matéria Orgânica

CO2/ CH4

Biomassa

Recalcitantes

Respiração

Células vivas

Material Humificado (escuro)

Origem e Conversões da Matéria Organica no Ambiente

Resíduos Orgânicos “Naturais”

Resíduos Orgânicos Contaminantes

Microrganismos e Enzimas

N, P, S

Fonte de Carbono Orgânico

(Nutrientes)

Respiração

Assimilação Conversão em Biomassa

CO2/CH4

Matéria Orgânica

50 a 60 %

Como ficaria este esquema no caso de Metabolismo Autotrofico?

Metabolismo Heterotrófico (Aeróbio)

R.Y. Stainer et al. 1986 The Microbial World 5th ed. Prentice Hall, NJ

C/N = 4 a 8

Elemento % Total (PMS) Elemento % Total (PMS)

Carbono 40 a 55 Sódio 1,0

Nitrogênio 5 a 14 Magnésio 0,1 a 0,5

Oxigênio 20 Cloro 0,1 a 0,5

Hidrogênio 8 Ferro 0,1 a 0,5

Fósforo 1 a 3 Calcio 0,1 a 0,5

Enxofre 0,1 a 1 Outros (µ) 0,1 a 0,3

Potássio 1

PMS= Peso matéria seca

Composição Elementar da Biomassa Microbiana

• Geração de Biomassa requer nutrientes em ordem de Prioridades: C >N> P outros• Composto Orgânico Natural: Glicose (C6H12O6) PM = 180 g /mol• Fórmula Empírica Geral Biomassa: C5H7O2N• Relação C:N Biomassa 5:1• Para geração de Biomassa a partir de glicose necessita-se adicionar Nitrogênio. • Quantidade dependerá da disponibilidade de Carbono orgânico.

Calcular a necessidade de Nitrogenio (N) para geração de biomassa a partir de 100 g de glicose, prevendo-se 100% carbono disponivel e 50% para geração de biomassa.

A Relação C: N: P

• Considerações: 100 g glicose• Carbono % moléculas orgânicas. Glicose (C6H12O6) PM = 180 g /mol. 6 x 12 = 72 g mol = 40% C

orgânico.• Considerando 100% disponibilidade = 40 g• Considerando 50% assimilação biomassa = 20 g• Considerando 0% Nitrogênio presente no meio• Considerando relação CN da biomassa = 5:1Temos:A cada 5g de C necessita-se 1 g de N. Para 20 g de C necessita-se de 20/5 = 4 g de N. Ou seja, para o

processamento ambiental de 100 g de Glicose, necessita-se da presença de 4 g de N associado ao processo.

De onde provem este N ( fontes e formas)?

Calculo Demanda C para geração Biomassa

Ex.2: Supondo um vazamento de 500 L de acetato de etila (CH3COOCH2CH3) em solo, calcular a demanda minima de N para a sua biodegradação por atenuação natural.

Carbono Orgânico Total (Cot)

Carbono Organico Dissolvido (COD)

Carbono Organico Particulado (COP)

Carbono Organico Coloidal (COC)

COD : Moléculas menores tais como acidos orgânicos, sacarideos, etc.

COC : Moléculas de > PM :`Peptideos e Polissacarídeos. ( fração transiente)

COP : O COP-detrital também é conhecido como seston orgânico, material orgânico em suspensão, detrito orgânico particulado, detrito particulado ou biodetrito, resultante da degradação da biomassa mais fibras e material complexado.

Biomassa

Detritos

Sedimentos

Orgânicos

Dinamica do Carbono Organico em Sistemas Aquáticos

Carbono Orgânico Volátil (VOC, AGV ) Partição Liquido/Gás

(Lei de Henry)

Matéria Orgânica geralmente contém cerca de 40 a 60% Carbono Organico (Corg). Geralmente utiliza-se a média 58%, Ou seja, do valor de carbono orgânico (Corg)

multiplicado por 1,724 Exemplos: 300 mg de carbono orgânico representa 517 mg Matéria Orgânica O Corg geralmente tem100% de disponibilidade para o metabolismo considerando

moleculas simples. No caso de moléculas recalcitrantes este valor vai de 50 a 70% e deve ser informado ou consultado.

Geralmente 50% do Cdisp é assimilado e convertido em biomassa

Carbono Orgânico e Matéria Orgânica

Argila + Mat. Org. + Biomassa = Fração coloidal do solo

SoloAmbiente heterogêneo formado pela desintegração

de rochas-mãe

Particulas Inorgânicas

• Argila• Silte• Areia

Particulas Orgânicas

• Biomassa• Matéria

Orgânica

Poluição/Contaminação solo urbano (Cetesb)

Propriedades do solo

Composição granulometrica

Classes Texturais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

40

50

60

70

80

90

100

20

30

102030405060708090100

Argiloso(muito fino)

Argiloso(fino)% ar

gila

% limo

% areia

ArenoargilosoAreno-

limo-argiloso

Areno-limosoareia

Barrentoarenoso Barrento grosso Limoso

(puro)

barrento

Limoso-argila

Barro fino

barro limoso

Caolinita Montmorilonita

ilita

Part. solo

Argilas Silicatadas

Propriedades Gerais de Coloides• Tamanho < 1,0 µm• Superficie ativa alta (interna e externa)• Carga residual negativa• Capacidade de Troca Cationica (CTC)• Tipos: Argilas

Matéria OrgânicaBiomassa

Caracteristicas do Solo• Textura – Diversas combinações de Areia Silte e Argila• Estrutura

Com o desenvolvimento do solo as particulas tendem a se juntar formando agregados. O Elemento cimentante destes agregados e o material produzido por microrganismos do solo.Importancia dos agregados - Propriedades Fisico-quimicas – Oxigênio, umidade, retençao de nutrientes etc

Luvisol escuro Podsolico Ferrico

HumicoCernozem escuro

Perfis de alguns tipos de solos

Interações de moléculas de água com superfície de argilas, cátions e anions no solo.

Super-ficie da Argila Solução do solo

água

Argilas Silicatadas e sua interação com ions da soluçao do solo

Características dos colóides Orgânicos do Solo

Humus•Material orgânico altamente polimerizado•Elevada Recalcitrancia e estrutura omplexa•Componentes: C= 40-50% N= 1 a 5%•Carga Residual Negativa – Elevada CTC•Efeito benéfico para as propriedades do solo

Ilustraçao da determinaçao da Capacidade de Troca Cationica (CTC) de um solo

CTC = Capacidade de Troca Catiônica (+)

Alguns valores representativos da capacidade de troca cationica nos diversos tipos de solos (pH = 7,0)

Material do soloCapacidade de Troca Cationica (CEC)Material do Solo Capacidade Troca

CATIÔNICA (CTC)Cmols Kg-1

Mat. Orgânica (Húmus) 100-300Vermiculita ( Argila) 100-150Smectita (Argila) 100-150Caolinita (Argila) 2-16Óxidos Hidratados 2-8