Manejo microbiano Manejo microbiano visando a biorremediaçãovisando a biorremediação

Admir GiachiniAdmir Giachini

Departamento de Microbiologia - UFSCDepartamento de Microbiologia - UFSC

DefiniçõesDefinições

Objetivos do manejo:Objetivos do manejo: Reconstituir as condições outrora observadas e/ou inatas Reconstituir as condições outrora observadas e/ou inatas

(biorremediação)(biorremediação) Reduzir a toxicidade de um composto nocivo e/ou indesejado Reduzir a toxicidade de um composto nocivo e/ou indesejado

(biotransformação)(biotransformação) Aumentar a produtividade de um ecossistema (aumento de Aumentar a produtividade de um ecossistema (aumento de

biomassa)biomassa) Aumentar a estabilidade de comunidades/populações em Aumentar a estabilidade de comunidades/populações em

diferentes ecossistemas (bioestabilização)diferentes ecossistemas (bioestabilização) Melhorar a estrutura dos solos (bioagregação)Melhorar a estrutura dos solos (bioagregação) Obter um produto de interesse (biotecnologia de processos, ou Obter um produto de interesse (biotecnologia de processos, ou

bioprocessos)bioprocessos)

Processos biotecnológicosProcessos biotecnológicos

Manejo e os processos biotecnológicosManejo e os processos biotecnológicos

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana Produção de enzimas microbianasProdução de enzimas microbianas Produção de metabólitos (primários e secundários)Produção de metabólitos (primários e secundários) Produção de produtos recombinantesProdução de produtos recombinantes Biotransformação de compostosBiotransformação de compostos

Processos biotecnológicosProcessos biotecnológicos

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana Produção de inoculantes agrícolas e florestais Produção de inoculantes agrícolas e florestais

(BFN e fungos)(BFN e fungos) Produção de bioinseticidas (Produção de bioinseticidas (BeauveriaBeauveria bassianabassiana, ,

Toxinas Bt, etc.)Toxinas Bt, etc.)

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana

Produção de inoculantes agrícolas e florestais Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas)(micorrizas) Identificar áreas com potenciais candidatosIdentificar áreas com potenciais candidatos Isolar os candidatosIsolar os candidatos Testar os candidatos em Testar os candidatos em condiçõescondições controladas controladas Testar os candidatos no campoTestar os candidatos no campo Incrementar a biomassa do inoculante selecionadoIncrementar a biomassa do inoculante selecionado Determinar a forma de veiculDeterminar a forma de veiculaçãoação do inoculante do inoculante Testar o inoculante veiculado e determinar os efeitosTestar o inoculante veiculado e determinar os efeitos

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana

Produção de inoculantes agrícolas e florestais Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas)(micorrizas) Interações (comensalismo) com populações Interações (comensalismo) com populações

autóctones de microrganismos – bactérias autóctones de microrganismos – bactérias promotoras do crescimento de plantas, fungos do promotoras do crescimento de plantas, fungos do solo, microfauna, etc.solo, microfauna, etc.

Interação (antagonismo) com populações de pragas Interação (antagonismo) com populações de pragas e doençase doenças

Interações com plantas do solo (efeito rizosférico)Interações com plantas do solo (efeito rizosférico)

Exemplos de inoculantesExemplos de inoculantes Suspensão de esporos fúngicos (endo/ecto)Suspensão de esporos fúngicos (endo/ecto) Triturados micelianos (endo/ecto)Triturados micelianos (endo/ecto) Pellets de alginato de cálcioPellets de alginato de cálcio

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana

Produção de bioinseticidas (Toxina cristalina Bt – Produção de bioinseticidas (Toxina cristalina Bt – Bacillus Bacillus thuringiensisthuringiensis)) Controle biológico de pragasControle biológico de pragas

Produção de biomassa microbianaProdução de biomassa microbiana

Enzimas são produzidas também a partir de plantas e animais.

As enzimas microbianas tem grandes vantagens: É possível produzir em grandes quantidades via processos fermentativos

É infinitamente mais fácil melhorar a produtividade de um sistema microbiano

O processo é controlado para o aumento da produtividade (indutores, eliminação da

repressão, aumento dos genes de expressão)

Aplicações industriais

Uso médico

Uso analítico e científico

Produção de enzimas microbianasProdução de enzimas microbianas

Principalmente como agentes de transformação em meio aquoso.

Cervejaria (amilases, proteases) Panificação (amilases, proteases) Indústria têxtil (alfa-amilase, celulase) Produção de vinhos (pectinases – extração de terpenos) Indústria do leite (lactase, catalase, lipase) Indústria frigorífica (proteases) Curtumes (proteases, lipases) Indústria petroquímica (lipases, amilases) Indústria florestal (celulases, peroxidases, lacases)

Produção de enzimas microbianasProdução de enzimas microbianas

Phanerochaete chrysosporium

Pleurotus ostreatus

Fomitopsis pinicola

Processos microbianos são mais específicos que processos puramente químicos.

Muitas reações que podem ser biocatalizadas:

Desidrogenação Oxidação Hidrogenação Desidratação e condensação Descarboxilação Aminação Desaminação Isomeração

BiotransformaçãoBiotransformação

Esteróides na medicina (hormônios, vitaminas, Esteróides na medicina (hormônios, vitaminas, corticóides, contraceptivos, diuréticos, etc.)corticóides, contraceptivos, diuréticos, etc.)

Ácidos (lático, acético, itacônico, glucônico, etc.)Ácidos (lático, acético, itacônico, glucônico, etc.) Solventes (etanol, acetona, isopropanol, etc.)Solventes (etanol, acetona, isopropanol, etc.) BiolixiviaBiolixiviação de minérios (Cu, U, Au, desulfuração do ção de minérios (Cu, U, Au, desulfuração do

carvão, etc.)carvão, etc.) Biorremediação (bioestimulação, bioaumentação, Biorremediação (bioestimulação, bioaumentação,

bioaeração, landfarming, compostagem, fitoremediação)bioaeração, landfarming, compostagem, fitoremediação) Tratamento de efluentesTratamento de efluentes

BiotransformaçãoBiotransformação

BiorremediaçãoBiorremediação Estratégia ou processo que usa microrganismos, plantas, Estratégia ou processo que usa microrganismos, plantas,

ou então enzimas destes para detoxificar contaminantes do ou então enzimas destes para detoxificar contaminantes do solo e/ou outros ambientessolo e/ou outros ambientes

Biodegradação: transformação ou detoxificação parcial ou totalde determinado contaminante

Mineralização: conversão completade um contaminante orgânico a sua forma inorgânica

BiotransformaçãoBiotransformação

BiorremediaçãoBiorremediação BioestimulaçãoBioestimulação: adição de nutrientes (N, P, etc.) para : adição de nutrientes (N, P, etc.) para

estimular populações autóctones de microrganismosestimular populações autóctones de microrganismos BioaeraçãoBioaeração: gases (O: gases (O22, CH, CH44) passivamente ) passivamente

adicionados ao substrato a fim de estimular a adicionados ao substrato a fim de estimular a atividade microbianaatividade microbiana

BioaumentaçãoBioaumentação: inoculação de microrganismos mais : inoculação de microrganismos mais propensos à transformação de certo elemento no local propensos à transformação de certo elemento no local onde se encontra o contaminanteonde se encontra o contaminante

BiotransformaçãoBiotransformação

BiorremediaçãoBiorremediação LandfarmingLandfarming: solo contaminado depositado em : solo contaminado depositado em

local não contaminado (tratamento local não contaminado (tratamento ex situex situ)) CompostagemCompostagem: uso de microrganismos aeróbios, : uso de microrganismos aeróbios,

termofílicos para degradar contaminantestermofílicos para degradar contaminantes FitorremediaçãoFitorremediação: vegetais usados na remoção ou : vegetais usados na remoção ou

transformação de contaminantestransformação de contaminantes

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioestimulaçãoBiorremediação: bioestimulação Exxon Valdez (1989)Exxon Valdez (1989)

Prince William Sound, AlaskaPrince William Sound, Alaska 40 milhões de litros de óleo cru em 5 horas40 milhões de litros de óleo cru em 5 horas Mais de 1.500 km de costa contaminadosMais de 1.500 km de costa contaminados

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioestimulaçãoBiorremediação: bioestimulação Exxon Valdez (1989)Exxon Valdez (1989)

Óleo: alto C e baixo N e PÓleo: alto C e baixo N e P Adição de uma microemulsão: Inipol EAP22Adição de uma microemulsão: Inipol EAP22TMTM (N/P/K = (N/P/K =

7,3/0,8/0)7,3/0,8/0) Fonte de N = uréiaFonte de N = uréia Emulsão aquecida a 90 C para ser distribuída no óleoEmulsão aquecida a 90 C para ser distribuída no óleo Adição de 300 mL/mAdição de 300 mL/m22

BiotransformaçãoBiotransformação

Bioremediação: bioestimulaçãoBioremediação: bioestimulação Exxon Valdez (1989)Exxon Valdez (1989)

Inipol desestabiliza o óleo liberando uréiaInipol desestabiliza o óleo liberando uréia O ácido oléico em Inipol serve como fonte prontamente O ácido oléico em Inipol serve como fonte prontamente

assimilável de Cassimilável de C Aumento da população autóctone de bactérias Aumento da população autóctone de bactérias

degradadoras de compostos carbonatadosdegradadoras de compostos carbonatados Muito mais eficiente que remoção química ou físicaMuito mais eficiente que remoção química ou física Funciona muito bem em locais com condições adversas Funciona muito bem em locais com condições adversas

(Alaska, p. e.)(Alaska, p. e.)

BiotransformaçãoBiotransformação

2001

Biorremediação: bioaeração e bioestimulaçãoBiorremediação: bioaeração e bioestimulação Savannah River, Aiken SC (USA)Savannah River, Aiken SC (USA)

Solo/água contaminados com perc- ou tetracloroetileno (PCE) Solo/água contaminados com perc- ou tetracloroetileno (PCE) de indústrias têxteis ou dry cleanersde indústrias têxteis ou dry cleaners

1% de CH1% de CH44 injetado em poços injetado em poços Metanotróficos aumentados em várias ordens de magnitudeMetanotróficos aumentados em várias ordens de magnitude Sub-superfície: aeróbiaSub-superfície: aeróbia Metanotróficos aumentam áreas de anaerobiose: anaerobiose Metanotróficos aumentam áreas de anaerobiose: anaerobiose

promove declorinação de PCE a TCE, o qual pode, então, ser promove declorinação de PCE a TCE, o qual pode, então, ser oxidado por metanotróficosoxidado por metanotróficos

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioaeração e bioestimulaçãoBiorremediação: bioaeração e bioestimulação Savannah River, Aiken SC (USA)Savannah River, Aiken SC (USA)

Sem CHSem CH44: 10 anos ou mais para remover ate 95% do : 10 anos ou mais para remover ate 95% do

PCEPCE Com CHCom CH44: < 4 anos (economia de U$ 1,5 milhão): < 4 anos (economia de U$ 1,5 milhão) Única forma de remover PCE da água tornando-a potável Única forma de remover PCE da água tornando-a potável

(< 5 ng TCE/L – Hazen et al. 1994)(< 5 ng TCE/L – Hazen et al. 1994)

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarminglandfarming

St. Gabriel, LO (USA)St. Gabriel, LO (USA) Ciba-Geigy: 19.000 mCiba-Geigy: 19.000 m33 de solo (em 8 ha) contaminados de solo (em 8 ha) contaminados

com atrazina (herbicida do grupo das triazinas que age com atrazina (herbicida do grupo das triazinas que age por se ligar a proteínas no fotossistema II)por se ligar a proteínas no fotossistema II)

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarminglandfarming

St. Gabriel, LO (USA)St. Gabriel, LO (USA) Landfarming 4 vezes / semanaLandfarming 4 vezes / semana BioestimulaBioestimulação via 880 kg de fertilizante/ha (N-P-K: 13-ção via 880 kg de fertilizante/ha (N-P-K: 13-

13-13)13-13) BioaumentaBioaumentação: 2000 L de mistura contendo um ção: 2000 L de mistura contendo um

consórcio de consórcio de Pseudomonas Pseudomonas spp.spp. ConcentraConcentração inicial de atrazina: 100 mg/kg de soloção inicial de atrazina: 100 mg/kg de solo ConcentraConcentração de atrazina 20 semanas após início do ção de atrazina 20 semanas após início do

tratamento: abaixo do recomendado (10 mg/kg de solo)tratamento: abaixo do recomendado (10 mg/kg de solo)

BiotransformaçãoBiotransformação

Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarminglandfarming

St. Gabriel, LO (USA)St. Gabriel, LO (USA) Ciba-Geigy gastou: U$ 1 milhão para biorremediarCiba-Geigy gastou: U$ 1 milhão para biorremediar Custo para excavar e tratar o contaminante via método Custo para excavar e tratar o contaminante via método

alternativo estimado em U$ 5,3 alternativo estimado em U$ 5,3 milhõesmilhões

ECONOMIA DE U$ 4,25 MILHÕES

BiotransformaçãoBiotransformação

Tratamento de efluentes ou rejeitos (domésticos ou Tratamento de efluentes ou rejeitos (domésticos ou agrícolas)agrícolas) UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket DigestonUASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Digeston Usa metanogênicos na degradUsa metanogênicos na degradaçãoação Forma Forma pelletspellets (biofilmes) de microrganismos anaeróbios (biofilmes) de microrganismos anaeróbios

degradadores da MOdegradadores da MO A manta atinge maturidade aos 3 mesesA manta atinge maturidade aos 3 meses Necessidade de inoculNecessidade de inoculação com microrganismos alóctonesação com microrganismos alóctones ProduProdução de biogás (CHção de biogás (CH44))

BiotransformaçãoBiotransformação

Fundo do painel em mm quadriculados e as setas vermelhas indicam locais de saída do CH4

Cinética de crescimento

0

1

2

3

4

5

0 100 200 300 400 500

Substrate (mg COD/L)

Gro

wth

Vel

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ty (

d-1

)

0

2

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8

10

0 100 200 300 400 500

Substrate (mg COD/L)

Su

bst

rate

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ova

l V

elo

city

(m

g C

OD

gS

V-1

d-1

)

Cinética da remoção de substrato

Lodos Ativados digestor anaeróbio