Introdução à Biorremediação - Nicole...
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Ms. Michaye McMaster • Michaye has more than 18 years of
experience in managing and leading complex contaminant hydrogeology investigations, including numerous full-scale enhanced in situ bioremediation projects. She holds B.Sc. And M.Sc. degrees in biology and hydrogeology, and has provided advice to the United States Air Force, USGS, DuPont, and others on bioremediation issues.
Ms. Michaye McMaster
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Resumo
Definições
Fundamento da Tecnologia
• Como ocorre a Biodegradação dos Contaminantes
A importância da Decloração Redutiva Estimulada (DRE)
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Guias Recentes
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Microrganismos
Microrganimos (bactérias) estão em todo lugar.
• Para cada grama de solo existem 105 - 107 bactérias.
Como todos os organismos, as bactérias precisam comer e respirar. Elas comem doadores de elétrons e respiram aceptores de elétrons.
Bactérias também precisam de água e abrigo (superfícies minerais). Portanto, elas sobrevivem em ambientes extremos: de -25o até 120o C e de pH < 2 até pH > 12
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Terminologias e Definições
Biodegradação (ou biotransformação)
• Conversão biológica de um composto a outro
Biorremediação
• Uso de projetos de engenharia para aumentar ou estimular a biodegradação
Mineralização
• Conversão de um composto orgânico a compostos inorgânicos
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Processo de Transformação Biogeoquímica
Os contaminantes são degradados em reações abióticas com minerais formados naturalmente ou que são biogenicamente produzidos no subsolo
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Aeróbico
• Presença de oxigênio
Anaeróbico
• Ausência de oxigênio
Abiótico
• Reação exclusivamente física ou química
• Bactérias não estão envolvidas – mas podem conduzir reações redox a níveis onde ocorre o meio abiótico.
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Terminologias e Definições
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Doador de elétron
• Um composto que doa elétrons durante a oxidação
• Compostos orgânicos simples como açúcares, álcoois, ou metano podem ser oxidados a dióxodo de carbono (CO2)
Aceptor de elétron
• Um composto que recebe elétrons durante a redução
• Compostos inorgânicos como oxigênio, nitrato, sulfato, metais oxidados, ou CO2 são reduzidos à água , nitrogênio gasoso, sulfeto de hidrogênio, metais dissolvidos, ou metano, respectivamente
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Terminologias e Definições
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Nitrato-Redução
• Conversão do nitrato (NO3-) via nitrito (NO2-) a nitrogênio gasoso (N2)
Ferro-Redução
• Conversão do Fe3+ (ex.: óxido de ferro insolúvel) a Fe2+ (ferro dissolvido)
Sulfato-Redução
• Conversão do sulfato (SO42-)
a sulfeto de hidrogênio (H2S)
Metanogênense
• Produção do metano a partir do CO2 ou de outros compostos orgânicos
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Terminologias e Definições
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Quais Microrganismos são Importantes na Biodegradação?
As bactérias são as mais importantes
Os fungos desempenham função no solo, mas não são tão importantes na água subterrânea
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Do quê os micróbios precisam para crescer?
Como todos os seres vivos, microrganisos precisam
Comida
• Fornecimento de carbono
• Fornecimento de energia
Substrato para respiração
• Algo para “respirar”
Nutrientes minerais
Água
Geralmente da mesma fonte
Alguns usam oxigênio
como “aceptor de
elétron,” outros podem
usar fontes alternativas,
incluindo solventes
clorados
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Comida
O2 CO2 + H2O
Crescimento Microbiano Aeróbico
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Comida
Mn2+
N2
Fe2+
S2-
CH4
O2
Mn4+
NO3-
Fe3+
SO42-
CO2 + H2
Crescimento Microbiano Anaeróbico
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CO2, Orgânicos
SO42-
Mn (IV)
Fe (III)
NO3-
O2 Re
nd
ime
nto
En
erg
étic
o Baixo
Alto
Ordem de Preferência dos Aceptores de Elétrons
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Principais Mecanismos de Biodegradação
Ambiente Aeróbico
• Oxidação aeróbica
• Co-metabolismo (co-oxidação)
Ambiente Anaeróbico
• Oxidação anaeróbica
• Decloração redutiva
Abiótico
• Mediada por condições anaeróbicas ou aeróbicas
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Oxidação Aeróbica
Os microrganismos usam os contaminantes como fonte de alimento e ganham energia e carbono da sua biodegradação
Contaminante = doador de elétrons
Oxigênio = receptor de elétrons
Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns PAHs, alguns solventes clorados (1,2-DCA, VC)
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Benzeno
O2 CO2 + H2O
Oxidação Aeróbica
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Oxidação Aeróbica- Microbiologia
Uma grande variedade de microrganismos pode realizar estes processos de oxidação
A atividade é considerada abíqua; a bioadição não é requerida
A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio
Solubilidade de oxigênio é limitada por isso as concentrações tratáveis são baixas
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Oxidação Aeróbica Considerações de design
O suprimento de ar (borbulhamento X peróxido de hidrogénio x sólidos peroxigenados)
Raio / área de influência
Solubilidade de oxigênio
Outros consumidores de oxigênio (demanda biológica de oxigênio, reações inorgânicas)
Incrustação
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Co-metabolismo Aeróbico
Oxidação fortuita de VOCs por bactérias que crescem aerobicamente em doadores de elétrons
• Metano, Etano, Propano, Butano
• Tolueno, Fenol
Microrganismos não ganham energia a partir de biodegradação fortuita do VOC
Oxigênio = receptor de elétrons
Ocorre para uma vasta gama de solventes clorados
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Comida
(CH4)
O2 CO2 + H2O
TCE CO2 + H2O + Cl-
Co-metabolismo Aeróbico
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C C Cl
H Cl
Cl
C C
Cl
H Cl
Cl
O
+ Cl- C C
Cl
Cl O
OH
H CO2 + H2O + Cl-
Bactéria Co-metabólica
Hidrólise Química
Bactérias gerais do Subsolo
TCE
TCE-Epoxide
Co-metabolismo Aeróbico - Processo
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Co-metabolismo Aeróbico - Microbiologia
Uma variedade de microrganismos podem mediar reações co-metabólicas
Os microrganisms são ubíquos
A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio e de co-metabólito
As culturas foram desenvolvidas para a bioadição
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Co-metabolismo Aeróbico Considerações de Design
PCE e CT não são degradados pelo co-metabolismo aeróbico
Toxicidade de intermediários (epóxidos) para bactérias co-metabolizantes (altamente reativa na célula)
Razões molares de substrato consumido para contaminantes degradado relativamente elevadas (frequentemente> 10: 1)
Diferentes enzimas com diferentes capacidades para degradar os solventes clorados
Balanceamento de entrega do ar e de co-metabolito
Segurança (por exemplo, metano, propano)
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Oxidação Anaeróbica
Microrganismos ganham energia e carbono
O Contaminante é o doador de elétrons
Outros compostos inorgânicos além do oxigênio servem como receptores de elétrons (por exemplo, NO3, SO4)
Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns solventes clorados (1,2-DCA, DCM)
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Tolueno
Mn4+
NO3-
Fe3+
SO42-
CO2 + H2
Mn2+
N2
Fe2+
S2-
CH4
O2
CO2 + H2O
Oxidação Anaeróbica
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Oxidação Anaeróbica - Microbiologia
Vários microrganismos mediam processos específicos
Ocorre amplamente no ambiente e a atividade pode ser induzida por manipulação de Geoquímica
Bioadição não requerida
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Oxidação Anaeróbica Consideraçãoes de Design
Adição de compostos regulados (por exemplo, nitrato)
Manipulação das condições redox
Incrustações (embora menos preocupante que na oxidação aeróbica)
Intermediários de degradação (por exemplo, acetato e H2 a partir de DCM) podem alimentar outros processos anaeróbicos
Outros consumidores de elétrons
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Decloração Redutiva
Substituição em sequência de átomos de cloro por átomos de hidrogênio
Ocorre em condições redutoras
COVs = receptor de elétrons
Compostos orgânicos simples ou hidrogênio = doadores de elétrons
Aplica-se a maioria dos solventes clorados
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Doador de Elétrons
TCE Eteno + Cl-
O2
H2
Decloração Redutiva
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Decloração Redutiva Microbiologia
Bactérias específicas que realizam estas reações
• PCE, TCE, DCE, VC = Dehalococcoides
• TCA, DCA = Dehalobacter
Estas bactérias não estão presentes em todos os sites.
O bioadição é muitas vezes necessário.
A atividade pode ser estimulada pela adição de dadores de eletrons.
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Decloração Redutiva Considerações de Projeto
Manipulação das condições redox
Doador de elétrons meia-vida e geração de hidrogênio
Esgotamento dos receptores de elétrons concorrentes (por exemplo, NO3, SO4)
Potenciais inibidores - clorofórmio, TCA
Balanço de massas
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Tetracloroeteno
(PCE)
Condições Aeróbicas Condições Anaeróbicas
decloração redutiva
Tricloreteno
(TCE)
Dicloroeteno
(DCE)
decloração redutiva
Cloreto de Vinila
(VC)
decloração redutiva
Eteno
decloração redutiva
CO2
oxidação
CO2
CO2
CO2
co-metabolismo
co-metabolismo
co-metabolismo CO2
oxidação anaeróbica
Etano
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Caminhos da Degradação de PCE/TCE
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1,1,1-Tricloroetano
(TCA)
1,1-Dicloroetano
(1,1-DCA)
Cloroetano
(CA)
Condições Aeróbicas Condições Anaeróbicas
decloração redutiva
Etano
decloração redutiva
decloração redutiva
CO2
co-metabolismo
(metanotrópicos)
(oxidadores de propano)
co-metabolismo
(metanotrópicos) CO2
oxidação CO2
1,1-DCE
decloração redutiva
Etanol
CO2
VC
Eteno CO2
Acetato
35
Caminhos da Degradação de 1,1,1-TCA
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1,2-Dicloroetano
(1,2-DCA)
Cloroetano (CA)
Etano
Condições Aeróbicas Condições Anaeróbicas
VC
Eteno Etanol
Cloroetanol
CO2
Cloroacetato
CO2
decloração
redutiva
decloração
redutiva
36
Caminhos da Degradação de 1,2-DCA
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Cloroformio
(CF)
Diclorometano
(DCM)
Clorometano
(CM)
Condições Aeróbicas Condições Anaeróbicas
decloração
redutiva
Metano
(CH4)
decloração
redutiva
decloração
redutiva
CO2, CO, CSO, CS2
acetato, ácido fórmico
CO2
Metanotiol
Sulfureto de dimetilo
acetato, CO2 oxidação
Tetracloreto de Carbono
CT) CO2 denitrificação
redução/
co-metabolismo/
sulfato-redução decloração
redutiva
CO2
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Caminhos da Degradação de CT/CF/DCM
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A Importância da DRE (e Dehalococcoides)
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Decloração Redutiva Estimulada
Os solventes clorados estão entre os contaminates mais desafiadores do solo e água para se remediar.
Certas bactérias anaeróbicas podem usar compostos clorados (halogenados) como aceptor de elétrons e substituir uma molécula de cloro com um átomo de hidrogênio (halorespiração).
As bactérias podem obter energia para o metabolismo e crescimento por halorespiração, mas um doador de eletrons adicional é necessário para fornecer carbono.
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Dehalococcoides (Dhc)
BAV1
Strain 195 CBDB1
He, J. et al., (2003)
Nature (424), 63
From Adrians et al. From Stephen Zinder, Cornell
Únicas, organismos muito pequenos
Baixas taxas de crescimento em isolamento; maiores taxas de crescimento em cultura mista
Dhc têm diferentes capacidades metabólicas
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As relações entre Dehalococcoides e outros microrganismos
Todas as culturas mistas que produzem etileno contém
um organismo no grupo Dehalococcoides
Outras bactérias dehalorespiratórias só causam
decloração parcial, e podem competir por hidrogênio
Microrganismos Fermento/acetogênicos
desempenham papéis essenciais para os decloradores
Fornecem nutrientes essenciais
• Compostos de fermentação, hidrogênio
• Equilibram Eh, redox, controle contra outros compostos.
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Dehalococcoides in KB-1
Atomic Force Microscopy (AFM) image courtesy
of Elizabeth Edwards, University of Toronto
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Mensagens para levar pra casa
Bioremediação é efetiva em áreas de plumas e áreas fontes de DNAPL
Alguns contaminantes podem inibir degradação
Nem todos os sites exigem bioadição
DHC é crítica para degradar PCE em eteno
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