Microbiologia Aplicada ao Controle da Poluição do Solo
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Microbiologia Aplicada ao Controle da Poluição do Solo
Juliana Calábria de Araujo
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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
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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
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Poluição solo urbano
- Vazamentos de tanques de óleo, gasolina (BTEX);
- Resíduos Sólidos Urbanos: lixões ou aterros mal executados
- Parques industriais
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Áreas contaminadas: estado de SP
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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
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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)
ToluenoBenzeno
Etilbenzeno m-xileno
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Outros Contaminantes solo urbano
• Plásticos: polietileno, cloreto de polivinila, poliestireno (muito resistentes)
• ABS (alquilbenzeno sulfonatos) detergentes aniônicos
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- 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) .
Poluição solo rural
DDT, 4 a 5 anos
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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.
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Extração de vaporExtração de vaporEscavaçãoEscavaçãoBioventingBioventing
Recuperação de fase livreRecuperação de fase livre
Air spargingAir spargingBiotratamento in situBiotratamento in situ
Bombeamento e tratamentoBombeamento e tratamentoAtenuação naturalAtenuação naturalBioremediação induzidaBioremediação induzida
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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
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Biodegradação Depende
• Condições Ambientais (pH, T, O2, umid.)
• Tipo e estrutura do contaminante
• - peso molecular, solubilidade
20 semanas4-6 semanas
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Biodegradabilidade de alguns compostos químicos
Degradação rápida
Degradação intermediária
Difícil degradação
Geralmente Geralmente recalcitrantesrecalcitrantes
Óleos combustíveis, gasolina
Creosoto, piche Solventes clorados (TCE)
Dioxinas
Cetonas e alcoois
Pentaclorofenol (PCP)
Alguns pesticidas e herbicidas
Bifenilas policloradas (PCB)
Aromáticos monocíclicos
Aromáticos bicíclicos (naftaleno)
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Disponibilidade do contaminante
• Reações químicas entre os contaminantes e a matéria orgânica no solo
NAPL=non aqueous phase liquid
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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 metanogênicasProcesso 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.
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Tendências da Degradação
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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)
fenantreno
naftaleno
Benzo(a)pireno
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Degradação de HPAComposto % Degradação N. De anéisNaftaleno 100 2
Acenaftaleno 100 2
Fluoreno 87 2
Fenantreno 87 3
Antraceno 72 3
Fluoranteno 77 3
Benz(a) antraceno 80 3
Pireno 65 4
Criseno 56 4
Benzo(b)fluoranteno 8 4
Benzo(k)fluoranteno 0 4
Benzo(a)pireno 0 5
Dibenzo (a,h)antraceno 0 5
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Bactérias capazes de degradar BTEX- aeróbias
• Pseudomonas putida mt2, Burkholderia, Comamonas, Alcaligenes ,
• Beijerinckia, Sphingomonas (xileno e dibenzofurano)
Fonte: Base de dados da Universidade de Minnesota sobre Biocatálise/ Biodegradação (UM-BBD)
Sphingomonas sp.Fonte: U.T.Hamburg
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Degradação Aeróbia de BTEX
O anel aromático depois é clivado poruma dioxigenase, à acetil CoA ,succinato e piruvato.
O catabolismo oxidativocomeça a partir do catecol ou do protocatecoato
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Degradação Aeróbia de Tolueno
Bactérias degradadoras de Tolueno:
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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
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Degradação Anaeróbia de BTEX
Condição anaeróbia encontrada em sedimentos, águas subterrâneas e solo
reduzido eTransformado em 3 acetato + CO2
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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 cicloDe Krebs.
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Tipos de Solventes Clorados
Cl
C
Cl
ClCl
Cl
C
Cl
HCl
Cl
Cl
Cl
H
H
H
Cl
HCl
Cl Cl
ClCl
Cl
Tetracloro Carbono
Cloroformio 1,1,1-Tricloroetano
TetracloroetenoTricloroeteno
solvente industrialSolvente de tinturaria
solvente de tinturariasolvente de desengordurante de
motores
solvente de desengordurante de
motores
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Produção Natural de solventes Clorados
Produção natural de organohalogenados
Mas de 3800 compostos organohalogenados naturais identificados
Escala de Produção Natural
Algas do Mar: fonte natural de tetracloroeteno e tricloroeteno
Oxidação de ácidos húmicos do solo
Tricloroacetico, cloreto de vinila, clorometano e clorofórmio
Fungos, plantas e algas do mar
Plantas e Fungos: fonte natural de clorometano
Clorometano: 4,000,000 t/a
Cloroformo: 700,000 t/a
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As 5 Fisiologias da Biodegradação de solventes Clorados
Aeróbio: Substrato de Crescimento
Anaeróbio: 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
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)
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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
Cl
HH
H O2
espontaneoH
ClH
H
Oacidosorganicos
HCl
R C Cl
H
H
+ H2O R C OH
H
H
+ HCl
R C Cl
H
H
+ R C S
H
H
R2 + HClR2 SH
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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
R C Cl
H
H
2e-, 2H+
R C H
H
H
+ HCl
R C Cl
Cl
Cl
2e-, 2H+
R C
Cl
2HCl +
H2O
H2O
CO + 2HCl
COOH + 2HCl
R C
Cl
H
C H
H
Cl2e-, 2H+ H
HH
R+ 2HCl
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Mecanismos Gerais da Desalogenação
Eliminação Deshidrocloreto: formação de ligação dupla devido a eliminação de HCl de grupos vicinais
Transferência de Grupo Metila:
R C
Cl
H
C H
H
H H
HH
R+ HCl
H C Cl
H
H
+ R C H
H
H
+ HClR H
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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
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Rota de degradação Anaeróbia do PCE (percloroetileno)
Solventes para limpar maquinas e partes eletronicas.
PCE
CV
Dehaloccocoides ethenogenes remove todos os Cl deixando o Gás eteno como produto final
Dehalobacter, Desulfomonile, Dehalospirillum até dicloro-etileno
![Page 34: Microbiologia Aplicada ao Controle da Poluição do Solo](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022081501/568151ff550346895dc03ede/html5/thumbnails/34.jpg)
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)
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Bactérias capazes de degradar pesticidas
• 2,4,D: Achromobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Alcaligenes, Halomonas, Azotobacter
• 2,4,T: Burkholderia.• DDT: Proteus,Pseudomonas,
Synechococcus
Fonte: Base de dados da Universidade de Minnesota sobre Biocatálise/ Biodegradação (UM-BBD) http://umbbd.ahc.umn.edu
Alcaligenes sp.Fonte: www.scu.edu.tw