Manejo microbiano visando a biorremediação

1. Manejo microbiano visando a biorremediação Admir Giachini Departamento de Microbiologia - UFSC

2. Definições • Objetivos do manejo: • Reconstituir as condições outrora observadas e/ou inatas (biorremediação) • Reduzir a toxicidade de um composto nocivo e/ou indesejado (biotransformação) • Aumentar a produtividade de um ecossistema (aumento de biomassa) • Aumentar a estabilidade de comunidades/populações em diferentes ecossistemas (bioestabilização) • Melhorar a estrutura dos solos (bioagregação) • Obter um produto de interesse (biotecnologia de processos, ou bioprocessos)

3. Processos biotecnológicos • Manejo e os processos biotecnológicos • Produção de biomassa microbiana • Produção de enzimas microbianas • Produção de metabólitos (primários e secundários) • Produção de produtos recombinantes • Biotransformação de compostos

4. Processos biotecnológicos • Produção de biomassa microbiana • Produção de inoculantes agrícolas e florestais (BFN e fungos) • Produção de bioinseticidas (Beauveriabassiana, Toxinas Bt, etc.)

5. Produção de biomassa microbiana • Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas) • Identificaráreas com potenciaiscandidatos • Isolaroscandidatos • Testaroscandidatosemcondiçõescontroladas • Testaroscandidatos no campo • Incrementar a biomassa do inoculanteselecionado • Determinar a forma de veiculação do inoculante • Testar o inoculanteveiculado e determinarosefeitos

11. Produção de biomassa microbiana • Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas) • Interações (comensalismo) com populações autóctones de microrganismos – bactérias promotoras do crescimento de plantas, fungos do solo, microfauna, etc. • Interação (antagonismo) com populações de pragas e doenças • Interações com plantas do solo (efeito rizosférico)

13. Produção de biomassa microbiana • Exemplos de inoculantes • Suspensão de esporos fúngicos (endo/ecto) • Triturados micelianos (endo/ecto) • Pellets de alginato de cálcio

14. Produção de biomassa microbiana • Produção de bioinseticidas (Toxina cristalina Bt – Bacillus thuringiensis) • Controle biológico de pragas

15. Produção de enzimas microbianas 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

16. Produção 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)

18. Fomitopsis pinicola Phanerochaete chrysosporium Pleurotus ostreatus

19. Biotransformação • 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

20. Biotransformação • Esteróides na medicina (hormônios, vitaminas, corticóides, contraceptivos, diuréticos, etc.) • Ácidos (lático, acético, itacônico, glucônico, etc.) • Solventes (etanol, acetona, isopropanol, etc.) • Biolixiviação de minérios (Cu, U, Au, desulfuração do carvão, etc.) • Biorremediação (bioestimulação, bioaumentação, bioaeração, landfarming, compostagem, fitoremediação) • Tratamento de efluentes

21. Biotransformação • Biorremediação • Estratégia ou processo que usa microrganismos, plantas, ou então enzimas destes para detoxificar contaminantes do solo e/ou outros ambientes Biodegradação: transformação ou detoxificação parcial ou total de determinado contaminante Mineralização: conversão completa de um contaminante orgânico a sua forma inorgânica

22. Biotransformação • Biorremediação • Bioestimulação: adição de nutrientes (N, P, etc.) para estimular populações autóctones de microrganismos • Bioaeração: gases (O2, CH4) passivamente adicionados ao substrato a fim de estimular a atividade microbiana • Bioaumentação: inoculação de microrganismos mais propensos à transformação de certo elemento no local onde se encontra o contaminante

23. Biotransformação • Biorremediação • Landfarming: solo contaminado depositado em local não contaminado (tratamento ex situ) • Compostagem: uso de microrganismos aeróbios, termofílicos para degradar contaminantes • Fitorremediação: vegetais usados na remoção ou transformação de contaminantes

24. Biotransformação • Biorremediação: bioestimulação • Exxon Valdez (1989) • Prince William Sound, Alaska • 40 milhões de litros de óleo cru em 5 horas • Mais de 1.500 km de costa contaminados

26. Biorremediação: bioestimulação Exxon Valdez (1989) Óleo: alto C e baixo N e P Adição de uma microemulsão: Inipol EAP22TM (N/P/K = 7,3/0,8/0) Fonte de N = uréia Emulsão aquecida a 90 C para ser distribuída no óleo Adição de 300 mL/m2 Biotransformação

27. Biotransformação • Bioremediação: bioestimulação • Exxon Valdez (1989) • Inipol desestabiliza o óleo liberando uréia • O ácido oléico em Inipol serve como fonte prontamente assimilável de C • Aumento da população autóctone de bactérias degradadoras de compostos carbonatados • Muito mais eficiente que remoção química ou física • Funciona muito bem em locais com condições adversas (Alaska, p. e.)

28. 2001

29. Biotransformação • Biorremediação: bioaeração e bioestimulação • Savannah River, Aiken SC (USA) • Solo/água contaminados com perc- ou tetracloroetileno (PCE) de indústrias têxteis ou dry cleaners • 1% de CH4 injetado em poços • Metanotróficos aumentados em várias ordens de magnitude • Sub-superfície: aeróbia • Metanotróficos aumentam áreas de anaerobiose: anaerobiose promove declorinação de PCE a TCE, o qual pode, então, ser oxidado por metanotróficos

31. Biotransformação • Biorremediação: bioaeração e bioestimulação • Savannah River, Aiken SC (USA) • Sem CH4: 10 anos ou mais para remover ate 95% do PCE • Com CH4: < 4 anos (economia de U$ 1,5 milhão) • Única forma de remover PCE da água tornando-a potável (< 5 ng TCE/L – Hazen et al. 1994)

32. Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming St. Gabriel, LO (USA) Ciba-Geigy: 19.000 m3 de solo (em 8 ha) contaminados com atrazina (herbicida do grupo das triazinas que age por se ligar a proteínas no fotossistema II) Biotransformação

33. Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming St. Gabriel, LO (USA) Landfarming 4 vezes / semana Bioestimulação via 880 kg de fertilizante/ha (N-P-K: 13-13-13) Bioaumentação: 2000 L de mistura contendo um consórcio de Pseudomonas spp. Concentração inicial de atrazina: 100 mg/kg de solo Concentração de atrazina 20 semanas após início do tratamento: abaixo do recomendado (10 mg/kg de solo) Biotransformação

35. Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming St. Gabriel, LO (USA) Ciba-Geigy gastou: U$ 1 milhão para biorremediar Custo para excavar e tratar o contaminante via método alternativo estimado em U$ 5,3 milhões ECONOMIA DE U$ 4,25 MILHÕES Biotransformação

36. Biotransformação • Tratamento de efluentes ou rejeitos (domésticos ou agrícolas) • UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Digeston • Usa metanogênicos na degradação • Forma pellets (biofilmes) de microrganismos anaeróbios degradadores da MO • A manta atinge maturidade aos 3 meses • Necessidade de inoculação com microrganismos alóctones • Produção de biogás (CH4)

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

42. Cinética de crescimento Cinética da remoção de substrato Lodos Ativados digestor anaeróbio