Biorremediação - Bioremediation

A biorremediação é um processo usado para tratar meios contaminados , incluindo água, solo e material subterrâneo, alterando as condições ambientais para estimular o crescimento de microrganismos e degradar os poluentes alvo. Casos em que a biorremediação é comumente vista são derramamentos de óleo, solos contaminados com drenagem ácida de mineração, vazamentos de tubos subterrâneos e limpeza de cenas de crime. Esses compostos tóxicos são metabolizados por enzimas presentes nos microrganismos. A maioria dos processos de biorremediação envolve reações de redução de oxidação, onde um aceptor de elétrons (comumente oxigênio) é adicionado para estimular a oxidação de um poluente reduzido (por exemplo, hidrocarbonetos) ou um doador de elétrons (comumente um substrato orgânico) é adicionado para reduzir os poluentes oxidados (nitrato, perclorato , metais oxidados, solventes clorados, explosivos e propelentes). A biorremediação é usada para reduzir o impacto de subprodutos gerados a partir de atividades antrópicas, como industrialização e processos agrícolas. Em muitos casos, a biorremediação é menos cara e mais sustentável do que outras alternativas de remediação . Outras técnicas de remediação incluem dessorção térmica , vitrificação , decapagem com ar , biolixiviação , rizofiltração e lavagem do solo. O tratamento biológico, biorremediação, é uma abordagem semelhante usada para tratar resíduos, incluindo águas residuais, resíduos industriais e resíduos sólidos. O objetivo final da biorremediação é remover ou reduzir compostos prejudiciais para melhorar a qualidade do solo e da água.

Os contaminantes podem ser removidos ou reduzidos com várias técnicas de biorremediação in-situ ou ex-situ . As técnicas de biorremediação são classificadas com base na localidade de tratamento. As técnicas in situ tratam os locais poluídos de maneira não destrutiva e econômica. Já as técnicas ex situ normalmente exigem que o local contaminado seja escavado, o que aumenta os custos. Em ambas as abordagens, nutrientes, vitaminas, minerais e tampões de pH adicionais podem ser adicionados para otimizar as condições para os microrganismos. Em alguns casos, culturas microbianas especializadas são adicionadas ( bioestimulação ) para aumentar ainda mais a biodegradação . Alguns exemplos de tecnologias relacionadas à biorremediação são fitorremediação , bioventação , bioatenuação, biosparging , compostagem (biopilhas e leiras) e landfarming .

Química

A maioria dos processos de biorremediação envolve reações de redução de oxidação ( redox ), onde uma espécie química doa um elétron ( doador de elétrons ) para uma espécie diferente que aceita o elétron ( aceitador de elétrons ). Durante este processo, o doador de elétrons é oxidado enquanto o aceitador de elétrons é reduzido. Os aceitadores de elétrons comuns em processos de biorremediação incluem oxigênio , nitrato , manganês (III e IV), ferro (III), sulfato , dióxido de carbono e alguns poluentes (solventes clorados, explosivos, metais oxidados e radionuclídeos). Os doadores de elétrons incluem açúcares, gorduras, álcoois, material orgânico natural, hidrocarbonetos combustíveis e uma variedade de poluentes orgânicos reduzidos. O potencial redox para reações comuns de biotransformação é mostrado na tabela.

Processo Reação Potencial redox (E h em mV )
aeróbico O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O 600 ~ 400
anaeróbico
desnitrificação 2NO 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O 500 ~ 200
redução de manganês IV MnO 2 + 2e - + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O 400 ~ 200
redução de ferro III Fe (OH) 3 + e - + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O 300 ~ 100
redução de sulfato SO 4 2− + 8e - +10 H + → H 2 S + 4H 2 O 0 ~ -150
fermentação 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 -150 ~ -220

Técnicas in-situ

Representação visual mostrando a biorremediação in-situ . Esse processo envolve a adição de oxigênio, nutrientes ou micróbios ao solo contaminado para remover poluentes tóxicos. A contaminação inclui resíduos enterrados e vazamento de tubos subterrâneos que se infiltram nos sistemas de água subterrânea. A adição de oxigênio remove os poluentes, produzindo dióxido de carbono e água.

Bioventing

A bioventação é um processo que aumenta o fluxo de oxigênio ou ar para a zona não saturada do solo, o que, por sua vez, aumenta a taxa de degradação in situ natural do contaminante hidrocarboneto alvo. Bioventing, uma biorremediação aeróbia, é a forma mais comum de processo de biorremediação oxidativa onde o oxigênio é fornecido como o aceitador de elétrons para a oxidação de petróleo , hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), fenóis e outros poluentes reduzidos. O oxigênio é geralmente o aceitador de elétrons preferido devido ao maior rendimento de energia e porque o oxigênio é necessário para alguns sistemas enzimáticos para iniciar o processo de degradação. Os microrganismos podem degradar uma ampla variedade de hidrocarbonetos, incluindo componentes da gasolina, querosene, diesel e combustível de aviação. Em condições aeróbias ideais, as taxas de biodegradação dos compostos alifáticos , alicíclicos e aromáticos de peso baixo a moderado podem ser muito altas. À medida que o peso molecular do composto aumenta, a resistência à biodegradação aumenta simultaneamente. Isso resulta em compostos voláteis contaminados mais elevados devido ao seu alto peso molecular e uma maior dificuldade de remoção do meio ambiente.

A maioria dos processos de biorremediação envolvem reações de redução de oxidação onde um aceptor de elétrons (comumente oxigênio) é adicionado para estimular a oxidação de um poluente reduzido (por exemplo, hidrocarbonetos) ou um doador de elétrons (comumente um substrato orgânico) é adicionado para reduzir poluentes oxidados (nitrato, perclorato , metais oxidados, solventes clorados, explosivos e propelentes). Em ambas as abordagens, nutrientes, vitaminas, minerais e tampões de pH adicionais podem ser adicionados para otimizar as condições para os microrganismos. Em alguns casos, culturas microbianas especializadas são adicionadas ( bioaumentação ) para aumentar ainda mais a biodegradação.

As abordagens para adição de oxigênio abaixo do lençol freático incluem a recirculação da água aerada através da zona de tratamento, adição de oxigênio puro ou peróxidos e pulverização de ar . Os sistemas de recirculação normalmente consistem em uma combinação de poços de injeção ou galerias e um ou mais poços de recuperação onde a água subterrânea extraída é tratada, oxigenada, corrigida com nutrientes e reinjetada. No entanto, a quantidade de oxigênio que pode ser fornecida por este método é limitada pela baixa solubilidade do oxigênio em água (8 a 10 mg / L para água em equilíbrio com o ar em temperaturas típicas). Maiores quantidades de oxigênio podem ser fornecidas pelo contato da água com oxigênio puro ou adição de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) à água. Em alguns casos, lamas de peróxido de cálcio ou magnésio sólido são injetadas sob pressão através de perfurações no solo. Esses peróxidos sólidos reagem com a água liberando H 2 O 2, que então se decompõe liberando oxigênio. A pulverização de ar envolve a injeção de ar sob pressão abaixo do lençol freático. A pressão de injeção de ar deve ser grande o suficiente para superar a pressão hidrostática da água e a resistência ao fluxo de ar através do solo.

Bioestimulação

A biorremediação pode ser realizada por bactérias que estão naturalmente presentes no meio ambiente ou adicionando nutrientes, esse processo é denominado bioestimulação.

As bactérias, também conhecidas como micróbios, ocorrem naturalmente no meio ambiente e são usadas para degradar hidrocarbonetos. Muitos processos biológicos são sensíveis ao pH e funcionam de forma mais eficiente em condições quase neutras. O pH baixo pode interferir na homeostase do pH ou aumentar a solubilidade de metais tóxicos. Os microrganismos podem gastar energia celular para manter a homeostase ou as condições citoplasmáticas podem mudar em resposta a mudanças externas no pH. Os anaeróbios se adaptaram a condições de baixo pH por meio de alterações no fluxo de carbono e elétrons, morfologia celular, estrutura da membrana e síntese de proteínas.

A biorremediação utilizando micróbios funciona através do uso de um consórcio microbiano . Nesse contexto, um consórcio microbiano é uma população de micróbios simbioticamente associada que sobrevive utilizando os metabólitos secundários das espécies ao seu redor. Uma espécie individual de micróbios é geralmente incapaz de quebrar completamente moléculas complexas, mas pode ser capaz de degradar parcialmente um composto. Outra parte dessa molécula parcialmente digerida pode ser decomposta por outra espécie do consórcio, um padrão que pode ser repetido até que o contaminante ambiental seja decomposto em subprodutos inofensivos.

Um exemplo de bioestimulação no Aquífero Snake River Plain em Idaho. Este processo envolve a adição de pó de soro de leite para promover a utilização de bactérias naturalmente presentes. O soro de leite em pó atua como substrato para auxiliar no crescimento de bactérias. Nesse local, os microrganismos decompõem o composto carcinogênico tricloroetileno (TCE), processo visto em estudos anteriores.

No caso de bioestimulação, adição de nutrientes que são limitados para tornar o ambiente mais adequado para biorremediação, nutrientes como nitrogênio, fósforo, oxigênio e carbono podem ser adicionados ao sistema para melhorar a eficácia do tratamento. Os nutrientes são necessários para a biodegradação da poluição por óleo e podem ser usados ​​para reduzir a produção negativa para o meio ambiente. Específico para derramamentos de óleo marinho, nitrogênio e fósforo têm sido nutrientes essenciais na biodegradação.

Muitos processos biológicos são sensíveis ao pH e funcionam de forma mais eficiente em condições quase neutras. O pH baixo pode interferir na homeostase do pH ou aumentar a solubilidade de metais tóxicos. Os microrganismos podem gastar energia celular para manter a homeostase ou as condições citoplasmáticas podem mudar em resposta a mudanças externas no pH. Alguns anaeróbios se adaptaram a condições de baixo pH por meio de alterações no fluxo de carbono e elétrons, morfologia celular, estrutura da membrana e síntese de proteínas.

Biorremediação anaeróbica pode ser empregue para tratar uma vasta gama de contaminantes oxidados incluindo clorados etilenos ( PCE , TCE , DCE , VC) , clorados etanos ( TCA , DCA ), clorometanos ( CT , CF ), hidrocarbonetos cíclicos clorados, vários energéticas (por exemplo, perclorato , RDX , TNT ) e nitrato . Este processo envolve a adição de um doador de elétrons para: 1) esgotar os aceptores de elétrons de fundo, incluindo oxigênio, nitrato, ferro oxidado e manganês e sulfato; e 2) estimular a redução biológica e / ou química dos poluentes oxidados. O cromo hexavalente (Cr [VI]) e o urânio (U [VI]) podem ser reduzidos a formas menos móveis e / ou menos tóxicas (por exemplo, Cr [III], U [IV]). Da mesma forma, a redução do sulfato a sulfeto (sulfidogênese) pode ser usada para precipitar certos metais (por exemplo, zinco , cádmio ). A escolha do substrato e o método de injeção dependem do tipo de contaminante e distribuição no aqüífero, hidrogeologia e objetivos de remediação. O substrato pode ser adicionado usando instalações de poços convencionais, por tecnologia de push direto ou por escavação e aterro, como barreiras reativas permeáveis (PRB) ou biowalls. Produtos de liberação lenta compostos de óleos comestíveis ou substratos sólidos tendem a permanecer no local por um período de tratamento prolongado. Substratos solúveis ou produtos de fermentação solúveis de substratos de liberação lenta podem potencialmente migrar via advecção e difusão, fornecendo zonas de tratamento mais amplas, mas de vida mais curta. Os substratos orgânicos adicionados são primeiro fermentados em hidrogênio (H 2 ) e ácidos graxos voláteis (VFAs). Os AGVs, incluindo acetato, lactato, propionato e butirato, fornecem carbono e energia para o metabolismo bacteriano.

Bioatenuação

Durante a bioatenuação, a biodegradação ocorre naturalmente com a adição de nutrientes ou bactérias. Os micróbios indígenas presentes irão determinar a atividade metabólica e atuar como uma atenuação natural. Embora não haja envolvimento antropogênico na bioatenuação, o local contaminado ainda deve ser monitorado.

Biosparging

Biosparging é o processo de remediação das águas subterrâneas à medida que o oxigênio e possíveis nutrientes são injetados. Quando o oxigênio é injetado, as bactérias indígenas são estimuladas a aumentar a taxa de degradação. No entanto, o biosparging se concentra em zonas saturadas contaminadas, especificamente relacionadas à remediação de águas subterrâneas.

Técnicas Ex Situ

Biopilhas

As biopilhas, semelhantes à bioventação, são usadas para reduzir os poluentes do petróleo por meio da introdução de hidrocarbonetos aeróbios em solos contaminados. No entanto, o solo é escavado e empilhado com um sistema de aeração. Este sistema de aeração aumenta a atividade microbiana, introduzindo oxigênio sob pressão positiva ou remove o oxigênio sob pressão negativa.

Windrows

A antiga Refinaria Shell Haven em Standford-le-Hope, que passou por biorremediação para reduzir o local contaminado com óleo. Técnicas de biorremediação, como leiras, foram utilizadas para promover a transferência de oxigênio. A refinaria escavou aproximadamente 115.000 m 3 de solo contaminado.

Os sistemas de windrow são semelhantes às técnicas de compostagem, em que o solo é revolvido periodicamente para aumentar a aeração. Este giro periódico também permite que os contaminantes presentes no solo sejam uniformemente distribuídos, o que acelera o processo de biorremediação.

Terra agrícola

Landfarming, ou tratamento da terra, é um método comumente usado para derramamentos de lodo. Este método dispersa solo contaminado e areja o solo por rotação cíclica. Este processo é uma aplicação de terra acima e os solos contaminados devem ser rasos para que a atividade microbiana seja estimulada. No entanto, se a contaminação for mais profunda do que 5 pés, o solo deve ser escavado acima do solo.

Metais pesados

Os metais pesados ​​tornam-se presentes no meio ambiente devido a atividades antrópicas ou fatores naturais. As atividades antropogênicas incluem emissões industriais, lixo eletrônico e mineração de minério. Os fatores naturais incluem intemperismo mineral, erosão do solo e incêndios florestais. Os metais pesados, incluindo cádmio, cromo, chumbo e urânio, são diferentes dos compostos orgânicos e não podem ser biodegradados. No entanto, processos de biorremediação podem ser potencialmente usados ​​para reduzir a mobilidade desses materiais no subsolo, reduzindo o potencial de exposição humana e ambiental. Os metais pesados ​​desses fatores estão predominantemente presentes nas fontes hídricas devido ao escoamento superficial onde é captado pela fauna e flora marinhas.

A mobilidade de certos metais, incluindo cromo (Cr) e urânio (U), varia dependendo do estado de oxidação do material. Os microrganismos podem ser usados ​​para reduzir a toxicidade e a mobilidade do cromo, reduzindo o cromo hexavalente, Cr (VI) a Cr trivalente (III). O urânio pode ser reduzido do estado de oxidação U (VI) mais móvel para o estado de oxidação U (IV) menos móvel. Microorganismos são usados ​​neste processo porque a taxa de redução desses metais é frequentemente lenta, a menos que catalisada por interações microbianas. Pesquisas também estão em andamento para desenvolver métodos para remover metais da água, aumentando a sorção do metal nas paredes celulares. Esta abordagem foi avaliada para tratamento de cádmio, cromo e chumbo. Os processos de fitoextração concentram os contaminantes na biomassa para posterior remoção.

Pesticidas

Para vários herbicidas e outros pesticidas, tanto aeróbios quanto anaeróbios - os heterótrofos têm se mostrado eficazes, incluindo Flavobacterium spp. e Arthrobacter spp. Aeróbios são a escolha primária para organofosforados e substâncias não cloradas . Estruturas cloradas (mais comumente DDT , DDE (diclorodifenildicloroetileno) , heptacloro , dieldrina e clordano ) são difíceis de realmente desintoxicar, mas triazinas e organofosfatos (incluindo malation e paration ) são relativamente mais fáceis de encontrar um remediador. Isso é especialmente útil para a atrazina (uma triazina), que anteriormente era notoriamente persistente.

Limitações da biorremediação

A biorremediação pode ser usada para mineralizar completamente os poluentes orgânicos, para transformar parcialmente os poluentes ou alterar sua mobilidade. Metais pesados e radionuclídeos são elementos que não podem ser biodegradados, mas podem ser bio-transformados em formas menos móveis. Em alguns casos, os micróbios não mineralizam totalmente o poluente, potencialmente produzindo um composto mais tóxico. Por exemplo, em condições anaeróbicas, a desalogenação redutiva de TCE pode produzir dicloroetileno (DCE) e cloreto de vinila (VC), que são suspeitos ou conhecidos como cancerígenos . No entanto, o microorganismo Dehalococcoides pode reduzir ainda mais o DCE e VC ao produto não tóxico eteno. Pesquisas adicionais são necessárias para desenvolver métodos para garantir que os produtos da biodegradação sejam menos persistentes e menos tóxicos do que o contaminante original. Assim, as vias metabólicas e químicas dos microrganismos de interesse devem ser conhecidas. Além disso, conhecer esses caminhos ajudará a desenvolver novas tecnologias que podem lidar com locais que apresentam distribuições desiguais de uma mistura de contaminantes.

Além disso, para que ocorra a biodegradação, deve haver uma população microbiana com capacidade metabólica de degradar o poluente, um ambiente com as condições de crescimento adequadas para os micróbios e a quantidade certa de nutrientes e contaminantes. Os processos biológicos usados ​​por esses micróbios são altamente específicos, portanto, muitos fatores ambientais devem ser levados em consideração e regulados também. Assim, os processos de biorremediação devem ser feitos especificamente de acordo com as condições do local contaminado. Muitos fatores são interdependentes, como testes em pequena escala que geralmente são realizados antes de realizar o procedimento no local contaminado. No entanto, pode ser difícil extrapolar os resultados dos estudos de teste em pequena escala para grandes operações de campo. Em muitos casos, a biorremediação leva mais tempo do que outras alternativas, como aterro e incineração . Outro exemplo é a bioventação, que é barata para biorremediação de locais contaminados; no entanto, esse processo é extenso e pode levar alguns anos para descontaminar um local.

 Em indústrias agrícolas, o uso de pesticidas é um fator importante na contaminação direta do solo e na contaminação da água de escoamento. A limitação ou remediação dos agrotóxicos é a baixa biodisponibilidade. Alterar o pH e a temperatura do solo contaminado é uma resolução para aumentar a biodisponibilidade que, por sua vez, aumenta a degradação de compostos nocivos.

O acrilonitrila composto é comumente produzido em ambiente industrial, mas contamina o solo de maneira adversa. Microorganismos contendo nitrila hidratases (NHase) degradaram compostos de acrilonitrila prejudiciais em substâncias não poluentes.

Como a experiência com contaminantes prejudiciais é limitada, as práticas laboratoriais são necessárias para avaliar a eficácia, os projetos de tratamento e estimar os tempos de tratamento. Os processos de biorremediação podem levar de vários meses a vários anos, dependendo do tamanho da área contaminada.

Engenharia genética

O uso de engenharia genética para criar organismos projetados especificamente para biorremediação está em pesquisas preliminares. Duas categorias de genes podem ser inseridos no organismo: genes degradativos que codificam proteínas necessárias para a degradação de poluentes e genes repórter que são capazes de monitorar os níveis de poluição. Numerosos membros de Pseudomonas também foram modificados com o gene lux, mas para a detecção do hidrocarboneto poliaromático naftaleno. Um teste de campo para a liberação do organismo modificado foi bem-sucedido em uma escala moderadamente grande.

Existem preocupações em torno da liberação e contenção de organismos geneticamente modificados no meio ambiente devido ao potencial de transferência horizontal de genes. Organismos geneticamente modificados são classificados e controlado pelas Toxic Substances Control Act, de 1976 sob Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos . Medidas foram criadas para lidar com essas preocupações. Os organismos podem ser modificados de modo que só possam sobreviver e crescer sob conjuntos específicos de condições ambientais. Além disso, o rastreamento de organismos modificados pode ser facilitado com a inserção de genes de bioluminescência para identificação visual.

Organismos geneticamente modificados foram criados para tratar derramamentos de óleo e quebrar certos plásticos (PET).

Veja também

Referências

links externos