Fitorremediação - Phytoremediation

As tecnologias de fitorremediação usam plantas vivas para limpar o solo, o ar e a água contaminados com contaminantes perigosos. É definido como "o uso de plantas verdes e microorganismos associados, juntamente com corretivos de solo e técnicas agronômicas adequadas para conter, remover ou tornar inofensivos os contaminantes ambientais tóxicos". O termo é um amálgama do grego phyto (planta) e do latim remedium (restaurar o equilíbrio). Embora atraente por seu custo, a fitorremediação não demonstrou corrigir nenhum desafio ambiental significativo, na medida em que o espaço contaminado foi recuperado.

A fitorremediação é proposta como uma abordagem de remediação ambiental de baixo custo baseada em plantas, que aproveita a capacidade das plantas de concentrar elementos e compostos do meio ambiente e desintoxicar vários compostos. O efeito de concentração resulta da capacidade de certas plantas chamadas hiperacumuladores de bioacumular produtos químicos. O efeito de remediação é bem diferente. Os metais pesados ​​tóxicos não podem ser degradados, mas os poluentes orgânicos podem ser e geralmente são os principais alvos da fitorremediação. Vários testes de campo confirmaram a viabilidade do uso de plantas para limpeza ambiental .

Fundo

A fitorremediação pode ser aplicada a solo poluído ou ambiente de água estática. Essa tecnologia tem sido cada vez mais investigada e empregada em locais com solos contaminados com metais pesados ​​como cádmio , chumbo , alumínio , arsênio e antimônio . Esses metais podem causar estresse oxidativo nas plantas, destruir a integridade da membrana celular , interferir na captação de nutrientes , inibir a fotossíntese e diminuir a clorofila da planta .

A fitorremediação tem sido usada com sucesso para incluir a restauração de minas de metal abandonadas e locais onde bifenilos policlorados foram despejados durante a fabricação e mitigação de descargas contínuas de minas de carvão, reduzindo o impacto de contaminantes no solo, água ou ar. Contaminantes como metais, pesticidas, solventes, explosivos e petróleo bruto e seus derivados foram mitigados em projetos de fitorremediação em todo o mundo. Muitas plantas, como a mostarda , o agrião alpino , o cânhamo e a erva - benta provaram ser bem-sucedidas na hiperacumulação de contaminantes em locais de resíduos tóxicos .

Nem todas as plantas são capazes de acumular metais pesados ​​ou poluentes orgânicos devido a diferenças na fisiologia da planta. Mesmo cultivares dentro da mesma espécie têm capacidades variadas de acumular poluentes.

Vantagens e limitações

  • Vantagens :
    • o custo da fitorremediação é inferior ao dos processos tradicionais in situ e ex situ
    • a possibilidade de recuperação e reutilização de metais valiosos (por empresas especializadas em "fito-mineração")
    • preserva a camada superficial do solo , mantendo a fertilidade do solo
    • Aumenta a saúde do solo , o rendimento e os fitoquímicos vegetais
    • o uso de plantas também reduz a erosão e a lixiviação do metal no solo
  • Limitações :
    • A fitorremediação é limitada à área de superfície e profundidade ocupada pelas raízes.
    • com sistemas de remediação baseados em plantas, não é possível evitar completamente a lixiviação de contaminantes para o lençol freático (sem a remoção completa do solo contaminado, o que por si só não resolve o problema da contaminação)
    • a sobrevivência das plantas é afetada pela toxicidade do solo contaminado e pelo estado geral do solo
    • bioacumulação de contaminantes, especialmente metais, nas plantas pode afetar produtos de consumo como alimentos e cosméticos, e requer o descarte seguro do material vegetal afetado
    • ao absorver metais pesados, às vezes o metal se liga à matéria orgânica do solo , o que o torna indisponível para a extração da planta

Processos

Processo de fitorremediação

Uma série de processos mediados por plantas ou algas são testados no tratamento de problemas ambientais:

Fitoextração

Alguns metais pesados, como cobre e zinco, são removidos do solo subindo para as raízes das plantas.

A fitoextração (ou fitoacumulação ou fitosequestração ) explora a capacidade das plantas ou algas de remover contaminantes do solo ou da água para a biomassa vegetal colhível. As raízes absorvem substâncias do solo ou da água e as concentram acima do solo na biomassa da planta. Os organismos que podem absorver grandes quantidades de contaminantes são chamados de hiperacumuladores . A fitoextração também pode ser realizada por plantas (por exemplo, Populus e Salix ) que absorvem níveis mais baixos de poluentes, mas devido à sua alta taxa de crescimento e produção de biomassa, pode remover uma quantidade considerável de contaminantes do solo. A fitoextração tem crescido rapidamente em popularidade em todo o mundo nos últimos vinte anos ou mais. Normalmente, a fitoextração é usada para metais pesados ​​ou outros inorgânicos. No momento do descarte, os contaminantes estão normalmente concentrados no volume muito menor da matéria vegetal do que no solo ou sedimento inicialmente contaminado. Após a colheita, um nível mais baixo de contaminante permanecerá no solo, então o ciclo de crescimento / colheita deve geralmente ser repetido em várias safras para alcançar uma limpeza significativa. Após o processo, o solo é remediado.

É claro que muitos poluentes matam as plantas, então a fitorremediação não é uma panacéia. Por exemplo, o cromo é tóxico para a maioria das plantas superiores em concentrações acima de 100 μM · kg − 1 de peso seco.

A mineração desses metais extraídos, por meio de fitomineração , é uma forma concebível de recuperação do material. Plantas hiperacumuladoras são muitas vezes metallophyte . A fitoextração induzida ou assistida é um processo onde um fluido condicionador contendo um quelante ou outro agente é adicionado ao solo para aumentar a solubilidade ou mobilização do metal para que as plantas possam absorvê-lo mais facilmente. Embora esses aditivos possam aumentar a absorção de metal pelas plantas, eles também podem levar a grandes quantidades de metais disponíveis no solo, além do que as plantas são capazes de translocar, causando potencial lixiviação para o subsolo ou águas subterrâneas.

Exemplos de plantas que acumulam os seguintes contaminantes:

Fitoestabilização

A fitostabilização reduz a mobilidade de substâncias no meio ambiente, por exemplo, ao limitar a lixiviação de substâncias do solo . Ele se concentra na estabilização e contenção de poluentes a longo prazo. A planta imobiliza os poluentes ligando-os às partículas do solo, tornando-os menos disponíveis para serem absorvidos pelas plantas ou humanos. Ao contrário da fitoextração, a fitoestabilização se concentra principalmente no sequestro de poluentes no solo perto das raízes, mas não nos tecidos das plantas. Os poluentes se tornam menos biodisponíveis, resultando em exposição reduzida. As plantas também podem excretar uma substância que produz uma reação química, convertendo o poluente de metal pesado em uma forma menos tóxica. A estabilização resulta em redução da erosão, escoamento, lixiviação, além de reduzir a biodisponibilidade do contaminante. Um exemplo de aplicação de fitoestabilização é o uso de cobertura vegetativa para estabilizar e conter rejeitos de mina .

Fitodegradação

As raízes secretam enzimas que degradam (degradam) os poluentes orgânicos do solo.

A fitodegradação (também chamada de fitotransformação) usa plantas ou microorganismos para degradar poluentes orgânicos no solo ou no corpo da planta. Os compostos orgânicos são decompostos por enzimas que as raízes das plantas secretam e essas moléculas são então absorvidas pela planta e liberadas através da transpiração. Este processo funciona melhor com contaminantes orgânicos como herbicidas, tricloroetileno e éter metil terc- butílico .

A fitotransformação resulta na modificação química de substâncias ambientais como resultado direto do metabolismo da planta , frequentemente resultando em sua inativação, degradação (fitodegradação) ou imobilização (fitoestabilização). No caso de poluentes orgânicos , como pesticidas , explosivos , solventes , produtos químicos industriais e outras substâncias xenobióticas , certas plantas, como Cannas , tornam essas substâncias atóxicas por seu metabolismo . Em outros casos, os microrganismos que vivem em associação com as raízes das plantas podem metabolizar essas substâncias no solo ou na água. Esses compostos complexos e recalcitrantes não podem ser quebrados em moléculas básicas (água, dióxido de carbono, etc.) por moléculas de plantas e, portanto, o termo fitotransformação representa uma mudança na estrutura química sem quebra completa do composto. O termo "Fígado Verde" é usado para descrever a fitotransformação, uma vez que as plantas se comportam de forma análoga ao fígado humano ao lidar com esses compostos xenobióticos (composto estranho / poluente). Após a absorção dos xenobióticos, as enzimas vegetais aumentam a polaridade dos xenobióticos ao adicionar grupos funcionais, como grupos hidroxila (-OH).

Isso é conhecido como metabolismo de Fase I, semelhante à maneira como o fígado humano aumenta a polaridade de drogas e compostos estranhos ( metabolismo de drogas ). Enquanto no fígado humano enzimas como o citocromo P450s são responsáveis ​​pelas reações iniciais, nas plantas enzimas como peroxidases, fenoloxidases, esterases e nitro-redutases desempenham o mesmo papel.

No segundo estágio da fitotransformação, conhecido como metabolismo de Fase II, biomoléculas vegetais, como glicose e aminoácidos, são adicionadas ao xenobiótico polarizado para aumentar ainda mais a polaridade (conhecido como conjugação). Isso é novamente semelhante aos processos que ocorrem no fígado humano onde a glucuronidação (adição de moléculas de glicose pela classe de enzimas UGT, por exemplo, UGT1A1 ) e reações de adição de glutationa ocorrem nos centros reativos do xenobiótico.

As reações de fase I e II servem para aumentar a polaridade e reduzir a toxicidade dos compostos, embora muitas exceções à regra sejam observadas. A polaridade aumentada também permite o transporte fácil do xenobiótico ao longo dos canais aquosos.

No estágio final da fitotransformação (metabolismo da Fase III), ocorre o sequestro do xenobiótico dentro da planta. Os xenobióticos polimerizam de maneira semelhante à lignina e desenvolvem uma estrutura complexa que é sequestrada na planta. Isso garante que o xenobiótico seja armazenado com segurança e não afeta o funcionamento da planta. No entanto, estudos preliminares mostraram que essas plantas podem ser tóxicas para pequenos animais (como os caramujos) e, portanto, as plantas envolvidas na fitotransformação podem precisar ser mantidas em um recinto fechado.

Assim, as plantas reduzem a toxicidade (com exceções) e sequestram os xenobióticos na fitotransformação. A fitotransformação do trinitrotolueno tem sido extensivamente pesquisada e uma via de transformação foi proposta.

Fitoestimulação

A fitoestimulação (ou rizodegradação) é o aumento da atividade microbiana do solo para a degradação de contaminantes orgânicos, tipicamente por organismos que se associam às raízes . Esse processo ocorre dentro da rizosfera , que é a camada de solo que envolve as raízes. As plantas liberam carboidratos e ácidos que estimulam a atividade dos microrganismos, resultando na biodegradação dos contaminantes orgânicos. Isso significa que os microrganismos são capazes de digerir e decompor as substâncias tóxicas em uma forma inofensiva. A fitoestimulação tem se mostrado eficaz na degradação de hidrocarbonetos de petróleo, PCBs e PAHs. A fitoestimulação também pode envolver plantas aquáticas que suportam populações ativas de degradadores microbianos, como na estimulação da degradação da atrazina pela erva- dos- chifres .

Fitovolatilização

Os contaminantes são então decompostos e os fragmentos são posteriormente transformados e volatilizados na atmosfera.

Fitovolatilização é a retirada de substâncias do solo ou da água com liberação para o ar, às vezes como resultado da fitotransformação em substâncias mais voláteis e / ou menos poluentes. Nesse processo, os contaminantes são absorvidos pela planta e, por meio da transpiração, evaporam para a atmosfera. Esta é a forma mais estudada de fitovolatilização, onde a volatilização ocorre no caule e nas folhas da planta, porém a fitovolatilização indireta ocorre quando os contaminantes são volatilizados da zona da raiz. O selênio (Se) e o mercúrio (Hg) são freqüentemente removidos do solo por meio da fitovolatilização. Os choupos são uma das plantas de maior sucesso na remoção de VOCs por meio desse processo, devido à sua alta taxa de transpiração.

Rhizofiltração

A rizofiltração é um processo que filtra a água através de uma massa de raízes para remover substâncias tóxicas ou nutrientes em excesso . Os poluentes permanecem absorvidos ou adsorvidos pelas raízes. Este processo é frequentemente usado para limpar águas subterrâneas contaminadas por meio do plantio diretamente no local contaminado ou através da remoção da água contaminada e fornecimento a essas plantas em um local externo. Em ambos os casos, no entanto, normalmente as plantas são cultivadas primeiro em uma estufa sob condições precisas.

Contenção hidráulica biológica

A contenção hidráulica biológica ocorre quando algumas plantas, como os choupos, puxam água para cima, através do solo, para as raízes e para fora pela planta, o que diminui o movimento de contaminantes solúveis para baixo, mais profundamente no local e no lençol freático.

Fitodesalinização

A fitodesalinização usa halófitas (plantas adaptadas ao solo salino) para extrair o sal do solo para melhorar sua fertilidade.

Papel da genética

Os programas de melhoramento genético e a engenharia genética são métodos poderosos para aumentar as capacidades naturais de fitorremediação ou para introduzir novas capacidades nas plantas. Os genes para fitorremediação podem se originar de um microrganismo ou podem ser transferidos de uma planta para outra variedade melhor adaptada às condições ambientais do local de limpeza. Por exemplo, genes que codificam uma nitro-redutase de uma bactéria foram inseridos no tabaco e mostraram uma remoção mais rápida de TNT e maior resistência aos efeitos tóxicos de TNT. Os pesquisadores também descobriram um mecanismo nas plantas que permite que elas cresçam mesmo quando a concentração de poluição no solo é letal para as plantas não tratadas. Alguns compostos naturais biodegradáveis, como as poliaminas exógenas , permitem que as plantas tolerem concentrações de poluentes 500 vezes maiores do que as plantas não tratadas e absorvam mais poluentes.

Hiperacumuladores e interações bióticas

Uma planta é considerada um hiperacumulador se puder concentrar os poluentes em uma porcentagem mínima que varia de acordo com o poluente envolvido (por exemplo: mais de 1000 mg / kg de peso seco para níquel , cobre , cobalto , cromo ou chumbo ; ou mais de 10.000 mg / kg para zinco ou manganês ). Essa capacidade de acumulação se deve à hipertolerância , ou fitotolerância : o resultado da evolução adaptativa das plantas para ambientes hostis ao longo de muitas gerações. Várias interações podem ser afetadas pela hiperacumulação de metal, incluindo proteção, interferências com plantas vizinhas de diferentes espécies, mutualismo (incluindo micorrizas , pólen e dispersão de sementes), comensalismo e biofilme .

Tabelas de hiperacumuladores

Phytoscreening

Como as plantas são capazes de translocar e acumular tipos específicos de contaminantes, as plantas podem ser usadas como biossensores de contaminação de subsuperfície, permitindo assim que os investigadores delinem rapidamente as plumas de contaminantes. Solventes clorados, como o tricloroetileno , foram observados em troncos de árvores em concentrações relacionadas às concentrações de água subterrânea. Para facilitar a implementação de campo de phytoscreening, métodos padrão foram desenvolvidos para extrair uma seção do tronco da árvore para posterior análise de laboratório, muitas vezes usando uma broca de incremento . O rastreio fitossanitário pode levar a investigações mais otimizadas do local e reduzir os custos de limpeza do local contaminado.

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos