Biorremediação: características, tipos, vantagens e desvantagens

A biorremediação é um conjunto de biotecnologias saneamento usando capacidades metabólicas dos microorganismos bacterianos, fungos, plantas e / ou enzimas isoladas, para remover contaminantes no solo e na água.

Os microrganismos (bactérias e fungos) e algumas plantas podem biotransformar uma ampla variedade de compostos orgânicos contaminantes e tóxicos, até que não sejam prejudiciais ou inofensivos. Eles podem até biodegradar alguns compostos orgânicos em suas formas mais simples, como metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ).

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Figura 1. Poluição ambiental causada por derramamentos de óleo, posteriormente tratada com biorremediação.Fonte: commons.wikimedia.org

Além disso, alguns microorganismos e plantas podem extrair ou imobilizar no ambiente ( in situ) elementos químicos tóxicos, como metais pesados.Ao imobilizar a substância tóxica no ambiente, ela não está mais disponível para os organismos vivos e, portanto, não os afeta.

Portanto, reduzir a biodisponibilidade de uma substância tóxica também é uma forma de biorremediação, mesmo que não envolva a remoção da substância do meio ambiente.

Atualmente, existe um crescente interesse científico e comercial no desenvolvimento de tecnologias econômicas com baixo impacto ambiental (ou “ambientalmente amigáveis”), como a biorremediação de superfícies, subsolo, lodo e solo contaminado.

Características da biorremediação

Contaminantes que podem ser biorremediados

Entre os poluentes que foram biorremediados estão metais pesados, substâncias radioativas, poluentes orgânicos tóxicos, substâncias explosivas, compostos orgânicos derivados do petróleo (hidrocarbonetos poliaromáticos ou HPAs), fenóis, entre outros.

Condições físico-químicas durante a biorremediação

Como os processos de biorremediação dependem da atividade de microrganismos e plantas vivas ou de suas enzimas isoladas, devem ser mantidas condições físico-químicas adequadas para cada organismo ou sistema enzimático, a fim de otimizar sua atividade metabólica no processo de biorremediação.

Fatores que devem ser otimizados e mantidos durante todo o processo de biorremediação

-A concentração e biodisponibilidade do poluente em condições ambientais: uma vez que é muito alto, pode ser prejudicial para os mesmos microorganismos que têm a capacidade de biotransforma-los.

Umidade: a disponibilidade de água é essencial para os organismos vivos, bem como para a atividade enzimática dos catalisadores biológicos livres de células. Geralmente, 12 a 25% de umidade relativa deve ser mantida nos solos no processo de biorremediação.

-A temperatura: deve estar na faixa que permita a sobrevivência dos organismos aplicados e / ou a atividade enzimática necessária.

-Os nutrientes biodisponíveis: indispensáveis ​​ao crescimento e multiplicação dos microrganismos de interesse. Principalmente, você deve controlar o carbono, o fósforo e o nitrogênio, além de alguns minerais essenciais.

-A acidez ou alcalinidade do meio aquoso ou pH (medição dos íons H + no meio).

Disponibilidade de oxigênio: na maioria das técnicas de biorremediação, microorganismos aeróbicos são usados ​​(por exemplo, na compostagem, biopilhas e agricultura ), e a aeração do substrato é necessária. No entanto, microrganismos anaeróbicos podem ser usados ​​em processos de biorremediação, sob condições laboratoriais muito controladas (usando biorreatores).

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Tipos de biorremediação

Entre as biotecnologias de biorremediação aplicadas estão as seguintes:

Bioestimulação

A bioestimulação consiste na estimulação in situ dos microrganismos já presentes no ambiente contaminado (microrganismos nativos), capazes de biorremediar a substância contaminante.

A bioestimulação in situ é alcançada através da otimização das condições físico-químicas para que ocorra o processo desejado; pH, oxigênio, umidade, temperatura, entre outros, e adição dos nutrientes necessários.

Bioaugmentação

A bioaugmentação envolve o aumento da quantidade de microrganismos de interesse (de preferência nativos), graças à adição de seus inóculos cultivados em laboratório.

Posteriormente, uma vez inoculados in situ os microrganismos de interesse , as condições físico-químicas (como a bioestimulação) devem ser otimizadas para promover a atividade degradante dos microrganismos.

Para a aplicação de bioaugmentação, os custos da cultura microbiana em biorreatores em laboratório devem ser considerados.

A bioestimulação e a bioaugmentação podem ser combinadas com todas as outras biotecnologias descritas abaixo.

Compostagem

A compostagem consiste na mistura de material contaminado com solo não contaminado, suplementado com agentes que melhoram as plantas ou animais e nutrientes. Essa mistura forma cones de até 3 m de altura, separados um do outro.

A oxigenação das camadas inferiores dos cones deve ser controlada, através da remoção regular de um local para outro com máquinas. Também devem ser mantidas as condições ideais de umidade, temperatura, pH, nutrientes, entre outras.

Biopilhas

A técnica de biorremediação de biopilhas é a mesma que a técnica de compostagem descrita acima, exceto:

  • Ausência de agentes melhoradores de origem vegetal ou animal.
  • A eliminação da aeração pelo movimento de um local para outro.

As biopilhas permanecem fixas no mesmo local, sendo aeradas em suas camadas internas através de um sistema de tubulação, cujos custos de instalação, operação e manutenção devem ser considerados a partir da fase de projeto do sistema.

Landfarming

A biotecnologia chamada “landfarming” (traduzida do inglês: lavoura da terra) consiste em misturar o material contaminado (lodo ou sedimento) com os primeiros 30 cm de solo não contaminado de uma terra extensa.

Nesses primeiros centímetros de solo, a degradação das substâncias poluentes é favorecida graças à sua aeração e mistura. Máquinas agrícolas, como tratores de arado, são usadas para essas tarefas.

A principal desvantagem da agricultura terrestre é que ela requer necessariamente grandes áreas de terra, que podem ser usadas para a produção de alimentos.

Fitorremediação

A fitorremediação, também chamada de biorremediação assistida por microorganismos e plantas, é um conjunto de biotecnologias baseadas no uso de plantas e microorganismos para remover, limitar ou diminuir a toxicidade de substâncias poluentes nas águas superficiais ou subterrâneas, lodo e solo.

Durante a fitorremediação, pode ocorrer degradação, extração e / ou estabilização (diminuição da biodisponibilidade) do contaminante. Esses processos dependem das interações entre plantas e microorganismos que vivem muito perto de suas raízes, em uma área chamada rizosfera .

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Figura 2. Biorremediação de água contaminada com plantas e microorganismos. Fonte: Wikyhelper [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], do Wikimedia Commons
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A fitorremediação tem sido especialmente bem-sucedida na remoção de metais pesados ​​e substâncias radioativas do solo e das águas superficiais ou subterrâneas (ou rizofiltração de água contaminada).

Nesse caso, as plantas acumulam em seus tecidos os metais do meio e depois são colhidas e incineradas sob condições controladas, para que o contaminante passe da dispersão no ambiente para a concentração na forma de cinzas.

As cinzas obtidas podem ser tratadas para recuperar o metal (se for de interesse econômico) ou podem ser abandonadas em locais de disposição final de resíduos.

Uma desvantagem da fitorremediação é a falta de conhecimento profundo das interações que ocorrem entre os organismos envolvidos (plantas, bactérias e possivelmente fungos micorrízicos).

Por outro lado, devem ser mantidas condições ambientais que atendam às necessidades de todas as agências aplicadas.

Biorreatores

Os biorreatores são recipientes de tamanho considerável, que permitem manter condições físico-químicas muito controladas em meios de cultura aquosos, com o objetivo de favorecer um processo biológico de interesse.

Nos biorreatores, microrganismos e fungos bacterianos podem ser cultivados em larga escala e em laboratório e, em seguida, aplicados em processos de bioaugmentação in situ. Os microrganismos também podem ser cultivados com o interesse de obter suas enzimas degradantes de substâncias contaminantes.

Os biorreatores são utilizados em processos de biorremediação ex situ , quando o substrato contaminado é misturado com o meio de cultura microbiano, favorecendo a degradação do contaminante.

Os microrganismos cultivados em biorreatores podem até ser anaeróbicos; nesse caso, o meio de cultura aquoso deve carecer de oxigênio dissolvido.

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Figura 3. Biorreator. Fonte: es.m.wikipedia.org

Entre as biotecnologias de biorremediação, o uso de biorreatores é relativamente caro, devido à manutenção do equipamento e aos requisitos para a cultura microbiana.

Microrremediação

O uso de microrganismos fúngicos (fungos microscópicos) nos processos de biorremediação de uma substância contaminante tóxica é chamado micremediação.

Deve-se considerar que o cultivo de fungos microscópicos é geralmente mais complexo que o de bactérias e, portanto, implica custos mais altos. Além disso, os fungos crescem e se reproduzem mais lentamente que as bactérias, então a biorremediação assistida por fungos é um processo mais lento.

Biorremediação versus tecnologias físicas e químicas convencionais

-Vantagens

As biotecnologias de biorremediação são muito mais baratas e mais ecológicas que as tecnologias de saneamento ambiental físico-químico aplicadas convencionalmente.

Isso significa que a aplicação da biorremediação tem um impacto ambiental menor do que as práticas físico-químicas convencionais.

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Por outro lado, dentre os microrganismos aplicados nos processos de biorremediação, alguns podem até mineralizar os compostos contaminantes, garantindo seu desaparecimento do ambiente, algo difícil de alcançar em uma única etapa com os processos físico-químicos convencionais.

-Desvantagens e aspectos a considerar

Capacidades metabólicas microbianas existentes na natureza

Como apenas 1% dos microrganismos existentes na natureza foram isolados, uma limitação da biorremediação é precisamente a identificação de microrganismos capazes de biodegradar uma substância contaminante específica.

Ignorância do sistema aplicado

Por outro lado, a biorremediação trabalha com um sistema complexo de dois ou mais organismos vivos, que geralmente não é completamente conhecido.

Alguns microorganismos estudados biotransformaram os compostos contaminantes em subprodutos ainda mais tóxicos. Portanto, é necessário estudar previamente em laboratório os organismos de biorremediação e suas interações em profundidade.

Além disso, testes-piloto em pequena escala (em campo) devem ser realizados antes da aplicação em massa e, finalmente, os processos de biorremediação devem ser monitorados in situ, para garantir que o saneamento ambiental ocorra corretamente.

Extrapolação dos resultados obtidos em laboratório

Devido à alta complexidade dos sistemas biológicos, os resultados obtidos em pequena escala no laboratório nem sempre podem ser extrapolados para os processos de campo.

Particularidades de cada processo de biorremediação

Cada processo de biorremediação envolve um projeto experimental específico, dependendo das condições particulares do local contaminado, do tipo de contaminante a ser tratado e dos organismos a serem aplicados.

É necessário, então, que esses processos sejam liderados por grupos interdisciplinares de especialistas, entre os quais biólogos, químicos, engenheiros, entre outros.

A manutenção das condições físico-químicas do ambiente, favorecendo o crescimento e a atividade metabólica de interesse, implica um trabalho permanente durante o processo de biorremediação.

Tempo necessário

Finalmente, os processos de biorremediação podem levar mais tempo que os processos físico-químicos convencionais.

Referências

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  4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY e Schoeder, D. (1999). Princípios de recuperação biológica. McGraw-Hill Interamerican da Espanha, Madri. 296.
  5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA e Brock, T. (2015). Biologia de Brock de microrganismos. 14 ed. Benjamin Cummings pp 1041.
  6. McKinney, RE (2004). Microbiologia de Controle de Poluição Ambiental. M. Dekker pp 453.
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