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

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Apresentação em tema: "Manejo microbiano visando a biorremediação Admir Giachini Departamento de Microbiologia - UFSC."— Transcrição da apresentação:

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

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

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

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

5 Produção de biomassa microbiana Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas) Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas) Identificar áreas com potenciais candidatos Identificar áreas com potenciais candidatos Isolar os candidatos Isolar os candidatos Testar os candidatos em condições controladas Testar os candidatos em condições controladas Testar os candidatos no campo Testar os candidatos no campo Incrementar a biomassa do inoculante selecionado Incrementar a biomassa do inoculante selecionado Determinar a forma de veiculação do inoculante Determinar a forma de veiculação do inoculante Testar o inoculante veiculado e determinar os efeitos Testar o inoculante veiculado e determinar os efeitos

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11 Produção de biomassa microbiana Produção de inoculantes agrícolas e florestais (micorrizas) 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. 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 Interação (antagonismo) com populações de pragas e doenças Interações com plantas do solo (efeito rizosférico) Interações com plantas do solo (efeito rizosférico)

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

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

15 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 Produção de enzimas microbianas

16 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) Produção de enzimas microbianas

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18 Phanerochaete chrysosporium Pleurotus ostreatus Fomitopsis pinicola

19 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 Biotransformação

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

21 Biorremediação Biorremediação Estratégia ou processo que usa microrganismos, plantas, ou então enzimas destes para detoxificar contaminantes do solo e/ou outros ambientes 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 Biotransformação

22 Biorremediação Biorremediação Bioestimulação: adição de nutrientes (N, P, etc.) para estimular populações autóctones de microrganismos Bioestimulação: adição de nutrientes (N, P, etc.) para estimular populações autóctones de microrganismos Bioaeração: gases (O 2, CH 4 ) passivamente adicionados ao substrato a fim de estimular a atividade microbiana Bioaeração: gases (O 2, CH 4 ) 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 Bioaumentação: inoculação de microrganismos mais propensos à transformação de certo elemento no local onde se encontra o contaminante Biotransformação

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

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

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26 Biorremediação: bioestimulação Biorremediação: bioestimulação Exxon Valdez (1989) Exxon Valdez (1989) Óleo: alto C e baixo N e P Óleo: alto C e baixo N e P Adição de uma microemulsão: Inipol EAP22 TM (N/P/K = 7,3/0,8/0) Adição de uma microemulsão: Inipol EAP22 TM (N/P/K = 7,3/0,8/0) Fonte de N = uréia Fonte de N = uréia Emulsão aquecida a 90 C para ser distribuída no óleo Emulsão aquecida a 90 C para ser distribuída no óleo Adição de 300 mL/m 2 Adição de 300 mL/m 2 Biotransformação

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

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29 Biorremediação: bioaeração e bioestimulação Biorremediação: bioaeração e bioestimulação Savannah River, Aiken SC (USA) Savannah River, Aiken SC (USA) Solo/água contaminados com perc- ou tetracloroetileno (PCE) de indústrias têxteis ou dry cleaners Solo/água contaminados com perc- ou tetracloroetileno (PCE) de indústrias têxteis ou dry cleaners 1% de CH 4 injetado em poços 1% de CH 4 injetado em poços Metanotróficos aumentados em várias ordens de magnitude Metanotróficos aumentados em várias ordens de magnitude Sub-superfície: aeróbia Sub-superfície: aeróbia Metanotróficos aumentam áreas de anaerobiose: anaerobiose promove declorinação de PCE a TCE, o qual pode, então, ser oxidado por metanotróficos Metanotróficos aumentam áreas de anaerobiose: anaerobiose promove declorinação de PCE a TCE, o qual pode, então, ser oxidado por metanotróficos Biotransformação

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

32 Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming St. Gabriel, LO (USA) St. Gabriel, LO (USA) Ciba-Geigy: m 3 de solo (em 8 ha) contaminados com atrazina (herbicida do grupo das triazinas que age por se ligar a proteínas no fotossistema II) Ciba-Geigy: m 3 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 Biorremediação: bioestimulação, bioaumentação e landfarming St. Gabriel, LO (USA) St. Gabriel, LO (USA) Landfarming 4 vezes / semana Landfarming 4 vezes / semana Bioestimulação via 880 kg de fertilizante/ha (N-P-K: ) Bioestimulação via 880 kg de fertilizante/ha (N-P-K: ) Bioaumentação: 2000 L de mistura contendo um consórcio de Pseudomonas spp. Bioaumentação: 2000 L de mistura contendo um consórcio de Pseudomonas spp. Concentração inicial de atrazina: 100 mg/kg de solo 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) Concentração de atrazina 20 semanas após início do tratamento: abaixo do recomendado (10 mg/kg de solo) Biotransformação

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

36 Tratamento de efluentes ou rejeitos (domésticos ou agrícolas) Tratamento de efluentes ou rejeitos (domésticos ou agrícolas) UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Digeston UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Digeston Usa metanogênicos na degradação Usa metanogênicos na degradação Forma pellets (biofilmes) de microrganismos anaeróbios degradadores da MO Forma pellets (biofilmes) de microrganismos anaeróbios degradadores da MO A manta atinge maturidade aos 3 meses A manta atinge maturidade aos 3 meses Necessidade de inoculação com microrganismos alóctones Necessidade de inoculação com microrganismos alóctones Produção de biogás (CH 4 ) Produção de biogás (CH 4 ) Biotransformação

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40 Fundo do painel em mm quadriculados e as setas vermelhas indicam locais de saída do CH 4

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42 Cinética de crescimentoCinética da remoção de substrato Lodos Ativados digestor anaeróbio


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