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

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)

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

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

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

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)

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

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

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

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)

Fomitopsis pinicola Phanerochaete chrysosporium Pleurotus ostreatus

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

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

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

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

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

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

Biotransformação 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 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.)

2001

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

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)

Biotransformação 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 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 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 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)

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

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