Biodegradação do Petróleo Faculdade de Viçosa - FDV Engenharia Ambiental Biodegradação do Petróleo DEA 230 – Microbiologia e Bioquímica Aplicadas Professora: Narah Vitarelli

O que é Petróleo? Petróleo (do latim petroleum: petrus = pedra e oleum = óleo combinação complexa de hidrocarbonetos (carbono + hidrogênio), composta na sua maioria de hidrocarbonetos alifáticos, alicíclicos e aromáticos, podendo conter também quantidades pequenas de nitrogênio, oxigênio, compostos de enxofre e íons metálicos É a principal fonte de energia utilizada pelo homem, porém não é renovável derivados do petróleo: querosene, óleos combustíveis, óleos lubrificantes, óleo diesel, combustível para avião, parafina, ...

Sedimentos do carbonífero Petróleo - origem Sedimentos do carbonífero

Petróleo e Meio Ambiente Um dos maiores desastres ecológicos mundiais Contaminação das águas Fauna marinha ameaçada Difícil degradação!!!

Desastre de 2010: plataforma Deepwater Horizon (Golfo do México) 20 de abril: explosão da plataforma 25 de abril: imagem de satélite do derramamento de petróleo

Consequências do derramamento de petróleo:

Tentando amenizar o problema ...

Tentando amenizar o problema ...

Biodegradação do Petróleo A solução (se é que assim podemos dizer) mais eficiente é ... Biodegradação do Petróleo

Biodegradação do Petróleo Capacidade de certos microrganismos de utilizar hidrocarbonetos como fonte de energia (fonte de carbono) Na déc. 60 ocorreram 3 incidentes ambientais com petróleo (naufrágio do tanque Torrey Canyon; Santa Bárbara e Flórida) -> colocaram a poluição ambiental por vazamento de petróleo no foco do mundo o petróleo pode ser eliminado do meio por evaporação, queima ou biodegradação, porém outros compostos são recalcitrantes. a biodegradação completa do petróleo consiste na quebra dos hidrocarbonetos tendo como produtos finais CO2 + H2O.

BTEX: Benzeno, Tolueno, Etilbenzenos e Xilenos N-alcanos Metano BTEX: Benzeno, Tolueno, Etilbenzenos e Xilenos Hidrocarbonetos do petróleo HPAs: Hidrocarbonetos Policíclicos, Aromáticos A maioria das moléculas é composta por C e H, podendo ocorrer S e N

Quais são os microrganismos capazes de degradar o petróleo?

Há uma grande diversidade de microrganismos capazes de utilizar hidrocarbonetos como fonte de energia (fonte de carbono) A maioria são mesofílicos. Porém alguns foram encontrados em ambientes extremos (Ártico e Antártico), poucos em ecossistemas com altas temperaturas (temperatura máxima de biodegradação 60°C, ex: deserto do Kuwait) quem são: Maioria bactérias, porém fungos, cianobactérias, algas e protozoários também são degradadores de hidrocarbonetos do petróleo a degradação de hidrocarbonetos -> CO2 envolve reação de oxidação, portanto: ↑ microrganismos aeróbios (há lenta degradação anaeróbia)

Atenção: os produtos parcialmente oxidados podem ser mais tóxicos do que os hidrocarbonetos -> pode ocorrer aumento temporário da toxicidade no processo de biodegradação

Cicloalcanos (naftenos) Biodegradação da fração saturada N-alcanos alcanos ramificados Cicloalcanos (naftenos) Biodegradação da fração saturada n-alcanos são os mais facilmente degradados (foi demonstrada biodegradação até n-C44) degradação: ataque terminal -> ác. Carboxílico -> β-oxidação -> ác. graxos -> CO2 ác. graxos tóxicos podem se acumular

os cicloalcanos são particularmente resistentes à biodegradação presença de grupo metil aumentam a resistência dos hidrocarbonetos ao ataque microbiano os cicloalcanos são particularmente resistentes à biodegradação compostos alicíclicos são mais persistentes na natureza Estruturas com no máximo 6 anéis condensados podem ser degradadas

HPAs: Hidrocarbonetos Policíclicos, Aromáticos 1 a 3 anéis são degradados facilmente, há microrganismos capazes de degradar até 5 anéis Biodegradação da fração aromática cianobactérias são capazes de oxidar o naftaleno em presença de luz apenas importante em ecossistemas aquáticos (marinho ou doce), já que o petróleo espalha-se superficialmente, porém... petróleo impede completamente a passagem de luz

Microrganismos degradadores de hidrocarbonetos microrganismos são capazes de metabolizar número limitado de hidrocarbonetos -> é requerida uma mistura de populações com capacidade enzimática ampliada para degradação de complexos de hidrocarbonetos do petróleo no solo, água doce e mar

Microrganismos degradadores de hidrocarbonetos Ecossistemas: 22 bactérias Aquático 1 alga 14 fungos Capacidade de degradação dos microrganismos dependem das condições ambientais 22 bactérias Solo 31 fungos 25 bactérias Marinho 27 fungos Espécies de protozoários podem transformar n-alcanos

Biodegradação no ambiente marinho Principal componente dos derrames: óleo cru ou petróleo bruto (carga principal de grandes cargueiros) Após o derrame no mar: hidrocarbonetos começam a ser transformados por fatores físicos, químicos e biológicos Grau do dano ambiental depende: localização do derrame, tipo de óleo e quantidade Derrames catastróficos: ocorrem em regiões costeiras, afetando o ecossistema marinho e litorâneo

1: óleo se espalha pela superfície da água 2: evaporação dos componentes voláteis 3: componentes solúveis em água se dissolvem no oceano 4: luz do sol pode oxidar moléculas, podendo até levar a uma degradação completa liberando CO2 e H2O.

Derrames em regiões costeiras Poluição da região litorânea petróleo em contato com o sedimento: reações complexas -> compostos aromáticos ficam mais protegidos, ↓ degradação

substância capaz de alterar as propriedades superficiais de um líquido Ação de Surfactantes substância capaz de alterar as propriedades superficiais de um líquido Aplicações: detergência, emulsificação, capacidade espumante, solubilização. Desempenham papel importante na remediação in situ: permitem maior solubilização dos componentes do petróleo, aumentando a área de superfície e consequentemente permitem maior contato dos microrganismos com o substrato Muitos microrganismos são produtores de surfactantes (biosurfactantes) -> amplamente utilizados na limpeza de tanques-reservatórios de petróleo

Efeito dos fatores físicos e químicos na biodegradação Temperatura A biodegradação pode ocorrer numa faixa grande de 0° a 70°C Em baixa temperatura: ↑ vicosidade ↓ Degradação ↓ volatilização ↓ atividade enzimática A biodegradação máxima de hidrocarbonetos de 30° a 40°C Porém varia com a composição do hidrocarboneto

Efeito dos fatores físicos e químicos na biodegradação Nutrientes Hidrocarbonetos são fonte de carbono para os microrganismos Há necessidade de outros nutrientes como N e P em grande quantidade e micronutrientes em menor quantidade (S, Fe, Mg, Ca e K) Nutrientes podem ser adicionados ao meio como forma de estimular a biodegradação Solo ajuste no balanço C/N/P é feito pela adição de fertilizantes cuidados para não dissipar nutrientes na interface óleo-água: Água 1. encapsulamento do fertilizante em matriz com lenta liberação 2. Utilizar fertilizantes oleofílicos. Ex: uréia parafinada

Efeito dos fatores físicos e químicos na biodegradação pH solo: varia de 2,5 a 11 a maioria das bactérias e fungos se desenvolvem melhor em pH neutro Com a correção do pH do solo pode-se obter o dobro da taxa de biodegradação

Efeito do derrame na comunidade microbiana a presença de hidrocarbonetos pode resultar num aumento ou redução da população microbiana O efeito dependerá da composição química do óleo pode ocorrer: enriquecimento primário de microrganismos que usam hidrocarbonetos -> enriquecimento de microrganismos que usam os produtos liberados pelos primeiros Pode haver redução de microrganismos em contato com componentes tóxicos do petróleo (ex: tolueno e fenol são usados como desinfetantes) alguns microrganismos têm comportamento neutro

Estratégias de Remediação Ecossistemas Aquáticos 1. Coleta física do material

Estratégias de Remediação Ecossistemas Aquáticos 2. Uso de dispersantes químicos + catalisadores de fotoxidação Veja: “dispersores químicos são armas poderosas contra o vazamento de petróleo” Scientiphic America - Brasil: “dispersores químicos aumentam a toxicidade do petróleo derramado”

Estratégias de Remediação Ecossistemas Aquáticos 3. Barreiras Físicas + queima do óleo in situ

Estratégias de Biorremediação Ecossistemas Aquáticos Há diversas patentes e mais de 40 companhias oferecem produtos e serviços de biorremediação O princípio é o mesmo: estimular a biorremediação via adição de nutrientes (N e P) Outro método: introdução de microrganismos exógenos (isolados naturalmente ou manipulados geneticamente)

4. Biorremediação – estudo de caso no Alaska em 1989 “A maré Negra do Exxon Valdez” O navio petroleiro Exxon Valdez despejou na costa do Alaska nada menos que 257.000 a 750.000 barris 250.000 aves marinhas 2.800 lontras 250 águias 22 orcas

4. Biorremediação – estudo de caso no Alaska em 1989 Métodos de biorremediação usando adição de fertilizantes: fertilizante de liberação lenta fertilizante oleofílico Inipol EAP22 (microemulsão estável, consistindo de matriz de uréia coberta por ác. Oléico) fertilizante solúvel 2-3 semana após aplicação dos fertilizantes observou-se maior limpeza do ambiente O uso de fertilizantes acelerou o processo de limpeza fertilizantes estimularam de 3 a 4 vezes a biorremediação

4. Biorremediação – estudo de caso no Alaska em 1989 Métodos de biorremediação usando adição de microrganismos exógenos: linhagens microbianas, desenvolvidas por C. Oppenheimer, foram utilizadas para a descontaminação em mar aberto Esses microrganismos utilizaram uma ampla variedade de hidrocarbonetos em seu metabolismo

Estratégias de Biorremediação Ecossistemas Terrestres Fonte de contaminação principal: fundo dos tanques-reservatórios e das unidades de tratamento Nos EUA há 2 milhões de tanques subterrâneos para armazenamento de gasolina e 90.000 deles oferecem risco Refinaria Gabriel Passos (Betim, MG): capacidade 150.000 barris/dia

Estratégias de Biorremediação Ecossistemas Terrestres Refinaria Gabriel Passos (Betim, MG): estudo constatou contaminação do solo, subsolo e lençol freático devido a falta de correta impermeabilização dos tanques

Estratégias de Biorremediação Ecossistemas Terrestres Métodos de biorremediação: 1. Landfarming consiste na dispersão de resíduos do solo e utilização de microrganismos na biorremediação Revolvimento do solo para que os contaminantes estejam em contato com a “fase fértil” do solo (parte orgânica). Experimento mostrou maior eficiência em: umidade 30-90%; pH de 7,5-7,8; temperatura > 20°C. 2. Compostagem Adição de material orgânico -> estímulo desenvolvimento microbiano Materiais adicionados: palha, grama, folhas, bagaço de cana, serragem, esterco.

Estratégias de Biorremediação Ecossistemas Terrestres Fitorremediação: Rizosfera estimulando o crescimento de microrganismos in situ Plantas resistentes à presença de óleos devem ser cultivadas nas regiões poluídas A população microbiana presente é dependente do tipo de raiz, idade da planta e tipo de solo Como as plantas atuam? Absorção direta dos contaminantes do solo e acúmulo Liberação de exsudados e enzimas que estimulam a atividade microbiana Aumento da mineralização na rizosfera

Obrigada