fitorremediação: avaliação do potencial recuperação de solos

FITORREMEDIAÇÃO: AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE RECUPERAÇÃO EM
SOLOS CONTAMINADOS COM METAIS PESADOS
Tamires Carvalho dos Santos1, Devson Paulo Palma Gomes1, Clissiane Soares
Viana Pacheco1, Alexsandra Nascimento Ferreira 2, Marcelo Franco3
1. Graduando em Engenharia Ambiental
2. Graduando em Licenciatura em Química.
3. Prof. D.Sc. do Departamento de Estudos Básicos e Instrumentais
([email protected])
Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia
Praça Primavera, 40, Campus de Itapetinga, BA, Brasil.
Data de recebimento: 02/05/2011 - Data de aprovação: 31/05/2011
RESUMO
A preocupação em relação ao meio ambiente evoluiu ao longo dos anos, sendo um
dos fatores a aplicação de técnicas tradicionais inadequadas ao manejo do solo.
Neste contexto surgem as chamadas Tecnologias Inovativas de Tratamentos (ITT’s)
entre as quais se destaca a fitorremediação que consiste na utilização de espécies
vegetais para remedição de solos, sedimentos e sistemas aquáticos. Esta técnica
pode ser utilizada para remoção de metais pesados, elementos de grande toxicidade
e bioacumulativos, o que pode trazer problemas de saúde nos níveis superiores da
cadeia alimentar como o ser humano. As vantagens da fitorremediação residem em:
custo inferior as técnicas tradicionais, facilidade em monitorar as plantas em relação
a microorganismos (mudou com a nova regra do hífen), etc. Já suas desvantagens
advêm da possibilidade das plantas utilizadas se tornarem plantas daninhas, e da
influência do clima e das condições edáficas no crescimento das plantas na área,
entre outras. Desta maneira é preciso um maior estudo em relação à utilização da
técnica mediante e uma ação conjunta de profissionais e com isso identificar o
melhor método para remedição (remediação) e recuperação de cada tipo de solo.
PALAVRAS-CHAVE: Meio Ambiente, Sustentabilidade Ambiental, Biorremediação.
ABSTRACT
Concern about the environment has evolved over the years, being one of the factors
to apply traditional techniques to inadequate soil management. Arise in this context
calls for Innovative Treatment Technologies (ITT's) among which stands out that
phytoremediation is the use of plant species for remediation of soils, sediments and
aquatic systems. This technique can be used to remove heavy metals, major
elements of toxic and bioaccumulative, which can bring health problems in the upper
levels of the food chain to humans. The advantages of living in phytoremediation: the
lower cost than traditional techniques, ease of monitoring plants for microorganisms,
etc. Since its drawbacks arise from the possibility of the plants used to become
weeds, and the influence of climate and soil conditions on plant growth in the area,
among others. Thus we need a larger study on the use of this technique and a joint
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professional and thus identify the best method for remediation and recovery of each
type of soil.
KEYWORDS: Environment, Environmental Sustainability, Bioremediation
INTRODUÇÃO
A preocupação com o meio ambiente evoluiu ao longo dos anos e parte disso
foi em função da aplicação de técnicas tradicionais inadequadas de manejo do solo.
Com isso surgiram Tecnologias Inovativas de Tratamentos (ITT´s) que visam a
descontaminação de solos e águas subterrâneas e contempla, em suas formas mais
variadas, a utilização de Biorremediação. A contaminação de solos esta ligada, em
sua grande maioria a atividades antropogênicas relacionadas à má disposição de
resíduos originados do ciclo de processos industriais, representam um problema
ambiental.
Na recuperação de áreas degradadas, a revegetação apresenta vantagens,
devido a sua natureza permanente, combinada aos baixos custos de manutenção,
proteção contra erosão eólica e hídrica, melhoria da estrutura do solo, aumento da
fertilidade do solo e recuperação estética da área (ACCIOLY & SIQUEIRA, 2000).
Grandes esforços têm sido feitos para integrar conhecimentos que facilitem a
reabilitação de solos poluídos ou contaminados com metais pesados, e assim,
possibilitar o retorno da funcionabilidade e estabilidade do ecossistema
(CUNNINGHAM, 1996). Técnicas de recuperação de solos poluídos por metais
pesados, como escavação e substituição do solo ou tratamento químico ex situ, têm
sido eficazes em pequenas áreas (MULLIGAN et al., 2001). Essas técnicas agridem
mais o meio ambiente e são relativamente mais caras que a fitorremediação.
O gerenciamento de áreas contaminadas requer procedimentos relacionados
à investigação, à análise de risco, as regulamentações e ações como remediação,
contenção ou remoção do meio contaminado. As técnicas de remediação são
variáveis, conforme a matriz contaminada, a natureza do contaminante, o nível de
contaminação e a disponibilidade de recursos. Muitas destas tecnologias já são
amplamente difundidas e utilizadas na remediação de solos, sedimentos, águas
subterrâneas e superficiais, atmosfera e resíduos contaminados. Novas tecnologias
estão sendo investigadas e entre estas, destaca-se a fitorremediação, a qual baseiase na utilização de plantas como ferramenta principal. A técnica é complexa, por
compreender um sistema vegetal dependente de vários fatores como por exemplo,
adaptabilidade às condições edafoclimáticas locais, espécies de plantas adaptadas
e a própria natureza e nível de contaminação da área (MONTEIRO, 2005).
A utilização da fitorremediação é baseada na seletividade, natural ou
desenvolvida, que algumas espécies exibem a determinados tipos de compostos ou
mecanismos de ação. Esse fato é de ocorrência comum em espécies agrícolas e
daninhas, tolerantes a certos herbicidas. A seletividade deve-se ao fato de que os
compostos orgânicos podem ser translocados para outros tecidos da planta e
subseqüentemente volatilizados; podem ainda sofrer parcial ou completa
degradação ou ser transformados em compostos menos tóxicos, especialmente
menos fitotóxicos, combinados e/ou ligados a tecidos das plantas
(compartimentalização) (ACCIOLY & SIQUEIRA, 2000; SCRAMIN et al., 2001).
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O objetivo deste trabalho é descrever o processo de fitorremediação em solos
contaminados com metais pesados, expor características os principais potenciais e
limitações do processo, bem como a perspectiva atual desta tecnologia.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DA MATRIZ DO SOLO.
O solo é uma matriz complexa que envolve diversos materiais, minerais e
orgânicos, resultantes das interações de fatores de formação através do tempo
(clima, organismos vivos, rochas de origem e relevo) (BECK et al., 2000).
A matriz solo consiste em quatro componentes principais: substâncias
minerais, matéria orgânica, água e ar, que encontram-se geralmente em estado
adiantado de subdivisão e tão intimamente misturados que se torna sobremodo
difícil uma separação satisfatória. Os solos podem ser classificados de acordo com a
distribuição e quantidades das frações granulométricas, conforme o diâmetro das
partículas: areia (2 a 0,05 mm), silte (0,05 a 0,002 mm) e argila (<0,002 mm). Os
solos são também classificados como minerais ou orgânicos. Solos minerais
(inorgânicos) são aqueles que, nas camadas superficiais, o teor de matéria orgânica
é comparativamente reduzido, variando geralmente de um a 10 por cento. Solos
orgânicos ou turfosos podem apresentar quantidades acima de 80% de matéria
orgânica e são encontrados apenas em regiões particulares onde houve
favorecimento para sua formação. Os solos minerais assumem maior importância do
que os orgânicos por ocuparem elevada proporção de área total da terra (MEURER,
2004). Um solo mineral típico abriga uma variada população de organismos vivos.
Em campo, o escalonamento completo em tamanhos, desde minhocas e insetos às
bactérias e microrganismos diversificados, ocorre comumente nos solos normais
(BRADY, 1979).
Segundo MEURER (2004), a maior reatividade da matéria orgânica do solo
(MOS), em comparação com os minerais, também se deve à grande área superficial
específica (ASE – área disponível para que ocorram reações químicas), a qual pode
chegar a 900 m2g-1, e uma alta carga de superfície. Ao contrário dos argilominerais,
que podem apresentar cargas negativas permanentes ou dependentes de pH, a
MOS apresenta somente cargas dependentes do pH e 23 predominantemente
negativas na faixa de pH dos solos (4,0 a 6,0), essa característica contribui para o
comportamento do solo como um todo. Algumas das principais reações em que a
MOS tem papel fundamental são: troca de cátions, complexação de metais, poder
de tamponamento da acidez, interação com argilominerais e reações com outras
moléculas orgânicas adicionadas ao solo pela ação do homem como herbicidas,
inseticidas, rejeitos industriais e urbanos, resíduos petroquímicos, etc. A dinâmica no
solo e os mecanismos dessas interações dependem das propriedades físicas e
químicas das moléculas envolvidas, do pH, da temperatura, do potencial redox, da
umidade, entre outras. As interações do solo com o poluente são importantes porque
controlam sua persistência, velocidade de degradação, toxicidade, mobilidade e sua
disponibilidade para organismos vivos.
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METAIS PESADOS NO SOLO
Dentre as propriedades características do solo que afetam a retenção e
mobilidade de metais pesados, estão o potencial hidrogeniônico (pH), capacidade de
troca catiônica (CTC), quantidade de matéria orgânica, quantidade e tipo de minerais
na fração argila (argilas silicatadas e óxidos) e competição iônica.Os solos podem
ainda apresentar uma extensa variedade de sítios de adsorção, com várias
propriedades de ligação e enorme quantidade de complexos não iônicos e aquoiônicos, com elevada capacidade de realizarem adsorção e até participarem dos
processos de precipitação dos metais (MATOS et al., 1995).
A complexidade de todas as reações possíveis no sistema heterogêneo
natural do solo necessita de uma grande quantidade de dados para uma apropriada
predição das conseqüências ecológicas da poluição do solo com metais pesados.
Os teores médios e alguns níveis de referência de qualidade ambiental de Mn, Pb,
Cd, Cr, Cu, Ni e Zn encontrados em solos nas literaturas internacionais encontramse relacionados na TABELA 1.
Conforme SPARKS (2003), as fontes de origem dos elementos-traço são
principalmente as rochas ou outras formas naturais; também podem contribuir o
enriquecimento dos teores nos solos, os fertilizantes, materiais calcários,
biossólidos, águas de irrigação, resíduos da combustão de carvão mineral, emissões
de indústrias metalúrgicas e veículos. Outras atividades extrativistas podem esta
ligada na poluição ou enriquecimentos de metais pesados no solo, como a
agropecuária, caracterizada pelo uso intensivo de agroquímicos, poluentes
atmosféricos, materiais tóxicos e radioativos mal alocados.
TABELA 1. Faixas e teores totais médios de referências de alguns metais
pesados em solos.
Concentração
Metais (mg.kg-1)
Faixa normal
Teor médio
máxima
Cd
0,05-1,4
0,01-7
1,5
Cr
10-1800
5-1000
100
Cu
2-250
2-100
60
Ni
2-2000
10-1000
25
Mn
-
200-2000
-
Pb
1-80
2-200
100
Zn
16-110
10-300
200
FONTE: Adaptado de Andrade (2008).
Os metais pesados são elementos de grande toxicidade para o homem, pois
poluem os ecossistemas, entram na cadeia alimentar, tendo a sua concentração
aumentada à medida que avançam os níveis tróficos, causando desta forma
malefícios à saúde humana. Os metais pesados podem atuar como fator limitante ao
estabelecimento de plantas em solos contaminados. (COSTA et al., 2006).
A FITORREMEDIAÇÃO E SEUS PRINCÍPIOS.
Uma vez que a biomassa vegetal representa 99% da massa viva do planeta,
é natural que as plantas estejam envolvidas em numerosos processos que têm
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relação íntima com o destino de resíduos químicos despejados no ambiente
(MORENO & CORSEUIL, 2001).
A taxa de absorção de metais tóxicos no solo pelas raízes de plantas
terrestres é tipicamente baixa, entretanto, algumas espécies apresentam capacidade
de hiperacumular alguns elementos tóxicos. A tolerância a metais pesados tem sido
relacionada com a capacidade dos organismos em sintetizar peptídeos de baixo
peso molecular, ricos em enxofre, que participariam na complexação desses metais
(SCHMÖGER et al., 2000, HARTLEY- WHITAKER, 2001).
Segundo SCHNOOR et al. (1995) não esta na lista de referencias o termo
fitorremediação é utilizado para englobar todos os processos envolvidos na
remediação de solos, sedimentos e sistemas de aqüíferos contaminados por meio
da seleção e utilização de espécies vegetais.
A fitorremediação pode ser usada em solos contaminados com substâncias
orgânicas ou inorgânicas, como metais pesados, elementos contaminantes,
hidrocarbonetos de petróleo, agrotóxicos, explosivos, solventes clorados e
subprodutos tóxicos da indústria (CUNNINGHAM et al., 1996).
De acordo MONTEIRO (2008) a aplicação da fitorremediação é classificada
conforme o destino do contaminante (Figura 1): degradação, extração, contenção ou
uma combinação dos mesmos e nos mecanismos envolvidos. Os mecanismos
incluem a extração do contaminante do solo ou da água subterrânea, a
concentração dos contaminantes nos tecidos vegetais, a degradação do
contaminante por vários processos bióticos ou abióticos, a volatilização ou
transpiração de contaminantes voláteis das plantas para a atmosfera, a imobilização
dos contaminantes na área do sistema radicular, o controle hidráulico de água
subterrânea contaminada, o controle do escoamento superficial, da erosão e
infiltração através da cobertura vegetal.
FIGURA 1: Mecanismos envolvidos no processo de Fitorremediação.
FONTE: Cunningham et al., 1995.
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Os mecanismos que envolvem o processo de fitorremediação, a ação sobre
os compostos poluentes pode ser direta da planta com remoção ou captura dos
contaminantes seguido de degradação (fitoextração in planta), ou ex planta, onde as
raízes da planta podem liberar compostos que estimulem a atividade microbiana na
rizosfera (SALT et al., 1998). As raízes promovem fonte de carbono adicional à
microflora do solo e, além disso, também promovem aumento na disponibilidade de
oxigênio através de seus canais (SCHWAB, 2006).
O bom funcionamento da técnica envolve um nível de complexidade para os
processos de remediação, já que as plantas representam um sistema biológico
extremamente complexo com suas próprias características e limitações. As
principais considerações na avaliação do uso de plantas como tecnologia de
remediação de uma área seriam o tipo de matriz contaminada, a natureza e
concentração do contaminante e o potencial efetivo para o crescimento e
desenvolvimento adequado das plantas. Todos os fatores necessitam ser avaliados
e as limitações das plantas devem ser compensadas através das práticas agrícolas
utilizadas no cultivo de espécies comerciais importadas para a aplicação da
tecnologia de fitorremediação. (MONTEIRO, 2005)
PROCESSOS DE FITORREMEDIAÇÃO EM SOLOS CONTAMINADOS
Plantas tolerantes a concentrações de metais pesados são de interesse
particular à ciência, pois representam modelos geneticamente selecionados, os
quais podem ser utilizados em processos de fitorremediação. Esse processo
consiste na utilização de plantas para estabilizar, colher ou mudar quimicamente os
contaminantes para formas não perigosas podendo ser efetuado com custos
financeiros e ambientais menores do que os métodos convencionais (COSTA et al.,
2006).
A remediação do solo contaminado com metais através do uso de plantas,
inicialmente, só poderá ser efetiva caso estes elementos sejam absorvidos. Para
que haja absorção os metais devem estar biodisponíveis na solução do solo
seguindo o mesmo processo de absorção de nutrientes. Desta forma, um adequado
teor de umidade faz-se necessário não apenas para atender as demandas hídricas
da planta, mas também para que a solução do solo disponibilize íons essenciais à
nutrição. A diferença do potencial hídrico no solo permite a movimentação de água
no perfil e, com isso, o transporte de solutos até a zona radicular para posterior
absorção. Logo, o fluxo de massa segue o fluxo transpiracional constituindo o
sistema solo-planta-atmosfera (MONTEIRO, 2005).
O QUADRO 1. apresenta alguns dos mecanismos de fitorremediação
empregados no solo, bem como os principais meios e plantas utilizadas em cada
processo .
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QUADRO 1 - Tecnologias e Processos de Fitorremediação
Mecanismo
Meta do processo
Meios
Contaminantes
Tipos de
plantas
Fitoextração
Captura e
extração do
contaminante
Solo,
Sedimento e
Lodos
Metais: Ag, Cd,
Co, Cr, Cu, Hg,
Mn, Mo, Ni, Pb,
Zn.
Radionuclídeos:
90Sr, 137Cs,
239Pu, 234,
238U
Fitoestabilização
Contenção do
Contaminante
Solo,
Sedimento e
Lodos
As, Cd,, Cr, Cu,
Hg, Pb, Zn
Fitodegradação
Destruição do
contaminante
Solo,
Sedimento e
Lodos e Águas
de superfície e
subterrâneas
Compostos
orgânicos,
solventes
clorados,
fenóis,
herbicidas
Algas,
álamo
aquático,
cipreste
Fitovolatilização
Extração do
contaminante
do meio e
libera-o ao ar
Águas
subterrâneas,
Solo,
Sedimento e
Lodos
Solventes
clorados,
alguns
inorgânicos
(Se, Hg e As)
Álamos,
alfafa
preta,
mostarda
indiana
Cobertura Vegetal
(Evapotranspiração)
Contenção do
Contaminante,
controle de
erosão
Solo,
Sedimento e
Lodos
Compostos
orgânicos
e inorgânicos
Álamos,
gramas
Mostarda
da índia,
girassol,
álamos,
etc.
Mostarda
da índia,
álamos
aquáticos,
gramas,
etc
FONTE: U.S.EPA, 2000.
POTENCIALIDADES E OBSTÁCULOS DA FITORREMEDIAÇÃO EM SOLOS
CONTAMINADOS COM METAIS PESADOS
A fitorremediação apresenta elevado potencial de utilização, devido às
vantagens que apresenta em relação às outras técnicas de remediação de
contaminantes do solo. Com base nos relatos de CUNNINGHAM et al. (1996) e
essas vantagens são:
•
•
custo inferior em relação às técnicas tradicionalmente utilizadas envolvendo a
remoção do solo, essa é uma das principais vantagens da fitorremediação;
compostos orgânicos podem ser degradados a CO 2 e H2O, removendo toda a
fonte de contaminação, não havendo, a necessidade de retirada das plantas
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•
•
•
•
•
•
•
•
fitorremediadoras da área contaminada. Situação esta não válida para metais
pesados;
plantas são mais fáceis de ser monitoradas do que microrganismos, por
exemplo;
propriedades biológicas e físicas do solo são mantidas e, não raro, até
melhoradas;
incorporação de matéria orgânica ao solo, quando não há necessidade de
retirada das plantas fitorremediadoras da área contaminada;
fixação de nitrogênio atmosférico, no caso de leguminosas;
plantas auxiliam no controle da erosão, de processos eólico e hídrico,
evitando assim o carreamento de contaminantes com a água e com o solo e,
por conseguinte, reduzem a possibilidade de contaminação de lagos e rios;
redução do movimento descendente de água contaminada de camadas
superficiais do solo para o lençol freático;
plantas são mais favoráveis, esteticamente, do que qualquer outra técnica de
biorremediação e podem ser implementadas com mínimo distúrbio ambiental,
evitando escavações e tráfego pesado;
utilização de energia solar para realização do processo e tem alta
probabilidade de aceitação pública.
Contudo a fitorremediação não um sistema perfeito assim não é aplicável em
todos os tipos de clima, condições topográficas, dentre outros fatores. As limitações
da fitorremediação de compostos orgânicos em geral e de agrotóxicos, relatadas por
Macek et al. (2000), são:
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•
•
dificuldade na seleção de plantas para fitorremediação; tempo de obtenção de
uma despoluição satisfatória pode ser longo (usualmente mais de uma
estação de crescimento);
o contaminante deve estar dentro da zona de alcance do sistema radicular;
clima e condições edáficas podem restringir o crescimento de plantas
fitorremediadoras;
elevados níveis do contaminante no solo podem impedir a introdução de
plantas no sítio contaminado;
pode causar a contaminação da cadeia alimentar;
necessita disposição da biomassa vegetal, quando ocorre a fitoextração de
poluentes não-metabolizáveis ou metabolizados a compostos também
tóxicos;
possibilidade de a planta fitorremediadora tornar-se planta daninha; e
pode-se necessitar de melhoria nas condições do solo, incluindo a quelação
do contaminante para facilitar sua absorção pelas plantas, causado pela
quebra de pontes de ligação com partículas do solo.
Apesar das limitações, os benefícios apresentados pela fitorremediação a
tornam uma técnica promissora. Contudo, ela requer ação conjunta de profissionais
de diversas áreas, no intuito de identificar espécies capazes de atuar na
descontaminação de solos, principalmente em condições edafoclimáticas brasileiras.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
A preferência às técnicas de descontaminação in situ, como é o caso da
fitorremediação, se dá pela menor alteração ao meio ambiente, outros aspectos são
favoráveis à aplicação deste método, como o custo investimento inicial e de
operação, espaço a ser tratado, tempo de tratamento final, aceitação pública entre
outros benefícios relacionados ao método. Apesar de existirem limitações, os
benefícios apresentados pela fitorremediação a tornam uma técnica promissora.
Contudo, ela requer ação conjunta de profissionais de diversas áreas, no intuito de
identificar a melhor metodologia a ser seguida na descontaminação de solos.
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