remediação de águas contaminadas com metais - PUC

Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
25 e 26 de setembro de 2012
REMEDIAÇÃO DE ÁGUAS CONTAMINADAS COM METAIS
UTILIZANDO BIOSURFACTANTES
Cristina Silva da Silva
Pontifícia Universidade Católica de Campinas
CEATEC
[email protected]
Resumo: Biossurfactantes são compostos de origem
microbiana com alta atividade superficial, o que, a
exemplo dos surfactantes sintéticos, lhes confere
aplicações
em
diversas
áreas.
Além
de
apresentarem propriedades semelhantes a de vários
surfactantes sintéticos, os biossurfactantes possuem
baixa toxicidade e alta biodegrabilidade.
Este
trabalho visa avaliar a possibilidade de se produzir
biossurfactantes, biomassa e derivados a partir do
crescimento sustentável de Bacillus subtilis,
utilizando meios de cultivo mais baratos. Foram
avaliadas duas fontes de biossurfactantes com
aplicações potenciais para a remediação de águas
contaminadas por metais: (I) extratos de Bacillus
subtilis contendo surfactina; (II) extratos de
surfactantes derivados de amioácidos. Extratos
contendo surfactina foram obtidos a partir da
fermentação de B. subtilis em meio de Landy
modificado e surfactantes derivados de aminoácidos
foram obtidos a partir da hidrólise de proteína animal
(carne moida). Ambos os surfactantes foram
adicionados a soluções de cobre II e ferro II
formando partículas insolúveis contendo íons de
cobre e ferro adsorvidos. Acredita-se que a
instabilidade
das
micelas
de
surfactinas,
lipopeptídeos aniônicos, é o resultado da
neutralização de cargas pela interação com cátions
metálicos. Devido a esta neutralização as micelas
perdem solubilidade e sedimentam arrastando os
metais, o que facilita a sua remoção.
Palavras-chave: Biossurfactantes, surfactina,
Bacillus subtilis.
Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra
– Química dos Produtos Naturais.
1. INTRODUÇÃO
Atividades antrópicas como a mineração e a
atividade industrial são alguns dos responsáveis pela
contaminação de corpos d´água com metais pesados
[1]. O aumento da concentração de metais pesados
Augusto Etchegaray Júnior
Grupo de Química Ambiental e dos Materiais
CEATEC
[email protected]
nas águas é preocupante devido ao risco que
oferece ao meio ambiente e à população. Metais
como cobre e ferro fazem parte do metabolismo do
corpo humano, porém quando a concentração
desses metais, especialmente cobre, é ultrapassada,
acarreta em sérios riscos à saúde do indivíduo [2]. A
utilização de Biossurfactantes para a remoção de
metais de águas contaminadas é uma alternativa
viável que além de contribuir para manter o equilíbrio
do meio ambiente tornaria possível a recuperação
desses metais para fins industriais e outras
aplicações [3]. Biossurfactantes são compostos
anfipáticos de origem microbiana, que apresentam
atividade superficial, diminuindo a tensão superficial
da água e facilitando a solubilização de compostos
apolares [2]. Os surfactantes presentes no extrato de
Bacillus Subitilis apresentam capacidade para a
remoção de metais [4,5]. Foi determinado ainda um
surfactante proveniente da hidrólise de proteína
animal que também apresenta baixa toxicidade, com
excelentes propriedades de superfície e atividade
antimicrobiana considerável. As propriedades físicoquímicas dos compostos da invenção foram
comparadas a outros surfactantes comerciais [6].
Neste trabalho apresentam-se duas fontes de
biossurfactantes com aplicações potenciais para a
remediação de águas contaminadas por metais: (I)
extratos de B. subtilis contendo surfactina e (II) um
surfactante derivado de aminoácidos. Os resultados
demonstram a capacidade destes surfactantes
aniônicos e biodegradáveis para a precipitação de
Cu (II) e Fe (II).
2. METODOLOGIA
2.1. Materiais
Todos os reagentes utilizados são de grau analítico.
A bactéria B. subtilis cepa 0G foi isolada a partir de
patógenos de feijão [7]. Para a síntese de
surfactantes derivados de aminoácidos foi utilizada
carne bovina (carne moída) como fonte de proteína e
extrato de abacaxi como fonte de protease. Como
ácido graxo foi utilizado ácido láurico, do qual foi
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produzido cloreto de acila, utilizando-se cloreto de
tionila.
2.2. Produção de biossurfactantes
Os Biossurfactantes foram produzidos a partir do
cultivo de Bacillus subtilis, cepa 0G, em meio de
Landy [8]. Visando diminuir os custos da produção o
meio de Landy foi alterado utilizando como fontes de
carbono e nitrogênio respectivamente, resíduos de
glicerol, obtidos no laboratório em experimentos de
síntese de biodiesel, e aminoácidos como L-arginina
ou derivados de hidrolisados proteicos, utilizando as
fontes: salsicha, batata e/ou restos de alimentos. Ao
término do crescimento, as células de B. subtilis
foram removidas e o extrato livre de células foi
utilizado como extrato de biossurfactantes.
2.3. Síntese de surfactante derivado de
aminoácidos
Também foi produzido um surfactante derivado de
aminoácidos a partir da hidrólise da proteína da
carne animal com a enzima Bromelina encontrada no
abacaxi. Foram misturadas 200 g de carne moída
com 200 g de abacaxi. A mistura foi triturada a
temperatura ambiente e mantida em repouso por
uma hora. Posteriormente a mistura foi incubada a
60ºC por 30 minutos e depois foi mantida sob fervura
durante 5 minutos a fim de inativar a enzima
bromelina derivada do abacaxi. O pH foi ajustado
para 7,0 utilizando pastilhas de Hidróxido de Sódio e
a mistura centrifugada (6.000 rpm) por 10 minutos.
Ao sobrenadante foi adicionada acetona na
proporção 1:1 e a amostra foi incubada por 30
minutos a 4ºC para precipitar excesso de proteína
não digerida. A suspensão foi posteriormente
centrifugada (6.000 rpm) durante 5 minutos. A um
volume de 20 mL do sobrenadante foi adicionado
Hidróxido de Potássio até o pH 9,0. Esta solução
contendo hidrolisados protéicos foi colocada em um
banho de gelo. Nestas condições foi foi adicionada
gota a gota uma solução de cloreto de acila
preparada a partir de 2,5 g de ácido láurico e 4 mL
de cloreto de tionila. Esta mistura foi mantida sob
agitação durante 24 horas e em seguida foi
adicionado ácido clorídrico até pH 2,0. Nestas
condições formou-se uma suspensão. O surfactante
obtido foi extração com éter etílico. O éter foi
evaporado com auxilio de uma chapa de
aquecimento. Ao final do processo, obteve-se um
óleo que ao ser colocado no dessecador por cerca
de 20 dias formou um sólido correspondendo ao
surfactante derivado do aminoácido.
2.4. Preparo das Soluções de Cobre (ll) e Ferro (II)
Em balão volumétrico de 100 mL foi adicionado uma
massa de 4,7405g de CuSO4.5H2O e 10,122g de
FeNH4(SO4)2.12H2O completado os volumes dos
balões com água deionizada, obtendo-se assim uma
soluções com concentração de 0,2 mol/L.
2.5.Construção das Curvas Analíticas
A soluções utilizadas para a construção das curvas
analíticas nas faixas de 1 a 10 ppm foram feitas a
partir da solução padrão de 1000 ppm de Cobre e
Ferro. Foi utilizado Espectroscopia de Absorção
Atômica para determinar a quantidade de metal
residual e assim calcular a quantidade de metal
adsorvido pelas micelas de surfactantes.
2.6. Remoção do Cobre (ll) e Ferro (II)
Para verificar a capacidade de extratos de surfactina
e do surfactante derivado de aminoácidos para a
remoção dos metais, amostras de água contaminada
artificialmente com cobre e/ou ferro foram misturadas
numa proporção de (1:1) com o extrato de
biossurfactantes. Após 1 hora em repouso as
amostras foram centrifugadas, diluídas em água
deionizada e analisadas por espectrofotometria de
absorção atômica.
Água contaminada com cobre foi preparada a partir
da dissolução de CuSO4.5H2O em água para uma
concentração final de 12.000 ppm. Da mesma forma,
foi preparada uma solução 12.000 ppm de ferro
dissolvendo-se FeNH4(SO4)2.12H2O em água.
Para os testes de extração de metais foram
misturados 2mL de uma solução de 12.000 ppm de
cada metal com 2mL da solução contendo
biossurfactantes em tubos de ensaio obtendo-se
assim uma concentração de 6.000 ppm de metal.
Esta mistura foi mantida na temperatura ambiente
por um período de 1 hora e depois centrifugada. Do
sobrenadante foram retirados 200 μL para diluição
em balão volumétrico de 100 mL a fim de se obter
uma concentração adequada para a leitura utilizando
a curva analítica. As diluições foram todas
analisadas por espectroscopia de absorção atômica
utilizando o equipamento marca Perkin Elmer modelo
Analyst 300.
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3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Este
trabalho
apresenta
o
potencial
de
biossurfactantes contendo surfactinas derivados de
extratos de B. subtilis e surfactantes derivados de
aminoácidos para remoção de cobre e ferro através
da adsorção em micelas.
Absorbância (u.a)
3.1. Curvas Analíticas
As Figuras 1 e 2 correspondem respectivamente às
curvas analíticas utilizadas para a determinação de
cobre e ferro residuais após o tratamento com os
extratos de biossurfactantes.
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
Tabela 3. Remoção de cobre (II) e Ferro (II) a partir do
tratamento
com
surfactantes
aniônicos.
Os
experimentos foram realizados com soluções
contendo inicialmente 6.000 ppm do metal.
R² = 0.9995
0
5
10
Concentração (ppm)
3.2. Precipitação e Remoção dos Metais
A solução de metal foi misturada com um volume
idêntico de extrato de B. subtilis contendo surfactina
e surfactantes derivados de aminoácidos. Verificouse inicialmente uma turvação no meio. Esta turvação
indica a precipitação de partículas coloidais, causada
provavelmente pela adsorção de íons cobre/ferro nas
duplas camadas elétricas das micelas dos
surfactantes. Já que em pH maior que 5,0 a
surfactina tem caracteristicas aniônicas devido á
presença dos aminoácidos glutâmico e aspártico em
sua estrutura [9]. Acredita-se que estes ânions
interagem com os cátions metálicos Cu(II) e Fe (II).
Após a centrifugação, obtém-se grande remoção do
metal da fase aquosa. A determinação do metal
residual foi feita a partir de espectroscopia de
absorção atômica. Os resultados obtidos estão
apresentados na Tabela 3.
15
Metal
Extração (%)
Cobre
91%
Ferro
89%
Figura 1. Curva analítica para a determinação de Cobre
Absorbância (u.a)
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
R² = 0.9955
0.05
0.00
0.00
5.00
10.00
Concentração (ppm)
15.00
Figura 2. Curva analítica para a determinação de Ferro
Considerando-se o custo da produção de surfactinas,
os principais surfactantes produzidos por Bacillus
subtilis que podem contribuir para a remoção de
metais por interações eletrostáticas, outro objetivo
deste trabalho foi buscar a utilização da biomassa
para
produção
de
outros
surfactantes
biodegradáveis. O objetivo desta reciclagem de
materiais seria o de diminuir o custo da produção de
surfactinas
agregando
valor
à
biomassa,
normalmente descartada, pois os biossurfactantes
são excretados para o meio de cultura durante o
crescimento [9]. Entretanto, a biomassa de B. subtilis
obtida neste trabalho não continha material suficiente
para a síntese de surfactantes derivados de
aminoácidos. Desta forma, utilizamos como
alternativa carne bovina (carne moída) uma
excelente fonte de proteínas que pode estar presente
em resíduos de alimentos. Seguindo este racional,
utilizamos carne moída (200 g), a qual foi tratada
com protease (extrato bruto de abacaxi contendo
bromelina, 200g) conforme descrito na metodologia.
O extrato obtido foi misturado com uma solução
contendo cloreto de duodecanoila, produto da reação
de ácido láurico com cloreto de tionila. Como
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resultado obtivemos um surfactante derivado de
aminoácidos, precipitado ao final da reação pelo
tratamento com ácido clorídrico, sugerindo que a
estrutura possui cargas negativas (possivelmente
ácido glutâmico ou fragmentos peptídicos contendo
este aminoácido). Considerando-se a natureza
aniônica deste surfactante e baseado nos resultados
descritos acima para extratos contendo surfactinas,
foi preparada uma solução deste surfactante
dissolvendo-se 40 mg em 4 mL de água, obtendo-se
uma solução de surfactante com valor de pH 5,5.
Nestas condições, o extrato foi utilizado para verificar
suas potencialidades para remoção de íons cobre. A
análise preliminar envolveu o tratamento da solução
de 12.000 ppm de cobre com o extrato do
surfactante na concentração de 10 mg/mL. Os
controles, solução de cobre e suspensão de
surfactante foram centrifugados e não produziram
precipitados. Entretanto, a mistura de surfactante
com a solução de cobre produziu um precipitado,
sugerindo que este extrato também pode remover
íons cobre II. Os resultados são apresentados na
Figura 3. A fotografia demonstra que a solução de
cobre II e o extrato de surfactantes derivados de
aminoácidos apenas precipitam quando misturados.
Figura 3. Resultados do tratamento de uma solução de
cobre 12.000 ppm com uma solução de surfactante
derivado de aminoácido.
4. CONCLUSÕES
Meios
alternativos
para
a
produção
de
biossurfactantes podem ser preparados utilizando
glicerol como fonte de carbono e hidrolisados
protéicos como fonte de nitrogênio. Esta é uma
estratégia de crescimento sustentável, haja vista a
possibilidade de utilizar resíduos de glicerol obtido a
partir da produção de biodiesel. Outra forma de se
obter
surfactantes
com
características
biodegradáveis é a partir da reação de hidrolisados
protéicos com ácidos graxos. Neste trabalho
demonstramos que este tipo de surfactante pode ser
produzido a partir de carne bovina tratada com
extratos de bromelina produzidos a partir do abacaxi.
Tanto os biossurfactantes de Bacillus subtilis como
aqueles derivados de aminoácidos apresentam
potencialidades para remediação ambiental. Neste
trabalho demonstramos que estes surfactantes
podem ser utilizados para descontaminação de
águas contaminadas com cobre e ferro.
AGRADECIMENTOS
À PUC-Campinas pela infraestrutura e pela bolsa de
iniciação científica.
REFERÊNCIAS
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of an extreme acidic environment, the Tinto
River, Applied and Environmental Microbiology,
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[4] Mulligan, C. N. et. al. (1999) On the use of
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from oil-contamined soil. Environ. Progr., vol. 18,
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[5] Cooper, D. G. et.al. (1981) Enhanced production
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product removal and metal cation additions Appl.
Environ. Microbiol., vol. 42, p. 408-412.
[6] Matre, J. D.; Singare, P.U. (2012) Study of
Synthesis and Physicochemical Properties of
Arginine Derived Cationic Surfactants. Am. J.
Org. Chem., vol. 2, n. 3, p. 41-44.
[7] Etchegaray, A., et al. (2008), Effect of a highly
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on fungal and beacterial cells. Arch. Microbiol.,
vol. 190, p. 611-622.
[8] Landy, M., et al., (1948), Bacillomycin: an antibiotic from Bacillus subtilis active against pathogenic fungi. Proc.Soc. Exp. Biol. Med., vol. 67, p.
539-541.
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[9] Juang, R. S., et al. (2007), Separation of surfactin from fermentation broths by acid precipitation and two-stage dead-end ultrafiltration processes. J. Membr. Sc., vol. 299, p 114-121.
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