Microbiologia ambiental
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Microbiologia ambiental Engenharia do Ambiente Escola Superior Agrária Instituto Politécnico de Coimbra [email protected] www.esac.pt/abelho Uso da diversidade trófica dos microrganismos para obtenção de produtos e para resolução de problemas ambientais Módulo 2.Microbiologia ambiental aplicada 3.3 PRODUTOS MICROBIANOS E BIORREMEDIAÇÃO Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 2 Os produtos microbianos A importância dos microrganismos na indústria foi pela primeira vez demonstrada por Pasteur • Pasteur demonstrou que – A produção de vinho se devia à fermentação por leveduras – O azedar da cerveja e do vinho (ameaça à indústria francesa de bebidas) se devia à contaminação por bactérias que transformam o álcool em ácido acético • Os microrganismos podem servir de base a processos essenciais na indústria ou, pelo contrário, podem prejudicar o processo de fabrico Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 3 Tanto da parte dos aliados como da parte dos alemães, os microrganismos e os seus produtos contribuíram para o esforço de guerra OS MICRORGANISMOS E A 1ª GRANDE GUERRA Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 4 A produção de acetona e a 1ª Grande Guerra Para saber mais: http://epa.gov/biotech_rul e/pubs/fra/fra003.htm • Aumento da procura de acetona para a manufactura do explosivo cordite • O método tradicional era a destilação de madeiras, no qual apenas 1% do volume de madeira dá origem a acetona; a indústria não conseguia satisfazer a procura • O governo britânico pediu a Chaim Weizmann, um químico, para arranjar uma solução • Clostridium acetobutylicum – Bactéria Gram-positiva – Utiliza glicose produzindo acetona – Tem a vantagem de produzir também butanol, outro solvente orgânico Glicólise Glicose Manuela Abelho 2012 Metabolismo Piruvato Microbiologia ambiental Acetona 5 A produção de glicerol e a 1ª Guerra Mundial Para saber mais: http://www.revistaanalytica.com.br/e d_anteriores/26/art04.pdf http://bvs.sld.cu/revistas/far/vol34_2_ 00/far09200.pdf http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/arti cles/PMC1080712/pdf/plntphys006910059.pdf Acetaldeído Manuela Abelho 2012 • Necessidade de glicerol para a manufactura do explosivo nitroglicerina, utilizado pelos alemães • Saccharomyces cerevisiae – Através da fermentação alcoólica produz glicerol como produto secundário – O químico alemão, Carl Neuberg, descobriu que adicionando uma solução de sulfito de sódio se aumenta a produção de glicerol • Mais tarde foi descoberta uma alga… • Dunaliella salina – Alga halófila – Produz glicerol como estabilizador osmóstico Desidrogenase alcoólica Etanol Sulfito de sódio +glicerol Microbiologia ambiental 6 Indústria petrolífera | Fabrico de tintas, vernizes, lubrificantes | Indústria farmacêutica | Indústria alimentar | Mineração | … OS MICRORGANISMOS E A INDÚSTRIA Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 7 Os microrganismos na indústria petrolífera Para saber mais: http://en.wikipedia.org/wi ki/Xanthan_gum • Xanthomonas campestris – Produz uma goma surfactante (um polissacarídeo) usada para lavar os depósitos – rochas sedimentares xistobetuminosas - permitindo a recuperação de muito maior percentagem de petróleo dos depósitos • A goma é também usada no fabrico de lubrificantes, tintas e vernizes, fabrico de gelados Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 8 • Os plásticos produzidos a partir do petróleo são xenobióticos – não ocorrem de forma natural e não são degradados • Alcaligenes eutrophus – É actualmente a fonte mais importante de bioplástico baseado em poli-betahidroxialcanoatos (polímeros microbianos de armazenamento de energia) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental Os microrganismos no fabrico de bioplástico Para saber mais: http://en.wikipedia.o rg/wiki/Alcaligenes_e utrophus http://www.jbc.org/c ontent/264/26/1529 8.abstract 9 • Thiobacilus ferroxidans – Extracção de cobre – Bactéria quimiotrófica, metaboliza sulfuretos produzindo sulfato ácido que reage com o cobre dissolvendo-o em sulfato de cobre • Alcaligenes eutrophus – Extracção de cádmio • Clorella vulgaris (alga verde) – Extracção de ouro aluvial • Mas muitos outros minerais de baixo rendimento podem ser extraídos com microrganismos; cobalto, manganésio, níquel, urânio, zinco, … Os microrganismos na extracção de minerais de baixo rendimento Para saber mais: http://www.bioline.o rg.br/pdf?st04024 • E também podem ser usados para remover esses produtos quando estes causam problemas ambientas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 10 Processo pelo qual os resíduos orgânicos são biologicamente degradados, sob condições controladas, até um estado inócuo, ou até níveis abaixo da concentração estabelecida pelas autoridades reguladoras BIORREMEDIAÇÃO Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 11 • Uso de organismos vivos, principalmente microrganismos, para degradar os contaminantes ambientais em formas menos tóxicas Biorremediação • Utilização de bactérias, fungos ou plantas para degradar ou destoxificar substâncias perigosas para a saúde humana ou para o ambiente Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 12 • Ex situ Local – escavação e remoção das áreas contaminadas do seu local original • In situ – tratamento no local contaminado Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 13 Alternativa mais económica que os métodos tradicionais de descontaminação Fonte: www.e-escola.pt Alternativa aos métodos tradicionais de remediação (Biologia) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 14 • Bioestimulação – aumento do número ou estimulação da actividade dos microrganismos degradadores da comunidade indígena de uma dada área contaminada, através da adição de nutrientes, de receptores ou de dadores de electrões Origem dos microrganismos • Bioadição – os microrganismos são isolados de outras áreas ou de origem laboratorial e levados para o local contaminado Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 15 • Fitorremediação Plantas e – processo de biorremediação que utiliza vários microrganismos tipos de plantas para remover, transferir, estabilizar ou destruir contaminantes em ambientes poluídos • Rizorremediação – processo que combina fitorremediação com bioadição, numa interacção entre plantas e microrganismos, durante o qual os exudatos da raiz das plantas estimulam o crescimento e a actividade das bactérias resultando numa degradação mais eficiente dos contaminantes – a bioadição pode fazer-se através da inoculação de sementes com bactérias que degradam contaminantes Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 16 • Existência de uma população microbiana capaz de degradar os contaminantes Factores que controlam a biorremediação • Disponibilidade dos contaminantes para a população microbiana • Factores ambientais – Tipo de solo, temperatura, pH, presença de oxigénio ou outros aceitadores de electrões, nutrientes,… Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 17 • Bactérias aeróbias: degradam pesticidas e hidrocarbonetos; muitas usam o contaminante como única fonte de carbono e de energia Populações microbianas usadas na biorremediação – Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus, Mycobacterium • Bactérias anaeróbias: menos usadas que as bactérias aeróbias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 18 • Fungos lenholíticos – Degradam uma vasta gama de contaminantes ambientais persistentes ou tóxicos Populações microbianas usadas na biorremediação – Phanaerochaete chrysosporium • Bactérias metilotróficas – Aeróbias que utilizam metano como fonte de carbono e de energia – Enzima metano monooxigenase (degradação aeróbia) tem uma vasta gama de substratos e é activa contra vários compostos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 19 • Processo natural Vantagens da • Microrganismos capazes de degradar o biorremediação contaminante aumentam quando o contaminante está presente, diminuindo depois • Resíduos do tratamento são geralmente inócuos (dióxido de carbono, água e biomassa microbiana) • Teoricamente útil para a destruição completa de uma vasta gama de contaminantes • Muitos contaminantes considerados perigosos podem ser transformados em produtos inofensivos • Pode ser levada a cabo no próprio local sem causar transtorno às suas actividades • Menos cara que outras tecnologias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 20 • Limitada aos compostos biodegradáveis Desvantagens da • Existe a preocupação que os produtos da biorremediação biodegradação possam ser mais persistentes ou tóxicos que os produtos originais • Os processos biológicos são geralmente específicos; é necessária a presença de uma população microbiana metabolicamente capaz, condições ambientais favoráveis e níveis apropriados de nutrientes e de contaminantes • É difícil fazer a extrapolação de estudos de laboratório para operações de larga-escala • É necessária investigação para desenvolver tecnologias de biorremediação que permitam tratar locais com misturas complexas de contaminantes • Os contaminantes podem ser líquidos, sólidos e gases • Processo geralmente mais lento que outros tratamentos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 21 Derivados de petróleo • A gasolina e outros derivados de petróleo são armazenados em tanques subterrâneos, cujas fugas causam sérios problemas ambientais • Em 1992, Maribeth Watwood e Cliff Dahm estudaram a utilização de bactérias para a limpeza de solos e aquíferos contaminados com derivados de petróleo • Recolheram sedimentos de um aquífero e estudaram a sua população microbiana: cerca de 8.5×108 células/ g sedimento húmido • Destas, 6.55×104 células/ ml eram capazes de usar benzeno como única fonte de carbono e de energia Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 22 Degradação de benzeno por bactérias do solo % de benzeno restante 50 40 Em 40 dias, as populações de bactérias dos solos degradaram quase 90% do benzeno 30 20 10 0 0 Manuela Abelho 2012 10 20 Tempo (dias) 30 Microbiologia ambiental 40 23 Cianeto e nitrato dos efluentes mineiros http://www.batcon.org/b atsmag/v9n3-4.html http://en.wikipedia.org/w iki/Cyanide_process Manuela Abelho 2012 • O minério é lixiviado com cianeto, que forma complexos químicos com ouro e outros metais; o ouro e o cianeto são removidos da solução por filtração com carvão • Contaminação de solos e água subterrânea porque as pilhas de minério lixiviadas ainda contêm cianeto • Várias espécies de bactérias degradam cianeto e produzem NH3 que pode ser usado como fonte de energia pelas bactérias nitrificantes, produzindo NO3 • Assim, a lixiviação do minério com cianeto provoca a contaminação dos solos e da água com cianeto e também com nitrato Microbiologia ambiental 24 • Em 1994 Carleton White e James Markwiese estudaram uma mina de ouro na qual tinha sido usada lixiviação com cianeto • Verificaram a existência de bactérias degradadoras de cianeto (103-105/g solo), de uma abundante fonte de azoto na forma de cianeto e NO3 mas pouco carbono orgânico • Adicionando uma fonte de carbono ao minério lixiviado, conseguiram aumentar a taxa de degradação do cianeto e reduzir a concentração de NO3 no ambiente • A adição de sucrose estimula o uso de NO3 por microrganismos heterotróficos, que usam a sucrose como fonte de energia e de carbono e NO3 como fonte de azoto Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 25 A adição de sucrose para aumentar a razão C:N no meio ambiente resultou na degradação de 100% do cianeto Manipulação da razão C:N estimula a degradação de cianeto % de cianeto degradado 100 80 Controlo sem microrganismos para demonstrar que os resultados não se devem a processos não biológicos 60 40 20 0 10C : 1N Controlo sem sucrose Estéril sem sucrose Culturas com razões C:N baixas no seu ambiente praticamente não degradaram o cianeto 26 Mais exemplos • Case Studies in Bioremediation – http://www.alabastercorp.com/case_studies.htm • Bioremediation – http://www.suite101.com/content/bioremediation-a9776 • Enhanced Bioremediation – http://www.cpeo.org/techtree/ttdescript/ensolmx.htm • Genetically Engineered Microorganisms and Bioremediation – http://www.wiley-vch.de/books/biotech/pdf/v11b_gene.pdf • Isolation of soil bacteria for bioremediation of hydrocarbon contamination – Http://www.Chem.Msu.Su/rus/vmgu/031/88.Pdf • Microorganisms relevant to bioremediation – http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg&_imagekey=B6VRV-436W0RV51&_cdi=6244&_user=2459680&_pii=S0958166900002056&_origin=&_coverDate= 06%2F01%2F2001&_sk=999879996&view=c&wchp=dGLbVzWzSkWA&md5=5078719ad3e2f70d1dbfbac64d674273&ie=/sdarticle.pdf Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 27
