Biotecnologia Ambiental
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09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Paulo Figueiredo Biotecnologia Ambiental Avaliação trabalhos individuais de exposição sobre temas definidos (TPC) Bibliografia G. M. Evans, J. C. Furlong, Environmental Biotechnology. Theory and Application. John Wiley & Sons, England, 2003. 1 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Muito virada para tratamento de resíduos remediação da contaminação causada por uso anterior redução do impacte da actividade corrente controlo da poluição Biotecnologia Ambiental Principais objectivos: fabrico de produtos em condições de harmonia ambiental minimização de resíduos prejudiciais sólidos, líquidos ou gasosos limpeza dos efeitos de anterior actividade humana 2 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Actuação: melhorar ou optimizar condições para que os sistemas biológicos existentes funcionem mais rápida e/ou eficazmente promover alterações que conduzam ao resultado desejado Biotecnologia Ambiental Diversos organismos: de microrganismos a árvores actuação com base em 3 fundamentos: aceitar (mais frequente) utilização de espécies não modificadas, no seu ambiente natural aclimatar alterar 3 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Pontos de intervenção: processo de fabrico gestão de resíduos controlo da poluição Biotecnologia Ambiental Incentivos para indústria identificar abordagens mais baratas a tratamento de resíduos empregá-las sempre que possível Alterações na legislação levam a maior atenção na agenda política Maior aceitação de métodos biológicos de tratamento de resíduos 4 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Microrganismos e enzimas trabalham a temperaturas e pressões inferiores às dos processos químicos custos reduzidos benefícios ambientais maior segurança Biotecnologia Ambiental Relevância comercial conversão de produtos orgânicos de reduzido valor em produtos de valor elevado produção de substâncias de elevada pureza via enzimática 5 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental 2001 15-20 % do mercado mundial de “ambiente” baseado em bitecnologia US $ 250 000 000-300 000 000 crescimento projectado de 10 vezes nos anos seguintes Biotecnologia Ambiental Acção integrada acções biológicas combinadas com outras alcance superior ao de tecnologias individuais 6 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Requisitos conhecimentos de: respiração fermentação fotossíntese ciclos de carbono, azoto e água fluxo de energia através da biosfera Biotecnologia Ambiental Remoção de um material de um dado ambiente pode seguir uma de duas vias: degradação vias metabólicas actuando num organismo ou conjunto de organismos imobilização por processo que o torna biologicamente indisponível compostos químicos excretados por um organismo compostos químicos no ambiente próximo, os quais tornam a molécula insolúvel e indisponível para a maioria dos processos biológicos pode ser uma forma de remediação (estabilização do contaminante) pode ser uma desvantagem, quando a digestão é preferível 7 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Utilização de bactérias bactérias com plasmídeos DNA auto-replicante podem conter genes das vias degradativas plasmídeos movimentam-se entre diferentes bactérias, onde se replicam transferência da capacidade metabólica Biotecnologia Ambiental 8 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Utilização de retrovírus vírus eucariotas com RNA no genoma têm potencial para integração em DNA herdado, pois replicam o seu RNA por meio de DNA intermediário Biotecnologia Ambiental Estratégia da biotecnologia ambiental usar vias metabólicas microbianas para degradar ou metabolisar material orgânico anabolismo catabolismo 9 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Exemplo de novos problemas a resolver: estrogénio e análogos sintéticos usados nas pílulas contraceptivas difícil decomposição por bactérias problema ambiental em cursos de água feminização de peixes em alguns lagos Biotecnologia Ambiental Fermentação e respiração fermentação electrões derivados do catabolismo da fonte de carbono doados a uma molécula orgânica respiração electrões doados a um receptor inorgânico, por transferência ao longo de uma cadeia de electrões aeróbica aceitador terminal é O2 anaeróbica aceitador terminal não é O2 nitrato, sulfato, CO2, enxofre, Fe3+ 10 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fermentação e respiração Biotecnologia Ambiental respiração aeróbica mais eficaz que anaeróbica digestão anaeróbica de esgotos e resíduos sólidos menos exotérmica que processos aeróbicos análogos processo aeróbico extrai cerca de 10 vezes a quantidade de energia gerada por um processo anaeróbico, a partir da mesma quantidade de carbono 11 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Biotecnologia Ambiental TPC 12 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica depende da natureza das substâncias a serem removidas ou tratadas alvo do processamento biológico deve permitir a acção biológica em meio aquoso e gerar baixa toxicidade condições ambientais adequadas: T = 0 – 50 ºC, de preferência 20 – 30 ºC pH = 5 – 9, de preferência 6.5 – 7.5 no caso de tratamento de solos, funcionam melhor em areias e areão (baixo teor de nutrientes, bom escoamento, permeabilidade e arejamento) depende das condições ambientais existentes Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica microrganismos extremófilos possuem algumas vantagens metanogénese tolerância a ambientes salinos tolerância a temperaturas e pressões elevadas tolerância a níveis elevados de radiações ionizantes tolerância a valores extremos de pH Archaea, ... 13 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica extremozimas mantêm actividade em condições não toleradas pela maioria das enzimas Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica uso industrial de extremófilos levou à descoberta da PCR polymerase chain reaction polimerase do DNA (polimerase Taq) proveniente de Thermus aquaticus 14 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica polymerase chain reaction Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica T média dos oceanos = 1 – 3 ºC psicrófilos várias bactérias e eucariotas fotosintéticos ambientes fortemente salinos halófilos baixo pH (<5) resultado da produção de gases sulfurados nas fontes hidrotermais e dos resíduos das minas de carvão acidófilos pH elevado (≥9) águas ou solos fortemente alcalinos alcalófilos 15 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Exemplos de bactérias usadas em degradação de compostos orgânicos com importância industrial degradação de tolueno por Pseudomonas putida TPC Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Exemplos de bactérias usadas em degradação de compostos orgânicos com importância industrial degradação de fenol por Oceanomas baumannii isolada a partir de lamas estuarinas clorometano com Hyphomicrobium e Methylobacterium solos poluídos da indústria petroquímica degradação de celulose com Clostridium isolados de solos florestais TPC 16 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos – compostos não produzidos por via biológica e para os quais não existe equivalente na natureza Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos maior bioacumulação quando lipossolúveis degradáveis por microrganismos se: suficientemente semelhante a um composto natural reconhecidom pelas enzimas do organismo também reconhecido pelas enzimas do organismo, mas requer outra fonte de carbono, de modo a fornecer a energia necessária cometabolismo degradação gratuita 17 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos depende da presença de outros contaminantes metais pesados que afectam crescimento microbiano, ... Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Disruptores endócrinos Degradação de xenobióticos alguns resistem à degradação no ambiente estrogénios sintéticos (pílulas), ... 18 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos estrogénios naturais desactivados no ser humano por glucoronidação excretado nos esgotos bactérias possuem b-glucuronidase reactivam hormona Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos bactérias das ETAR não são capazes de degradação eficaz das hormonas elevados níveis nos cursos de água alterações hormonais em peixes 19 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental TPC Biotecnologia Ambiental TPC processos de eliminação de estrogénios da água 20 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos outros compostos possuem actividade semelhante aos estrogénios hidrocarbonetos poliaromáticos (PAH) diclorodifeniltricloroetano (DDT) alguns detergentes fitoestrogénios Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos diversos géneros de bactérias capazes de degradar PAHs 21 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos hidrocarbonetos policíclicos (PCB) difíceis de degradar na natureza devido a halogenação Pseudomonas putida capaz de degradar Biotecnologia Ambiental Intervenção biológica Degradação de xenobióticos ftalatos usados no fabrico de diversos polímeros degradados por associações de microrganismos metanogénicos maior parte Archaea 22 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição factores a ter em conta: toxicidade persistência mobilidade facilidade de controlo bioacumulação química Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Estratégias de controlo “clássicas” e biotecnológicas diluição e dispersão ar água solo concentração e contenção 23 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar remoção de H2S discutida desde 1920 1ª patente em 1934 actualmente usam-se biofiltros TPC Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar filtros biofiltros percoladores biológicos biodepuradores (bioscrubbers) todos capazes de tratar 103 – 105 m3/h de gases 24 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar biofiltros mais antigos contentor feito de betão, metal ou plástico resistente contém filtro de material orgânico turfa, urze, casca de pinheiro, ... gás forçado a atravessar filtro Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar biofiltros meio de filtração possui boa capacidade de retenção de água compostos solúveis existentes no gás, dissolvem na película de humidade formada ao redor da matriz microrganismos degradam compostos da solução resultante 25 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar biofiltros requerem humidificação bem mantidos, reduzem emissão de odores ≥ 95% Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar percoladores biológicos tecnologia intermédia reactor com meio inerte escórias, ... muitos espaços vazios entre partículas elevada razão superfície/volume do filtro formação de biofilme microbiano gás forçado através do filtro, enquanto água percola a partir do topo estabelecido fluxo em contra-corrente, entre gás que sobe e água que desce microrganismos metabolizam substâncias em solução 26 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar percoladores biológicos capacidade de tratar maiores concentrações de contaminantes que biofiltros requer menos espaço mais caro 27 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Aplicações práticas de controlo da poluição do ar biodepuradores não são verdadeiros sistemas biológicos gás atravessa um spray de água muito fino contaminante absorvido pela água água acumula na base solução com contaminante removida por um bioreactor biodegradação Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição 28 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Vantagens do controlo biotecnológico da poluição do ar investimentos competitivos custos de operação reduzidos baixos custos de manutenção baixo ruído não produzem CO não requerem temperaturas elevadas não apresentam risco de explosão processamento mais seguro e mais “verde” robustez e tolerância a variações Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem intervenção biotecnológica alterações no processamento controlo biológico bio-substituições 29 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem alterações no processamento substituição de processos químicos por processos microbianos ou enzimáticos utilização de OGMs operação a temperaturas mais baixas maior rendimento menos produtos secundários Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: miristato isopropílico para cosméticos esterificação enzimática TPC 30 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: indústria têxtil métodos tradicionais de extracção do linho substituídos por processos enzimáticos mais rápido e mais barato fibras poliméricas biodegradáveis sintetizadas por bactérias do solo modificadas redução de materiais persistentes em aterros Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: indústria têxtil biolavagem remoção de sujidades por enzimas bio-branqueamento uso de enzimas para “aclarar” roupa biopolimento enzimas tornam algodão mais suave e resistente 31 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: indústria têxtil geotêxteis usados em linhas férreas incorporação de materiais adsorventes e microrganismos nos materiais restos de combustíveis e óleos absorvidos e degradados diminuição da poluição no solo melhores condições de trabalho redução de risco de incêndio Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição TPC Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: indústria das peles retirar pelos das peles desengordurar peles uso de biosensores 32 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição TPC Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: combustíveis dessulfurização de carvão e petróleo remoção de S inorgânico por bactérias acidófilas quimolitotrofas Thiobacillus oxidação do enxofre problema das condições de utilização alternativa: termófilos extremos Sulfolobus Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição TPC Redução de poluição na origem alterações no processamento exemplos: combustíveis remoção de S orgânico por diversos microrganismos aeróbios Pseudomonas, Rhizobium, Paecilomyces, Sulfolobus também possível via anaeróbica Desulfovibrio 33 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem controlo biológico substituição de produtos químicos, por produtos biológicos, para controlo de pestes e organismos patogénicos mais específicos requerem maiores cuidados de utilização Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem controlo biológico exemplos: magnificação de inimigos naturais de uma dada peste produção de nemátodos capazes de crescer em insectos do solo nemátodos são portadores de bactérias, que se multiplicam no insecto e o matam espécies usadas nos EUA: Steinernema carpocapsae, S. riobravis, S. feltiae, Heterorhabditis bacteriophora, H. megidis 34 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição TPC Redução de poluição na origem controlo biológico exemplos: aplicação de compostos químicos produzidos pela natureza Azadirachta indica (Neem ou Amargosa) produz azadiractina insecticida de largo espectro Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem controlo biológico exemplos: utilização de agentes semioquímicos substâncias que influenciam crescimento, desenvolvimento e comportamento em plantas e animais inclui feromonas controlo de diversos insectos afastando-os das colheitas atraindo elevado número de inimigos naturais 35 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição TPC Redução de poluição na origem controlo biológico exemplos: utilização de agentes semioquímicos aplicação de tecnologia transgénica para aumentar eficácia Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem bio-substituições substituição de materiais ou substâncias poluentes por alternativas biotecnológicas menos prejudiciais biocombustíveis produção biológica de polímeros lubrificantes biodegradáveis 36 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem bio-substituições problemas custo biolubrificantes mais caros que convencionais preconceito em substituir tradicionais por biolubrificantes Biotecnologia Ambiental Controlo da poluição Redução de poluição na origem bio-substituições processos simples combustão directa de biomassa para obter energia materiais de construção ecológicos cânhamo, feno, palha e linho comprimidos paredes feitas com estes materiais conferem melhor isolamento sonoro melhor gestão de resíduos de construção e de demolição TPC 37 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental TPC Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações in situ menor perturbação do terreno redução do risco de propagar a contaminação menor exposição de trabalhadores a compostos voláteis adequada a situações em que a contaminação está disseminada ou em profundidade adequada a contaminantes em baixa ou média concentração usada quando há disponibilidade de tempo métodos lentos necessidade de profundo conhecimento do local requer elevado nível de recursos 38 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações ex situ solo removido para tratamento mais fácil de optimizar condições controlo do processo mais simples monitorização mais simples e rigorosa mais fácil e/ou segura a introdução de organismos especializados mais rápida que in situ adequada a poluição relativamente localizada e a contaminantes em concentração relativamente elevada adequada a contaminantes mais superficiais custos de transporte risco de fuga potencial de poluição secundária necessidade de terreno para o tratamento Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações 39 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações tecnologias intensivas mais sofisticadas mais rápidas mais interventivas respostas rápidas e curtas excelentes para situações de forte contaminação grande necessidade de recursos elevados custos exemplos: lavagem de solos tratamentos térmicos Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações tecnologias extensivas intervenções de baixo nível tecnologia simples baixa necessidade de recursos baixos custos menores danos ao solo tratado respostas mais lentas tratamentos longos exemplos: compostagem precipitação de sulfitos metálicos, em condições anaeróbias 40 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação Classificações Biotecnologia Ambiental Bioremediação integração de processos combinação de diversas tecnologias e sequências de abordagens ex situ, in situ, intensivas ou extensivas 41 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação mecanismos mineralização microrganismo usa contaminante como alimento e metaboliza-o contaminante removido e destruído decomposição pode ser parcial acumulação de produtos intermédios tratados com outros microrganismos Biotecnologia Ambiental Bioremediação mecanismos cometabolismo microrganismos metabolizam contaminante em conjunto com os seus alimentos produz compostos menos perigosos podem ser mineralizados por outros microrganismos 42 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação mecanismos imobilização adsorção ou bioacumulação de contaminnates (sobretudo metais) por microrganismos ou plantas Biotecnologia Ambiental Bioremediação 43 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação factores que afectam bioremediação relacionados com as características do contaminante natureza química estado físico relacionados com as condições ambientais temperatura pH tipo de solo Biotecnologia Ambiental Bioremediação factores que afectam bioremediação outros factores: disponibilidade de nutrientes oxigenação presença de contaminantes inbidores características do local contido escorrimento de águas subterrâneas contaminantes presentes quais onde concentrações biodegradabilidade 44 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação factores que afectam bioremediação outros factores: objectivos da remediação tempo disponível quantidade de solo que requer tratamento tratamentos alternativos custos Biotecnologia Ambiental Bioremediação factores que afectam bioremediação 45 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ biolavagem usada para remediar contaminações no nível freático ou abaixo deste existe superarejamento da água subterrânea simula degradação acelerada do contaminante depende da permeabilidade do solo maior oxigenação aumenta a eficácia Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ biolavagem ar introduzido por tubos forma bolhas na água subterrânea O2 dissolve-se na água aumenta oxigenação do solo estimula actividade microbiana e metabolização de poluentes 46 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ biolavagem equipamento pouco específico e disponível existem versões mais sofisticadas Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ bioventilação usada em remediação acima do nível freático usa superarejamento para estimular a degradação dos poluentes no solo não adequada para locais com níveis freáticos muito próximos da superfície (< 1 m) nem muito húmidos 47 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ bioventilação ar bombeado para a zona contaminada O2 estimula microrganismos a degradar contaminantes extractores sob vácuo na periferia auxiliam fluxo de ar aumenta O2 dissolvido na água do solo facilita absorção por microrganismos Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ bioventilação compostos voláteis resultantes da contaminação ou formados como subprodutos são mobilizados mais fácil extracção taxa de extracção do ar ajustada para maximizar a decomposição subterrânea reduz necessidade de tratamento superficial para voláteis 48 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ injecção recuperação usa o movimento da água subterrânea, na zona contaminada, para auxiliar a remediação processo mais sofisticado tratamento biológico dividido em 2 etapas poço de injecção poço de recuperação a jusante da injecção Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ injecção recuperação ar e nutrientes forçados pelo poço de injecção atravessam a zona contaminada estimulam crescimento e actividade microbiana remediação 49 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas in situ injecção recuperação água subterrânea enriquecida em contaminantes, microrganismos, metabolitos microbianos e produtos de degradação dos contaminantes extraída pelo poço de recuperação sofre tratamento posterior reinjectada, depois de suplementada com ar e nutrientes ciclo repetido várias vezes Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ land farming etapa de pré-tratamento solo escavado e verificada presença de rochas, pedras e outros materiais de grandes dimensões zona de tratamento isolada por material impermeável microrganismos nativos fazem a remediação se necessário podem ser adicionados microrganismos especializados 50 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ land farming solo a ser tratado colocado sobre uma camada de areia areia colocada sobre areão tubos de drenagem colocados no areão polímero plástico ou argila impermeáveis isolam sistema de contacto directo com o solo em redor água e nutrientes adicionados estimular actividade biológica arejamento mantido ao trabalhar a terra Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ land farming eficácia depende: características do solo clima 51 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ soil banking solo escavado e verificada presença de materiais estranhos solo colocado em montes por vezes adicionada matéria orgânica mais rápido que land farming adequado para climas mais frios e húmidos microrganismos nativos usados para remediação possibilidade de introduzir microrganismos especializados nutrientes adicionados para optimizar actividade microbiana Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ soil banking biopilhas versão mais sofisticada, quando há limitação de espaço llixiviado recolhido num reservatório e recirculado sobre o monte mantém solo húmido adiciona mais microrganismos ar forçado através de tubos colocados no monte melhora gestão de compostos orgânicos voláteis todo o sistema montado sobre um geotêxtil impermeável impede migração do lixiviado para solo em redor 52 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ soil banking após conclusão do tratamento solo retorna a local original ou colocado noutro sítio Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ soil slurry reactor (reactor de lamas) após excavação, solo introduzido num tanque produzidas lamas por combinação com água adição de nutrientes para estimular crescimento microbiano suspensão formada é transferida para reactores com arejamento microrganismos presentes tratam os contaminantes 53 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação técnicas ex situ soil slurry reactor (reactor de lamas) lamas tratadas são clarificadas e prensadas redução de humidade e aumento da viscosidade líquido recuperado é recirculado para o tanque de mistura agente humidificador para seguinte solo a ser tratado sólidos removidos para secagem e reutilização ou serem descartados Biotecnologia Ambiental Bioremediação tratamento de misturas complexas de contaminantes combinação de vários processos aumento da eficácia da resposta 54 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Bioremediação Biotecnologia Ambiental TPC 55 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental TPC Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes COD - carência química de oxigénio BOD – carência bioquímica de oxigénio 56 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos biotecnologia no tratamento secundário bioprocessamento remoção dos sólidos resultantes Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos oxidação dos efluentes conseguida por: filtro biológico reactores de lamas activadas lagoas de sedimentação (em climas quentes) 57 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos princípio comum de oxidação dos efluentes optimização de condições para bactérias aeróbias crescerem redução dos níveis de CBO, azoto e amónia sedimentação em grandes tanques permite remoção de partículas, contendo biomassa tratamento secundário reduz nutrientes em 30-50% Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos problemas dificuldade em colocar lamas concentradas produzidas podem ser usados como substitutos de fertilizantes agrícolas digestão anaeróbia para produzir electricidade a partir da combustão de CH4 incapacidade de tratar compostos químicos tóxicos venenos metabólicos xenobióticos desinfectantes bacterianos 58 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos disposição no solo (landspreading) aplicação controlada de esgotos no solo processamento através dos mecanismos físico-químicos e biológicos existentes no solo por vezes são utilizadas plantas melhoram condições para microrganismos aplicação mais frequente aos efluentes agrícolas Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos disposição no solo (landspreading) actividade concentrada na camada superficial do solo maior quantidade e maior diversidade de microrganismos adição de material orgânico exógeno pode alterar equilíbrio de espécies disponibilidade de O2 no solo é crítica afecta taxa de degradação e compostos produzidos 59 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos fossas sépticas no tanque, sólidos separam-se dos líquidos emulsificantes e gorduras flutuam para o topo formam espuma resíduos fecais, após degradação bacteriana, formam lamas no fundo tratamento parcial sedimentação no tanque requer esvaziamento periódico Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos efluentes agro-alimentares composição variável natureza do alimento e época do ano factores consistentes elevado teor em K nutrientes com elevada disponibilidade para metabolismo por microrganismos e plantas baixo teor em metais pesados níveis elevados de matéria orgânica e azoto razão C/N baixa rápida decomposição por bactérias do solo, mesmo em condições não optimizadas 60 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos efluentes agro-alimentares teores elevados de cloro e sódio agentes de limpeza podem danificar estrutura do solo e alterar equilíbrio osmótico pode tornar-se tóxico para plantas Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos efluentes agro-alimentares teores elevados de material orgânico não estabilizado maus odores muitos industriais optam por digestão anaeróbia diminuição rápida de teor orgânico menor quantidade de lamas produzidas 61 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos efluentes ricos em azoto condições aeróbias processos de nitrificação biológica a nível do solo produção de nitrato a partir de NH3 e azoto orgânico bactérias quimotróficas Nitrosomonas e Nitrobacter 2NH3 + 3O2 ɹ 2NO2- + 2H+ + 2H2O energia libertada usada por Nitrosomonas para reduzir CO2 Nitrobacter efectua segunda oxidação 2NO2- + O2 ɹ 2NO3bactéria utiliza energia produzida Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos efluentes ricos em azoto condições anaeróbias nitratos reduzidos a N2 bactérias anaeróbias ou facultativas nitrato age como aceitador de electrões papel semelhante ao do O2 na respiração 62 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos arejamento estimula biomassa mantém sólidos em suspensão auxilia mistura dos componentes do efluente sistemas de difusão de ar arejamento mecânico Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos filtros biológicos (de percolação) combinação dos nutrientes existentes no efluente e forte oxigenação estimulam crescimento microbiano forma-se biofilme converte matéria orgânica em CO2, H2O e biomassa microbiana 63 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos sistemas de lamas activadas microrganismos aeróbios formam suspensão no efluente sistema de arejamento fornece O2 ocupam menos espaço e são mais eficazes melhor adaptação a variações na composição do efluente Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos sistemas de lamas activadas microrganismos bactérias usam conteúdo orgânico do efluente bactérias consumidas por diversos protozoários rotíferos também ajudam formação de flocos removem biomassa dispersa e pequenas partículas 64 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos digestão aeróbia processo batch com 30 dias ou mais de retenção bactérias atingem maturidade rapidamente após exaustão de nutrientes, bactérias morrem resíduo de biomassa morta sofre tratamento secundário sólidos usados para alimentar digestores aeróbios líquido clarificado continua tratamento Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos carga orgânica importante no controlo do processo calcula-se a razão alimento para microrganismo (F/M) F/M elevado – rápido aumento de biomassa F/M baixo – pouca disponibilidade de nutrientes e crescimento lento F M = massa de CBO diariamente aplicada à fase biológica biomassa microbiana total na fase biológ ica F fluxo (m3 /dia) x CBO (kg/m3 ) = M volume do tanque (m3 ) x MLSS (kg/m3 ) MLSS – sólidos em suspensão 65 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos poço profundo variante do sistema de lamas activadas Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos poço profundo poço contém efluente a tratar ar comprimido entra pela base atravessa secção central contra-corrente na parte externa efluente secundário pré-tratado sedimenta parte das lamas produzidas retornam para entrada necessário desgaseificar remoção de bolhas de N2 e CO2 dos flocos facilita sedimentação 66 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos poço profundo arejamento suplementar permite utilização de ~90% de O2 4.5 vezes melhor que sistema convencional de lamas activadas tempo de contacto das bolhas formadas mais longo muito eficaz em áreas restritas reduzida “pegada de carbono” Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos sistemas com oxigénio puro alimentados com tanques de oxigénio melhor taxa de transferência de O2 permite tratamento de maior carga orgânica por unidade de volume elevada produtividade em espaços restritos 67 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos sistemas com oxigénio puro elevados custos de instalação, funcionamento e manutenção risco de explosão corrosão acelerada do equipamento Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos contactor biológico rotativo variação dos filtros biológicos combina vantagens destes com menor “pegada” e maior exposição microbiana discos submersos onde cresce biomassa discos giram microrganismos estão alternadamente submersos no efluente e arejados útil em casos de variações sasonais 68 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos bioreactores de membrana 3 tipos: separação sólido/líquido permeáveis a gases sistemas extractivos membranas retêm totalidade de microrganismos aceleração da bioactividade e da velocidade de remediação Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos bioreactores de membrana relevância para xenobióticos degradados por bactérias com longos períodos de adaptação níveis elevados de biomassa requerem muito O2 disponível 69 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento aeróbio de efluentes tratamento de esgotos bioreactores de membrana grande capacidade de degradação para compostos persistentes benzeno, nitrobenzeno, dicloroanilina, PAHs eficiência de remoção pode chegar a 99% pequena percentagem dos contaminantes não transformada em CO2 e H2O produtos secundários mais caros que reactores convencionais produzem menor quantidade de lamas adequados para condições em que se pretende obter efluentes finais de elevada qualidade Biotecnologia Ambiental TPC 70 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia utilização de plantas em aplicações de biotecnologia ambiental fitorremediação bioacumulação fitoextracção fitoestabilização rizofiltração Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia mecanismos básicos remoção e acumulação de substâncias nos tecidos da planta remoção e subsequente volatilização na atmosfera facilitação de tratamento no solo tratamentos utilizam ciclos naturais da planta e do seu ambiente plantas seleccionadas: de acordo com clima capacidade de sobreviver em contacto com contaminante capacidade de atingir objectivo por vezes, capacidade de incentivar crescimento microbiano 71 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia vantagens estética melhor aceitação pelo público mais barato que outros sistemas Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas terrestres espécies que hiperacumulam contaminantes plantas depois colhidas espécies que actuam como bombas ou sifões removem contaminantes do solo e depois dispersam-nos na atmosfera espécies que permitem biodegradação de moléculas orgânicas relativamente grandes hidrocarbonetos, … 72 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação investigação desde os anos 1990 uso directo e in situ de plantas verdes vivas para tratamento de solos contaminados, lamas ou águas subterrâneas, por remoção, degradação ou confinamento dos contaminantes Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais algumas plantas possuem capacidade natural para remover ou estbilizar metais bioacumulação fitoextrcção rizofiltração fitoestabilização 73 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais fitoextracção absorção de contaminantes metálicos a partir do solo pelas raízes e sua deslocação para as partes aéreas da planta algumas espécies capazes de absorver enormes quantidades de metais hiperacumuladoras Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais fitoextracção metais mais facilmente extraídos cobre, níquel, zinco 74 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais fitoextracção Pteris vittata (um feto) acumula As 5 g/kg TPC Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais hiperacumulação plantas escolhidas de acordo com contaminante, clima e condições do local plantas colhidas após tempo suficiente metal acumulado removido permanentemente do local de contaminação processo pode ser repetido com plantas novas até se atingir a remediação pretendida 75 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais hiperacumulação plantas colhidas contêm grandes quantidades de metal necessidade de tratamento compostagem co-compostagem para diluir teor de metal no composto final incineração cinzas colocadas em aterro de resíduos perigosos 1/10 do espaço necessário para colocar solo não tratado Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Fitorremediação de metais hiperacumulação plantas colhidas contêm grandes quantidades de metal tratamento alternativo reciclagem dos metais 76 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais rizofiltração absorção, adsorção ou precipitação, nas raízes de plantas, de contaminantes presentes no solo ou na água mais usada para tratar águas subterrâneas plantas crescidas em hidroponia depois gradualmente aclimatizadas às características da água a tratar depois plantadas no local a tratar assimilam poluentes em solução colhidas quando saturadas biomassa recolhida requer tratamento Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais rizofiltração girassóis usados em Chernobyl para remover contaminação por urânio radioactivo na água TPC 77 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais fitoestabilização absorção e acumulação, adsorção ou precipitação nas raízes das plantas plantas não são colhidas poluentes imobilizados, não removidos redução da biodisponibilidade prevenção da migração Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação de metais fitoestabilização prática preferível para: locais com pouca poluição grandes áreas de poluição, em que outros tipos de remediação não são possíveis em locais com elevadas concentrações de metais, possibilita existência de vegetação 78 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitodegradação rizodegradação fitovolatilização Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitodegradação biodegradação de contaminantes interna - após absorção pela planta produtos de degradação dos contaminantes incorporados na planta externa - utilizando enzimas excretadas pela planta aplicada solventes clorados, explosivos, herbicidas, … 79 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitodegradação metabolitos acumulados terão que ser ou não tóxicos ou muito menos tóxicos que os contaminantes originais Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica rizodegradação biodegradação de contaminantes no solo, por microrganismos edáficos, estimulada pelo carácter da rizosfera rizosfera tem grande actividade microbiana raízes aumentam oxigenação na sua vizinhança e libertam metabolitos aumento da velocidade e eficácia da biodegradação de compostos orgânicos fungos micorrízicos associados às raízes auxiliam metabolização de contaminantes 80 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica rizodegradação processo mais lento que a fitodegradação Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitovolatilização absorção de contaminantes pelas plantas e sua libertação para a atmosfera, numa forma modificada exemplo variedade geneticamente modificada do choupo amarelo (Liriodendron tulipifera) introdução do gene da reductase do mercúrio (mer A) tolerância a maiores concentrações de mercúrio converte forma iónica a forma elementar removido do solo e volatilizado TPC 81 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitovolatilização exemplo choupos volatilizam ~90% do tricloroetileno que absorvem TPC Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação orgânica fitovolatilização perigo da volatilização? taxa de libertação deve ser tal que diluição no ar torne compostos não tóxicos 82 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitorremediação limitada a locais em que a poluição se encontra próximo da superfície e nível freático elevado raízes de árvores com elevada penetração no solo permitem remediação a maiores profundidades Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica água puxada, através do solo, para as raízes depois eliminada pela planta diminui penetração dos contaminantes solúveis menor contaminação de camadas profundas e águas subterrâneas 83 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica faixas ripárias impedem entrada de contaminantes em cursos de água também colocadas em redor de locais afectados contenção da migração de compostos químicos Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica faixas ripárias variedades de choupos e salgueiros eficazes na redução de lixiviados de nitratos e fosfatos impedem adubos agrícolas de contaminar cursos de água 84 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica faixas ripárias permitem integração de outros processos de fitorremediação Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica produção de camadas vegetativas plantas impedem percolação de água da chuva para aterros redução de lixiviados simultaneamente reduzem erosão alternativa à impermeabilização com argila ou geopolímeros 85 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Contenção hidráulica bio-bund plantação densa de árvores (normalmente salgueiros) numa margem trabalhada funciona como tampão controlo da migração de poluentes químicos Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Selecção de plantas adequação ao método e contaminante(s) exemplo plantação de variedades de erva entre árvores estabiliza e protege o solo produz grande quantidade de raízes finas perto da superfície adequada à transformação de contaminantes hidrofóbicos benzeno, tolueno, etilbenzeno, xilenos, PAHs 86 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos diversas espécies aquáticas podem ser usadas em tratamentos algas macrófitas mecanismos semelhantes aos das plantas terrestres Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas entrada de efluente num reservatório de volume superior lagoa artificial com macrófitas estabelecidas podem ser usados corpos de água naturais estabelece-se um fluxo hidráulico suave efluente atravessa lentamente o sistema tempo de retenção relativamente longo permite: sedimentação absorção de contaminantes biodegradação fitotransformação 87 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas mecanismos de remoção de poluentes semelhantes aos de sistemas terrestres independentemente das características do local ou das macrófitas métodos bióticos e abióticos Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas principais processos biológicos absorção directa e acumulação tratamento restante por processos físicos e químicos nas interfaces entre água e sedimentos entre sedimentos e raízes entre o corpo da planta e a água 88 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas processos primários: absorção e transformação de contaminantes por microrganismos e plantas seguida de biodegradação e biotransformação absorção, adsorção e permuta iónica nas superfícies das plantas e sedimentos filtração e precipitação de contaminantes por contacto com o sedimento sedimentação de sólidos em suspensão transformação química de contaminantes Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas papel principal das macrófitas é indirecto criar condições para remediação microbiana ocorrem também processos físico-químicos 89 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas macrófitas de rápido crescimento têm elevado potencial de absorção de vários componentes de efluentes ex: variedades do jacinto de água (Eichhornia spp.) podem aumentar a sua biomassa até 10 g/m2/dia elevada abstracção de N e C a partir do ambiente grande capacidade de absorver N da água também eficazes em degradar fenóis e reduzir Cu, Pb, Hg, Ni e Zn em efluentes utilização em climas quentes Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas compostos fosforados mais difíceis de remediar risco de eutrofização provavelmente relacionado com menor oxigenação das raízes em zonas de águas “lentas” solos com Al ou Fe mais eficazes na remoção destes compostos presença dos metais na rizosfera necessária para abstracção de fósforo a partir da água 90 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas baixos custos de capital custos de operação mais baixos que sistemas de eficácia semelhante quando bem desenhadas, são auto-suficientes baixa necessidade de energia energia solar, directa ou indirecta (fotossíntese) Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com macrófitas vários exemplos com utilização de Phragmites e Typha 91 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas com películas de nutrientes alternativa aos sistemas convencionais com macrófitas plantas crescem numa fina película de água, contida num recipiente impermeável efluente flui directamente sobre as raízes reduz problemas de transferência de massa Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas principal utilização na remoção de N e P de efluentes também usados para alguns compostos orgânicos 92 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes baseado no princípio da eutrofização funcional equilíbrio dinâmico entre algas autotróficas e bactérias heterotróficas processo de biodegradação/assimilação em 2 fases Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes contaminantes orgânicos do efluente degradados pelas bactérias aeróbias bactérias usam O2 proveniente da fotossíntese das algas algas crescem usando os nutrientes produzidos pela degradação bacteriana 93 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes processo é auto-suficiente e auto-limitante a certa altura produz-se eutrofização e morte de todos os organismos necessária remoção de excesso de algas e biomassa bacteriana Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes lagoas de algas de alta taxa (high rate algal pond) um dos mais eficazes bioreactor pouco profundo elevada razão área superficial/volume paredes internas criam um canal por onde flui o efluente agitador de pás no extremo de entrada do efluente areja e empurra o efluente 94 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes lagoas de algas de alta taxa (high rate algal pond) sistemas não sensíveis a flutuações de alimentação quantidade ou qualidade do efluente alimentação contínua ou não Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes lagoas de algas de alta taxa (high rate algal pond) factores que afectam eficácia: composição do efluente eficiência da agitação tempo de retenção disponibilidade e intensidade da luz profundidade da lagoa temperatura 95 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas tratamento de efluentes lagoas de algas de alta taxa (high rate algal pond) após tempo adequado de retenção água despejada para utilização ou retorno a cursos de água retirada periódica das algas permite remover contaminantes e promover crescimento de novas algas biomassa recuperada usada em: compostagem (principal) rações animais material isolante Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas sequestração de carbono fitoplancton marinho usa C dissolvido na água, durante fotossíntese C incorporado na biomassa aumento do fluxo de C proveniente da atmosfera quando fitoplancton morre, afunda retendo C C passa a fazer parte do “ciclo lento” nos sedimentos do fundo do oceano sumidouros de C CO2 atmosférico removido da circulação na biosfera 96 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas sequestração de carbono algas podem ser usadas para sequestrar C sistema BioCoil algas unicelulares contidas num tubo estreito, em espiral gases de escape de um gerador atravessam espiral água enriquecida em CO2 garante condições optimizadas de fotossíntese para algas melhoradas por utilização de luz artificial biomassa recolhida é seca e utilizada como combustível 97 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Fitossistemas aquáticos sistemas de tratamento com algas sequestração de carbono algas podem ser usadas para sequestrar C sistema ACSACS algas filamentosas crescem num suporte polimérico gases de escape ricos em CO2 atravessam o reactor até à superfície melhoria das condições para fotossíntese biomassa em excesso recolhida usada em compostagem Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC 98 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Fitotecnologia TPC Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos de origem animal: gorduras, proteínas e hidratos de carbono resultantes da digestão incompleta de alimentos de origem animal e vegetal resíduos de matadouro os anteriores mais gorduras e proteínas resultantes do abate materiais excretados pelos animais produtos resultantes da degradação metabólica ureia e outros pequenos compostos azotados, ... bactérias mortas e vivas, residentes no aparelho digestivo dos animais 99 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos de origem vegetal: celulose hemicelulose lenhina Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos 2.5x109 t/ano na UE 1x109 t de origem agrícola 5.5x108 t de resíduos florestais e de jardinagem 5x108 t de esgotos 2.5x108 t da indústria alimentar 2x108 t de resíduos sólidos municipais 2000 100 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos aterros sanitários resíduos biológicos sofrem biodegradação natural autólise seguida de putrefacção depende de: natureza e idade do material temperatura humidade … Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos aterros sanitários decomposição aeróbia nas camadas mais superficiais CO2 decomposição anaeróbia em camadas mais profundas CO2 + CH4 + H2 + NH3 + H2S limitação de utilização de aterros, pela UE, devido a CH4 até 2020, estados terão que reduzir em 65%, relativamente a 1995, deposição de bioresíduos 101 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos aterros sanitários bioresíduos podem agravar produção de lixiviados poluentes Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos objectivos: reduzir o potencial de efeitos adversos para ambiente e saúde humana obter materiais para reutilização N, K, P, … produzir um produto final útil 102 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos decomposição de bioresíduos por microrganismos para obter um material estável e de menores dimensões moléculas orgânicas complexas convertidos em compostos mais simples apropriados para reciclagem Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vantagens ambientais: redução do volume de bioresíduos colocados em aterros redução das emissões de gases pelos aterros redução do efeito de estufa libertação de espaço para materiais mais adequados a aterros produção de um produto fertilizante redução da procura de turfa redução da utilização de ferilizantes artificiais aumento da fertilidade dos solos reduzir efeitos da erosão 103 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos maior sucesso com resíduos de origem vegetal maior eficácia quando existem esquemas de separação e recolha de bioresíduos adequados Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem e digestão anaeróbia são principais processos vermicompostagem conversão em etanol fermentação eutrófica 104 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem 4 fases: fase de latência T ambiente (~22 ºC) microrganismos infiltram-se, colonizam e adaptam-se ao material fase de crescimento ~22 ºC a ~40 ºC crescimento e reprodução microbiana aumento da taxa de respiração aumento da temperatura Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem 4 fases: fase termofílica ~40 ºC a ~60 ºC composto alcança T máxima esterilização máxima de patogénios no final da fase, T desce para ~40 ºC fase de maturação ~40 ºC a T ambiente 2ª fase mesofílica, mais lenta actividade microbiana diminui compostos orgânicos complexos transformados em substâncias húmicas NH3 residual nitrificada em NO2 e depois NO3 105 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem numa instalação municipal há carência de tempo e espaço velocidade de colonização microbiana é limitante necessidade de reduzir fase de latência adequação do tamanho de partícula do material trituração, ... Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem processo altera razão C/N do material conversão de C orgânico em CO2 razão C/N inicial é importante para eficácia do processo C/N > 25 pode inibir mineralização de N problemas na utilização como fertilizante 106 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem decomposição inicial levada a cabo por bactérias mesofílicas aquecimento produzido cria condições para termófilos principais responsáveis pela degradação de hidratos de carbono e proteínas inibidos pelas temperaturas máximas alcançadas (70 ºC – 75 ºC) Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem na fase de maturação, actinomicetas tornam-se dominantes nas camadas superficiais decomposição de celulose e lenhina 107 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem mineralização de N: Nitrosomonas convertem NH3 em NO2 Nitrobacter convertem NO2 em NO3 bactérias inactivadas a T>40 ºC e com crescimento lento actuam sobretudo na fase de maturação Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala razão área superficial vs. volume reduzida dificulta entrada de O2 5 + 1 estratégias: pilhas reviradas (windrow) pilhas estáticas túnel tambor rotativo sistema fechado (in-vessel) raramente compostagem em torre 108 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala não existe um sistema preferencial escolha depende de: natureza e quantidade de bioresíduos qualidade pretendida do produto final tempo disponível mão de obra disponibilidade de terreno custos Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas reviradas bioresíduos colocados em longas filas paralelas 2 – 3 m altura x 3 – 4 m largura, na base pode existir em local fechado; mais comum no exterior maior exposição exterior torna controlo mais difícil tipicamente usado para resíduos de parques e jardins 109 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas reviradas arejamento natural por difusão e convecção aumentado por agitação periódica melhor mistura do material e aceleração da decomposição Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas reviradas grandes necessidades de terreno potencial mau cheiro potencial libertação de esporos de fungos e biopartículas durante agitação 110 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas reviradas maioria das instalações em larga escala pode ser instalado junto a aterros redução das desvantagens Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas estáticas semelhante às pilhas reviradas, mas sem agitação filas mais altas e largas se necessário agitar, usado equipamento agrícola mais barato em equipamento, mão de obra e operação decomposição mais lenta requer muito terreno e durante longos períodos 111 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala pilhas estáticas alternativa para co-compostagem de resíduos alimentares ou de jardim com estrume ou lamas arejamento forçado chão perfurado e ventoinhas processo acelerado mais caro reservado para sistemas de pequenas dimensões e com bom controlo de odores Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala túnel muito usada na produção de cogumelos material colocado em túneis fechados ~5 m altura x 15 m comprimento para resíduos sólidos municipais sacos de PE com ~1 m alt. x 60 m comp. cheios com ~75 t de material pré-separado ar forçado por ventiladores fendas nas paredes laterais para saída de CO2 112 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala túnel tempo de processamento reduzido, devido a maior facilidade de controlo das condições no interior do túnel Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala tambor rotativo “épocas” de utilização preferidos por uem faz co-compostagem de lamas com materiais mais fibrosos (palhas, resíduos de jardim, …) resíduos colocados no tambor aço, isolado no interior para reduzir perca de calor rotação lenta mistura material e auxilia arejamento 113 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala sistema fechado diversos modelos tanques pequenos de aço ou plástico grandes gaiolas de metal depósitos compridos de betão, com paredes laterais altas Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala sistema fechado condições internas bem controladas utilização eficaz do espaço mais caro, devido a necessidade de arejamento pouco adequado para grande escala 114 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala depende de: arejamento temperatura teor de humidade tamanho da partícula natureza do resíduo aceleradores tempo de processamento Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala temperatura atingir pelo menos 55 ºC desinfecção adequada do material não há consenso sobre tempo de permanência não ultrapassar 70 ºC morte ou inactivação da maioria dos microrganismos desaceleração ou paragem da biodegradação 115 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala teor de humidade ~60% ideal 40 - 70% intervalo razoável 25 - 30 % pode originar inibição biológica humidade demasiado elevada pode dificultar arejamento e influenciar lixiviação composto vai perdendo humidade, sobretudo superficial Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala tamanho da partícula necessário um compromisso quanto mais pequenas as partículas, maior a razão superfície/volume mais material disponível para ataque microbiano acelera processo de decomposição partículas demasiado pequenas tendem a compactar redução do arejamento 116 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala natureza do resíduo co-compostagem pode optimizar condições ex: lamas e estrumes aditivos usados para melhorar natureza química ou física do material pouca influência no custo mistura pode ter características de decomposição diferentes influência na natureza do produto final Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala aceleradores apenas usados com resíduos de valor elevado substâncias em co-compostagem podem actuar como aceleradores 117 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos compostagem em larga escala tempo de processamento tempo necessário depende dos outros factores ex: resíduos alimentares ou de jardim < 3 meses sistemas fechados arejados ou pilhas reviradas 1 ano ou mais pilhas estáticas Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia utilização crescente versão controlado dos processos naturais que ocorrem num aterro libertação controlada de gás rico em CH4 bactérias anaeróbias convertem grandes moléculas orgânicas em CH4 e CO2 + outros produtos reacção muito complexa centenas de passos e compostos intermédios 118 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia pode ocorrer em 3 gamas de temperatura: criofílica (< 20 ºC) mesofílica (20 - 45 ºC) termofílica (> 45 ºC) muito menos exotérmica que compostagem decomposição mais irregular biorreactores especiais permitem ultrapassar problema aquecimento externo Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia hidrólise hidratos de carbono, celulose, proteínas e gorduras degradados e liquefeitos enzimas extracelulares produzidas pelas bactérias hidrolíticas 119 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia hidrólise proteínas originam aminoácidos gorduras produzem ácidos gordos de cadeias longas hidratos de carbono degradam a açúcares simples polímeros biológicos complexos (celulose, …) degradados em substâncias solúveis passo limitante da digestão Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia hidrólise velocidade depende de: natureza e disponibilidade do substrato população microbiana temperatura pH 120 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia acidogénese produtos da hidrólise mais ácidos gordos voláteis derivados das proteínas, gorduras e hidratos de carbono convertidos em ácidos acético, lático e propiónico pH baixa também produzidos metanol e outros álcoois simples, CO2 e H2 proporção dos diferentes produtos depende de: espécies microbianas condições ambientais no reactor Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia metanogénese anaeróbios estritos crescimento mais lento que os anteriores produção de CH4 a partir dos compostos produzidos nas fases anteriores ácido acético e acetatos são os mais importantes CH3COOH ↓ CH4 + CO2 CH3OH + H2 ↓ CH4 + H2O CO2 + 4H2 ↓ CH4 + 2H2O 121 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia metanogénese bactérias metanogénicas convertem ácidos gordos voláteis em CH4 limitam descida do pH metanogénicas só subsistem a pH 6.6 - 7.0 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia 4 grupos de bactérias: hidrolíticas fermentativas Clostridium e Peptococcus acetogénicas Syntrophobacter e Syntrophomonas metanogénicas acetoclásticas Methanosarcina e Methanothrix metanogénicas hidrogenotróficas Methanobacterium e Methanobrevibacterium 122 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia operações apenas em larga escala requer mais recursos requer mão de obra mais qualificada Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia diversos sistemas 123 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia reactor compartimentado fluxo horizontal de bioresíduo através do corpo do reactor adequado para diversos materiais Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia reactor de leito fixo placa na qual se estabelece um biofilme bacteriano digestão dá-se na sua superfície ideal para resíduos com baixo teor de sólidos 124 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia reactor de mistura completa biomassa produzida durante o processo é reciclada, após remoção de água aumenta tempo de retenção para sólidos usado para bioresíduos industriais densos tanque de agitação contínua semelhante ao anterior, mas sem recirculação tratamento de resíduos líquidos ou pouco densos Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia reactor de leito fluidizado meio de crescimento microbiano interno fluidizado pelo resíduo líquido circulante adequado para resíduos líquidos ou muito diluídos 125 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia processos multi-fásicos diversas fases separadas em reactores diferentes usados sobretudo em investigação upflow anaerobic sludge blanket (UASB) número relativamente elevado de bactérias activas adequados para tratamento de resíduos com baixo teor de sólidos usado em reíduos líquidos industriais ou suspensões ligeiras Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia influenciada por factores físicos e químicos temperatura tempo de retenção agitação humidade alimentação taxa de carga pH concentração de ácidos gordos voláteis 126 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia temperatura sistemas comerciais operam a ~35 ºC ou ~55 ºC temperatura relativamente constante é essencial tempo de retanção relação directa entre temperatura e tempo de retenção optimização mais fácil se fases acidogénica e metanogénica separadas só utilizada em escala laboratorial “scale-up” encarece Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia agitação melhor mistura do material ausência de “zonas mortas” aumenta disponibilidade do resíduo para bactérias ajuda a dispersar e remover produtos de degradação uniformização da temperatura no digestor humidade se resíduo demasiado seco, necessário adicionar um líquido água, líquido de recirculação, … 127 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia alimentação tamanho de partícula e natureza do material são importantes para a degradação partículas mais finas permitem melhor processamento taxa de carga depende de: características do resíduo humidade volume do digestor tempo de retenção … Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos digestão anaeróbia pH e concentração de ácidos gordos voláteis factores interdependentes muitas das bactérias são dependentes do pH concentrações elevadas de ácidos gordos voláteis indicam instabilidade no digestor aumento da concentração ácidos goros voláteis é habitualmente acompanhada por decréscimo de pH 128 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem camadas mais finas que em compostagem requer mais espaço grande produção de biomassa população inicial de ~500 animais/m2 após adaptação taxa de produção de biomassa 0.07kg/m2 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem requer cuidadoso controlo das condições ambientais organismos possuem limites físicos e biológicos mais estreitos que microrganismos usados na compostagem arejamento eficaz, devido à elevada razão superfície/volume sobretudo nas camadas superficiais, onde se encontra a maioria dos vermes 129 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem desenho tem em conta garantir a humidade necessária aos vermes permuta de gás através da pele drenagem impede excesso de água coberturas bem ventiladas, sobretudo em instalações no exterior evitar problemas relacionados com meteorologia evitar luz do dia maior período de “trabalho” dos vermes Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem diversas espécis de vermes 2 grandes grupos minhocas minhocas vermelhas 130 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem minhocas Lumbricus, Amynthas, Pheretima elongata escavadoras consomem material biológico morto directamente do solo não assimilam directamente bioresíduos produzem vermicomposto, o qual contém o valor nutricional dos compostos orgânicos transformados Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem minhocas vermelhas Dendrobaena, Helodrilus, Eisenia alimentam-se rápida e directamente do resíduo consomem mais de metade do seu peso por dia material convertido em biomassa crescimento dos vermes e aumento da população minhocas decompõem-se e mineralizam eficazmente os bioresíduos 131 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem redução no volume dos resíduos por vezes > 70% produz material final bem estabilizado rico em K, N, P e outros minerais elevado valor como fertilizante Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem biomassa pode ser recolhida como cultura de início para vermicompostagem venda como isco 132 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos vermicompostagem combinação com compostagem pré-compostagem permite inactivação termofílica de patogénios durante esta fase há redução dos teores de amónia vermes muito sensíveis a NH3 pode haver um efeito negativo no crescimento e reprodução dos vermes acção dos vermes origina mais rapidamente um produto de elevada qualidade Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos conversão em etanol conversão da celulose, contida em muitos bioresíduos, em EtOH 133 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos TPC bioresíduos tratamento biológico de resíduos conversão em etanol ex: California produz > 51x106 t resíduos (massa seca) capacidade de produzir > 13x109 L EtOH Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos fermentação eutrófica biodegradação aeróbia acelerada fermentação - toda a degradação microbiana eutrófica - ambiente rico em nutrientes, onde ocorre 134 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos fermentação eutrófica resíduo convertido em lama fina colocado no bioreactor, arejado por difusores na base agitado e aquecido a ~35 ºC resíduo degrada-se ao fim de 35 dias pode recuperar-se 10% do volume original, sob forma de sólidos líquido obtido contém 6 - 10% de sólidos em suspensão uso como fertilizante Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos bioresíduos tratamento biológico de resíduos fermentação eutrófica aplicação essencialmente laboratorial possível transição para aplicação comercial? TPC 135 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos TPC Biotecnologia Ambiental Tratamento de resíduos TPC 136 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética isolamento de DNA Biotecnologia Ambiental Manipulação genética recombinação de DNA 137 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética inserção de DNA Biotecnologia Ambiental Manipulação genética bactérias recombinantes expansão das vias metabólicas modificação da capacidade metabólica introdução de novas vias aplicações: melhor degradação de contaminantes produção de enzimas para a indústria … processos menos agressivos para o ambiente 138 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética bactérias recombinantes ex: estirpe de E. coli em que foram colocados 15 genes de Pseudomonas obter uma via de produção de indigo para colorir ganga evita uso de produtos químicos (método tradicional) TPC Biotecnologia Ambiental Manipulação genética leveduras recombinantes vírus recombinantes 139 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas aumentar a tolerância a condições ambientais extremas adaptar plantas à assimilação de poluentes degradação ou dispersão por fitoremediação modificar plantas para produzir materiais que conduzam à redução da poluição ambiental Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas problemas: paredes celulares rígidas técnicas especializadas de transformação ausência de plasmídeos manipulação feita em bactérias e produto final transferido para a planta 140 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas maioria produzida por transferência do plasmídeo Ti de Agrobacterium tumefaciens Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas técnica de bombardeamento com partículas (gene gun) 141 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas técnica de fusão de protoplasto parede celular removida permeável a pequenos fragmentos de DNA Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas inserção de DNA no genoma é aleatória 142 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética TPC plantas transgénicas exemplos: proteger plantas de vírus, fungos e agentes de oxidação planta transgénica expressa ferritina proteína quelante de ferro resistência aos efeitos do glicofosato herbicida análogo a fosfoenol piruvato TPC actividade devida a inibição de 5enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintase gene que codifica para a enzima introduzido nas plantas Biotecnologia Ambiental Manipulação genética TPC plantas transgénicas exemplos: alternativa transferir genes das monooxigenases do citocroma P450 de mamíferos para plantas de tabaco genes envolvidos na desintoxicação de xenobióticos plantas transgénicas mostram resistência a herbicidas 143 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas exemplos: genes para d-endotoxina em Bacillus thuringiensis transferidos para plantas maior resistência a pestes Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas exemplos: bactérias usam lactonas de N-acilhomoserina (AHLs) para comunicar entre si capazes de detectar, e reagir, se o seu número se reduz abaixo de um valor crítico criadas plantas transgénicas capazes de exprimir mesmo sinal bactérias “enganadas” plantas mais resistentes a infecção TPC 144 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas exemplos: Pseudomonas syringae produz proteína que promove produção de cristais de gelo, a pouco menos de 0 ºC maior risco de dano por geada, em plantas obtenção de mutantes sem esta capacidade e introdução do gene em morangueiros protecção das plantas contra geada Biotecnologia Ambiental Manipulação genética plantas transgénicas exemplos: modificação de árvores para desintoxicação de solos contaminados com Hg gene bacteriano responsável pela produção de uma enzima envolvida na degradação de explosivos, transferido para plantas de tabaco estudo da capacidade de degradar TNT 145 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Manipulação genética TPC Biotecnologia Ambiental Integração tecnologias limpas sistema integrado processos de produção colaboram na redução de resíduos e na minimização da poluição 146 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração bioenergia energia de todos os biocombustíveis originada no Sol biosfera recolhe ~2x1021 J/ano durante combustão da biomassa e outros processos metabólicos C orgânico reage com O2 liberta maioria da energia, sobretudo como calor matéria residual reutilizada por ciclos naturais 2.5x1011 t/ano de matéria seca na biosfera 1x1011 t são carbono Biotecnologia Ambiental Integração bioenergia substituição de combustíveis fósseis bioenergia apenas liberta C absorvido durante crescimento só usa C “moderno” não origina contribuição atmosférica de CO2 “antigo” 147 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biogás gás rico em CH4, resultante da degradação de moléculas orgânicas complexas por bactérias anaeróbias combustível valor energético - 21-28 MJ/m3 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biogás principal via de produção de CH4 é a do acetato/ácido acético ~75% do gás produzido restante obtido via MeOH ou CO2 e H2 148 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biogás optimização de condições é difícil nem elevada redução de resíduos nem elevada produção de gás na prática, só produzidos ~25% do biogás potencial Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biogás utilização biogás mais puro que gás produzido em aterros maioria da matéria inorgânica e poluentes potenciais excluídos do reactor biogás queimado e parte da energia transformada em electricidade processos termodinamicamente pouco eficazes 149 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH fermentação produz EtOH em água destilação simples para obter EtOH a 95% codestilação azeotrópica para obter EtOH anidro pode ser usado como substituto do combustível fóssil ou em conjunto menor poder calorífico que petróleo, mas melhores propriedades de combustão Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH 150 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH principais culturas utilizadas: milho e soja – EUA e China cana de açúcar – Brasil e Índia beterraba sacarina, trigo e cevada – Europa mandioca – Ásia e África produção: EUA, Brasil, Europa – 95% Índia, Canadá, China - ~5% Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH calcula-se que entre 2003 e 2030, consumo de energia no mundo aumente 71% produção internacional de EtOH cresceu 165% entre 2000 e 2005 grande parte de terra arável utilizada em produção de biocombustíveis 151 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH tentativas de produção de EtOH a partir de diversos resíduos microrganismos naturais enzimas isoladas organismos geneticamente modificados Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH 152 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH tecnologia conseguiu ultrapassar dificuldades na fermentação da celulose destilação final produz grandes quantidades de produtos secundários potencialmente poluentes “vinhaças” com CBO e CQO elevados 6-16 L produzidos por litro de EtOH destilado Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis EtOH tratamento das “vinhaças” é caro alternativas: tratamentos anaeróbios processo integrado num único local fermentação de bioresíduos para obtenção de EtOH destilação do EtOH produção de biogás a partir das “vinhaças” fase final de estabilização aeróbia 153 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis talhadia de curta rotação estabelecimento de plantações, que serão colhidas de forma sustentável fonte, a longo prazo, de biomassa para combustão utiliza espécies hibridas de rápido crescimento Salix, Populus Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis talhadia de curta rotação exige quantidades substanciais de terra períodos de cultura de 2-4 anos antes de produzir quando estabelecidas, culturas produzem 8-20 t/hectare/ano de matéria seca valor calorífico de ~15x109 J/t 154 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis talhadia de curta rotação colheita em rotação diferentes secções alcançam estado de colheita em cada ano árvores são podadas e não derrubadas obtenção de material em contínuo Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis talhadia de curta rotação utilização por combustão troncos pequenos ou pedaços geralmente para aquecimento potencial para produção de electricidade 155 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis integração de bioresíduos após compostagem ou digestão anaeróbia, materiais aplicados nos solos como condicionantes reduzem necessidade de irrigação reduz problemas relacionados com seca reduz lexiviação de nitratos do solo Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biodiesel derivado de óleos vegetais, através de processos químicos não verdadeiramente biotecnológico vantagens: uso directo, em motores não modificados pode ser usado como combustível único, ou em misturas emissão reduzida de partículas melhores propriedades lubrificantes em mistura, melhora a biodegradabilidade do diesel convencional gases de escape menos prejudiciais menores teores de PAHs e nPAHs 156 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biodiesel Biotecnologia Ambiental Integração biocombustíveis biodiesel relatório da UE conclui que: produção actual é poluente biodiesel ineficaz em termos de custo e energético 157 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas utilização de extractos de composto controlo de doenças específico para algumas culturas acção dupla: protecção contra doenças das folhas inóculo para restaurar ou aumentar comunidades microbianas no solo Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas extractos são método natural muito eficaz reduz necessidade de intervenção química 158 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas mecanismos prováveis: competição directa com o agente patogénico indução de resistência à doença inibição da germinação de esporos bactérias, leveduras e bolores presentes nos extractos são agentes activos compostos orgânicos também fenóis, aminoácidos Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas extractos preparados por 2 métodos: “fermentação” (original) suspensão de composto em água (1:6 em volume) mistura repousa 3-7 dias grosseiramente filtrada antes de usada infusão, não verdadeira fermentação 159 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas extractos preparados por 2 métodos: extracção com arejamento transferência de oxigénio para o extracto, durante a sua formação passagem de água através do composto licor resultante recolhido e recirculado diversas vezes concentração e arejamento mais activo e mais rápido (10-12 h) Biotecnologia Ambiental Integração supressão de doenças em plantas extractos aspergidos sobre as folhas ~1000 L/ha 160 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração produção de bens bactérias produtoras de polímeros naturais obtenção de plásticos mais caro que por processo tradicional plásticos mais frágeis Biotecnologia Ambiental Integração produção de bens produção de plásticos por plantas alternativa mais eficaz difícil conseguir o monómero desejado variedades geneticamente modificadas de colza e agrião produzem poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) nas folhas e sementes aplicação comercial 161 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração TPC produção de bens produção de plásticos por plantas inserção de genes bacterianos responsáveis pela produção de plásticos em Arabidopsis e Brassica torna processo mais barato fotossíntese fornece carbono e intermediários metabólicos, obtidos a partir de ácidos gordos e aminoácidos produção de PHBV de boa qualidade rendimento baixo processo necessita afinação Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos d-endotoxina produzida por Bacillus thuringiensis toxina Bt activa contra membros dos: Lepidópteros (borboletas e traças) Dípteros (moscas, mosquitos e cecidomídios) Coleópteros (escaravelhos) usada há muitos anos na sua forma não modificada várias estirpes da bactéria produzem toxinas activas contra nº limitado de espécies de insectos 162 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos limitações: nº limitado de insectos susceptíveis a cada toxina requer dosagem com múltiplas toxinas ingestão insuficiente pelo insecto não letal num período suficientemente curto instabilidade da toxina quando aplicada nas colheitas desenvolvimento de resistência pelos insectos Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos genes responsáveis pelas toxinas isolados possível alteração e introdução em vectores mais eficazes bactérias ou plantas diminuição das limitações 163 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos nemátodos demonstram grande potencial aplicados como spray complementam B. thuringiensis Steinernema sp. Biotecnologia Ambiental Integração TPC pesticidas microbianos outras espécies de Bacillus usadas: B. sphaericus produz toxina mais potente que Bt, mas mais específica ataca larvas de mosquito larvas e bactérias abundantes em águas muito poluídas B. popillae não produz toxinas mata hospedeiro devido a grande eficácia de reprodução activo contra besouro japonês saudável infectada 164 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos Baculovírus: registados para uso como insecticidas nos EUA e Europa isolados a partir de diversas famílias de insectos ciclo infeccioso passa por fase em que várias partículas virais estão ligadas num grande cristal proteico Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos Baculovírus: cristal protege partículas até ingestão por um insecto enzimas digestivas libertam vírus vírus entram nos núcleos celulares do insecto inicia ciclo de replicação viral ~12 h após infecção inicial partículas virais libertadas infecção de células vizinhas 24 h após infecção proteína protectora do vírus produzida em quantidade suficiente para juntar novas estruturas cristalinas todos os tecidos do insecto danificados ao morrer, insecto é uma massa de partículas virais rodeada pela sua cutícula 165 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos Baculovírus: cadáver do insecto comido por pássaros disseminado sem ser atacado pelas enzimas digestivas do pássaro Biotecnologia Ambiental Integração pesticidas microbianos Baculovírus: vírus pode ser produzido em laboratório só infecta in vivo sequência genética da proteína pode ser substituída por gene externo maior capacidade de expressão 166 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo 2 categorias: microrganismos externos à planta bactérias e bolores do solo microrganismos internos bactérias endófitas bactérias envolvidas na fixação de azoto, … bolores internos patogénicos das plantas Agrobacterium plasmodium e A. tumefaciens Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo associações podem envolver bactérias, bolores e vírus por vezes interacções complexas envolvendo 3-4 organismos benefícios para plantas em ambientes deficientes em nutrientes 167 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta superficiais ao redor e na superfície das folhas, sementes, flores e caules subterrâneos subsolo e em zonas distantes das raízes Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta colonização da rizosfera por bactérias parece ser estimulado pelo exudato da planta 1ª fase - atracção para as raízes 2ª fase - bactérias crescem e formam colónias 3ª fase - equilíbrio estabelecido entre massa de raízes e nº de bactérias exudato - fluxo de compostos orgânicos 168 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta microrganismos da rizosfera dependem da planta para obter compostos orgânicos quando as plantas morrem os componentes degradados pelas bactérias voltam ao solo e o ciclo recomeça plantas afectam composição da comunidade microbiana alguns compostos libertados pelas plantas podem ser inibidores, outros estimulantes Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta microrganismos afectam crescimento das plantas libertam para o solo factores de crescimento afectam exudato da planta para a rizosfera taxa de exudação depende de: presença de bactérias do solo redução da massa da planta, devido à colheita alterações ambientais (luz, temperatura, …) 169 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração TPC interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta bactérias e bolores contribuem para população da rizosfera bolores também auxiliam crescimento da planta micélios penetram solo ao redor da raiz facilitam absorção de nutrientes bactérias podem colaborar nesta associação redução de fertilizantes artificiais redução de danos ambientais Biotecnologia Ambiental Integração TPC interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta saúde humana redução do efeito dos “edifícios doentes” bactérias existentes nos vasos de plantas capazes de degradar diversos compostos voláteis responsáveis pelo efeito fenóis, formaldeído e tricloroetileno plantas contribuem ao suportar microrganismos na sua rizosfera e ao produzir O2 170 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos externos à planta degradação de lenhina bolores filamentosos auxiliam degradação nos trópicos, acelerada por bactérias residentes no aparelho digestivo de térmitas requer presença de O2 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo microrganismos internos à planta bolores e bactérias internos algumas bactérias endófitas não beneficiam nem prejudicam a planta (comensais) bactérias simbióticas promovem crescimento da planta ou protegem-na de patogénicos patogénicos da planta bacterianos ou virais 171 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo poucos organismos capazes de fixar azoto todos procariotas ex: Rhizobium nos tecidos radiculares das plantas Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo fixação de azoto todos organismos vivos requerem azoto nitrato, amónia, amónio ou aminoácidos dependência de organismos fixadores 172 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo fixação de azoto azoto fixado por redução a amónia organismos livres ou em simbiose com plantas necessária anaerobiose enzimas irreversivelmente inactivadas por O2 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo fixação de azoto organismos livres Clostridium e Klebsiella - anaeróbios Cyanobacteria e Azobacter - têm que criar ambiente anaeróbio outras bactérias fixadoras de azoto: Corynebacterium (bactérias filamentosas) Rhodospirillum (bactérias fotossintéticas) 173 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo fixação de azoto simbiotas fixam ~10 vezes mais azoto plantas têm maior capacidade de fornecer energia necessária (ATP) plantas fornecem nutrientes necessários às bactérias ácidos dicarboxílicos málico, succínico Fe, S, Mo plantas proporcionam ambiente anaeróbio Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo fixação de azoto fixação por bactérias responde apenas a necessidades da planta, não causando poluição fertilizantes artificiais podem ser usados em excesso lixiviação para cursos de água modificação de plantas para aumentar eficácia de fixação e aumentar nº de variedades sobretudo espécies cultivadas 174 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo bolores também são frequentes em plantas várias ervas e diversas plantas cultivadas tomates, maçãs, feijões, trigo, milho, … plantas/bolores em simbiose para fixação de azoto alguns bolores protegem as plantas bolor produz alcalóides que tornam a planta menos susceptível a ataques de insectos Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo patogénicos das plantas identificação e isolamento de genes da planta ligados à resistência a patogénicos e de genes de virulência manipulação para reduzir a necessidade de tratamentos químicos, prejudiciais ao ambiente exs: Agrobacterium tumefaciens Vírus do Mosaico da Couve-flor 175 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo patogénicos das plantas Agrobacterium tumefaciens provoca formação de uma espécie de tumor na planta bactéria injecta pequeno pedaço de DNA genes necessários contidos num plasmídeo plasmídeo Ti processo de infecção estimulado pelo exudato da planta resultante de uma lesão na planta, produzida por qualquer meio Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo patogénicos das plantas Agrobacterium tumefaciens sistema muito eficaz para transferência de genes bacterianos para células de plantas 176 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo patogénicos das plantas Vírus do Mosaico da Couve-flor insectos são o método mais comum para transferir vírus entre plantas outras vias: transferência por partes de plantas através de sementes, tubérculos ou pólen agentes capazes de penetrar no tecido da planta nemátodos do solo, bolores parasitas Biotecnologia Ambiental Integração interacções planta/microrganismo patogénicos das plantas Vírus do Mosaico da Couve-flor material genético da maioria dos vírus das plantas é RNA cadeia simples ou dupla Vírus do Mosaico da Couve-flor possui um genoma de DNA mais eficaz para expressão de genes externos numa planta 177 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração remoção de metais de efluentes produzidas anualmente ~100 kt/ano de lúpulo apenas os cones são usados pela indústria cervejeira restante resíduo problema para a indústria resíduo macerado e misturado com sílica forma polímero eficaz na remoção de metais contaminantes de efluentes Cd, Cr, Cu, Pb, Zn sendo específico para alguns metais, não tem problemas das resinas de permuta iónica habitualmente usadas Mg, Ca tratamento com ácido fraco recuperação de 90% dos metais polímero pode ser reutilizado Biotecnologia Ambiental Integração TPC 178 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Integração TPC Biotecnologia Ambiental Tendências futuras biosensores levedura geneticamente modificada para detectar disruptores endócrinos estrogénio, 17b-estradiol, … uso potencial em detecção de poluentes 179 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial redução da poluição e da produção de resíduos 2 estratégias: métodos a priori evitar o problema métodos a posteriori limpeza mais eficaz Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial redução da poluição e da produção de resíduos métodos a priori métodos de produção limpa 180 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial processos de produção biotecnológica permitem: reduzir necessidades energéticas poluição nos efluentes gerados redução de resíduos com necessidade de tratamento surgimento de novas tecnologias novos biocatalisadores uso de macromoléculas biológicas em processos de produção Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial extremozimas isoladas de bactérias e archaea potencial catálise de reacções antes só possíveis por via físico-química enzima obtida a partir de um termófilo para aumentar eficácia da produção de ciclodextrina, a partir de xarope de milho tecnologia limpa 181 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial extremozimas isoladas de bactérias e archaea aplicações potenciais: amilases para produção de doces ou álcool proteases para produção de aminoácidos, panificação, cervejaria e detergentes xilanases para branqueamento de papel desidrogenases e oxidoreductases para diversas aplicações Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial uso de hipertermófilos para produzir H2, CH4 e H2S Desulfuromonas produz H2S a partir de enxofre 18-80 ºC catálise química requer 500 ºC 182 09-09-2008 Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial psicrófilos usados em detergentes biológicos “a frio” também no fabrico de perfumes redução de percas por evaporação enzimas halófilas para aumentar quantidade de petróleo extraído Biotecnologia Ambiental Tendências futuras poluição industrial utilização de extremófilos vai requerer novos tipos de reactores e técnicas de fermentação 183
