Biorremediação: características, tipos, vantagens e desvantagens

Biorremediação é um conjunto de biotecnologias de saneamento ambiental que utiliza as capacidades metabólicas de microrganismos bacterianos, fungos, plantas e / ou suas enzimas isoladas para eliminar contaminantes no solo e na água.

Microrganismos (bactérias e fungos) e algumas plantas podem biotransformar uma ampla variedade de compostos orgânicos tóxicos e poluentes, tornando-os não prejudiciais ou inofensivos. Eles podem até mesmo biodegradar alguns compostos orgânicos em suas formas mais simples, como metano (CH ₄ ) e dióxido de carbono (CO ₂ ).

Também alguns microorganismos e plantas podem extrair ou imobilizar no ambiente ( in situ) elementos químicos tóxicos, como metais pesados. Ao imobilizar a substância tóxica no meio ambiente, ela não está mais disponível para os organismos vivos e, portanto, não os afeta.

Portanto, a diminuição da biodisponibilidade de uma substância tóxica também é uma forma de biorremediação, embora não implique a eliminação da substância do meio.

Atualmente existe um crescente interesse científico e comercial no desenvolvimento de tecnologias econômicas de baixo impacto ambiental (ou "ambientalmente corretas"), como a biorremediação de águas superficiais, lençóis freáticos, lodo e solo contaminado.

Características da biorremediação

Contaminantes que podem ser bio-remediados

Entre os poluentes biorremediados estão os metais pesados, substâncias radioativas, poluentes orgânicos tóxicos, substâncias explosivas, compostos orgânicos derivados do petróleo (hidrocarbonetos poliaromáticos ou HPAs), fenóis, entre outros.

Condições físico-químicas durante a biorremediação

Como os processos de biorremediação dependem da atividade de microrganismos e plantas vivas ou de suas enzimas isoladas, as condições físico-químicas apropriadas para cada organismo ou sistema enzimático devem ser mantidas, a fim de otimizar sua atividade metabólica no processo de biorremediação.

Fatores que devem ser otimizados e mantidos durante todo o processo de biorremediação

-A concentração e biodisponibilidade do poluente sob condições ambientais: porque se for muito alto pode ser prejudicial para os mesmos microorganismos que têm a capacidade de biotransformá-los.

-A umidade: a disponibilidade de água é essencial para organismos vivos, bem como para a atividade enzimática de catalisadores biológicos livres de células. Geralmente, uma umidade relativa de 12 a 25% deve ser mantida em solos submetidos a biorremediação.

-A temperatura: deve estar na faixa que permita a sobrevivência dos organismos aplicados e / ou a atividade enzimática necessária.

-Os nutrientes biodisponíveis: essenciais para o crescimento e multiplicação dos microrganismos de interesse. Principalmente carbono, fósforo e nitrogênio devem ser controlados, assim como alguns minerais essenciais.

-A acidez ou alcalinidade do meio aquoso ou pH (medição de íons H + no meio).

- Disponibilidade de oxigênio: na maioria das técnicas de biorremediação, microrganismos aeróbicos são usados (por exemplo em compostagem, biopros e landfarming ), e a aeração do substrato é necessária. No entanto, microorganismos anaeróbios podem ser usados em processos de biorremediação sob condições laboratoriais altamente controladas (usando biorreatores).

Tipos de biorremediação

Entre as biotecnologias de biorremediação aplicadas estão as seguintes:

Bioestimulação

A bioestimulação consiste na estimulação in situ dos microrganismos já presentes no meio contaminado (microrganismos autóctones), capazes de biorremediação da substância contaminante.

A bioestimulação in situ é obtida otimizando as condições físico-químicas para que o processo desejado ocorra, ou seja; o pH, oxigênio, umidade, temperatura, entre outros, e adicionando os nutrientes necessários.

Bioaugmentação

A bioaumentação implica o aumento da quantidade de microrganismos de interesse (preferencialmente autóctones), graças à adição de seus inóculos cultivados em laboratório.

Posteriormente, uma vez inoculados os microrganismos de interesse in situ, as condições físico-químicas devem ser otimizadas (como na bioestimulação), para promover a atividade degradante dos microrganismos.

Para a aplicação da bioaumentação, os custos da cultura microbiana em biorreatores no laboratório devem ser considerados.

Tanto a bioestimulação como a bioaumentação podem ser combinadas com todas as outras biotecnologias descritas abaixo.

Compostagem

A compostagem consiste em misturar material contaminado com solo não contaminado suplementado com agentes ou nutrientes melhoradores de plantas ou animais. Esta mistura forma cones até 3 m de altura, separados uns dos outros.

A oxigenação das camadas inferiores dos cones deve ser controlada, através da remoção regular de um lugar para outro com maquinário. As condições ótimas de umidade, temperatura, pH, nutrientes, entre outros, também devem ser mantidas.

Biopiles

A técnica de biorremediação com biopilhas é a mesma que a técnica de compostagem descrita acima, exceto para:

Ausência de agentes melhoradores de origem vegetal ou animal.
A eliminação da aeração por movimento de um lugar para outro.

As biopilhas permanecem fixas no mesmo local, sendo arejadas em suas camadas internas através de um sistema de tubulação, cujos custos de instalação, operação e manutenção devem ser considerados desde a fase de projeto do sistema.

Landfarming

A biotecnologia chamada "landfarming" (traduzido do inglês: esculpida na terra), consiste em misturar o material contaminado (lama ou sedimento) com os primeiros 30 cm de solo não contaminado de uma terra extensa.

Nos primeiros centímetros de solo, a degradação de substâncias poluentes é favorecida graças à sua aeração e mistura. Para este trabalho, máquinas agrícolas são usadas, como tratores de arado.

A principal desvantagem do landfarming é que necessariamente requer grandes extensões de terra, que poderiam ser usadas para a produção de alimentos.

Fitorremediação

A fitorremediação, também chamada de biorremediação assistida por microrganismos e plantas, é um conjunto de biotecnologias baseadas no uso de plantas e microorganismos para remover, confinar ou reduzir a toxicidade de substâncias contaminantes em águas superficiais ou subterrâneas, lama e solo.

Durante a degradação da fitorremediação, pode ocorrer extração e / ou estabilização (redução da biodisponibilidade) do contaminante. Esses processos dependem das interações entre plantas e microorganismos que vivem muito próximos de suas raízes, em uma área chamada rizosfera .

A fitorremediação tem sido especialmente bem-sucedida na remoção de metais pesados e substâncias radioativas do solo e das águas superficiais ou subterrâneas (ou rizofiltração de água contaminada).

Nesse caso, as plantas acumulam os metais do meio ambiente em seus tecidos e, em seguida, são colhidas e incineradas sob condições controladas, de modo que o poluente passa de disperso para o ambiente, para ser concentrado na forma de cinzas.

As cinzas obtidas podem ser tratadas para recuperar o metal (se é de interesse econômico), ou podem ser abandonadas em locais de disposição final de resíduos.

Uma desvantagem da fitorremediação é a falta de conhecimento profundo das interações que ocorrem entre os organismos envolvidos (plantas, bactérias e possivelmente fungos micorrízicos).

Por outro lado, devem ser mantidas condições ambientais que atendam às necessidades de todas as agências aplicadas.

Biorreatores

Os biorreatores são recipientes de tamanho considerável, que permitem manter condições físico-químicas muito controladas em meios de cultura aquosos, com o objetivo de favorecer um processo biológico de interesse.

Nos biorreatores, microorganismos e fungos bacterianos podem ser cultivados em larga escala e em laboratório e aplicados em processos de bioapropriação in situ. Microrganismos também podem ser cultivados no interesse de obter suas enzimas degradando substâncias contaminantes.

Os biorreatores são utilizados em processos de biorremediação ex situ, quando o substrato contaminado é misturado ao meio de cultura microbiano, favorecendo a degradação do contaminante.

Os microorganismos cultivados nos biorreatores podem até ser anaeróbicos, caso em que o meio de cultura aquoso deve não ter oxigênio dissolvido.

Entre as biotecnologias de biorremediação, o uso de biorreatores é relativamente caro, devido à manutenção de equipamentos e requisitos para a cultura microbiana.

Micorremediação

Micorremediação refere-se ao uso de microorganismos fúngicos (fungos microscópicos) em processos de biorremediação de uma substância contaminante tóxica.

Deve-se considerar que o cultivo de fungos microscópicos é geralmente mais complexo que o das bactérias e, portanto, implica custos mais elevados. Além disso, os fungos crescem e se reproduzem mais lentamente que as bactérias, sendo a biorremediação assistida por cogumelo um processo mais lento.

Biorremediação versus tecnologias físicas e químicas convencionais

-Vantagens

As biotecnologias de biorremediação são muito mais econômicas e amigáveis ao meio ambiente do que as tecnologias químicas e físicas de saneamento ambiental convencionalmente aplicadas.

Isso significa que a aplicação da biorremediação tem um impacto ambiental menor do que as práticas físico-químicas convencionais.

Por outro lado, dentre os microrganismos aplicados nos processos de biorremediação, alguns podem continuar mineralizando os compostos contaminantes, garantindo seu desaparecimento do meio ambiente, algo difícil de alcançar em uma única etapa com os processos físico-químicos convencionais.

-Desvantagens e aspectos a considerar

Capacidades metabólicas microbianas existentes na natureza

Como apenas 1% dos microrganismos existentes na natureza foram isolados, uma limitação da biorremediação é justamente a identificação de microrganismos capazes de biodegradar uma substância contaminante específica.

Ignorância do sistema aplicado

Por outro lado, a biorremediação funciona com um sistema complexo de dois ou mais organismos vivos, que geralmente não é completamente conhecido.

Alguns microrganismos estudados transformaram os compostos contaminantes em subprodutos ainda mais tóxicos. Por esta razão, é necessário estudar previamente no laboratório os organismos de biorremediação e suas interações profundas.

Além disso, testes piloto em pequena escala (no campo) devem ser realizados antes da aplicação em massa e, finalmente, os processos de biorremediação in situ devem ser monitorados para garantir que o saneamento ambiental ocorra corretamente.

Extrapolação dos resultados obtidos no laboratório

Devido à alta complexidade dos sistemas biológicos, os resultados obtidos em pequena escala no laboratório nem sempre podem ser extrapolados para processos no campo.

Particularidades de cada processo de biorremediação

Cada processo de biorremediação envolve um projeto experimental específico, de acordo com as condições particulares do local contaminado, o tipo de contaminante a ser tratado e os organismos a serem aplicados.

É necessário, portanto, que esses processos sejam dirigidos por grupos interdisciplinares de especialistas, entre os quais devem estar biólogos, químicos, engenheiros, entre outros.

A manutenção de condições físico-químicas ambientais para favorecer o crescimento e a atividade metabólica de interesse, implica uma tarefa permanente durante o processo de biorremediação.