Aplicação da Microbiologia

Caro(a) aluno(a), daremos início a esta unidade, falando o biogás, que é uma das várias fontes alternativas de energia. Sabemos que há muito tempo, existe uma grande preocupação com as fontes de energia que utilizamos, como por exemplo, os combustíveis fósseis. Essa fonte de energia não é renovável, e à medida que vai se tornando escassa, também tornam-se mais cara. Além disso, esse tipo de combustível é responsável pela geração de gases do efeito estufa. Por isso, existe um grande interesse em buscar fontes alternativas de energia limpas e renováveis para substituir a utilização de combustíveis fósseis.

Uma das principais fontes de energia renovável é a biomassa, que consiste da matéria orgânica total produzida por todos os organismos vivos, incluindo os resíduos domésticos e industriais. O papel dos micro-organismos na produção de energias renováveis está na bioconversão, que se trata do processo de conversão da biomassa em energia. Além disso, a bioconversão apresenta uma grande vantagem, a redução na quantidade de resíduos (TORTORA et al., 2017).

Dentre os diversos tipos de energia produzidas pela bioconversão, o biogás é a mais conveniente (TORTORA et al., 2017). O biogás é produzido a partir da decomposição de matéria orgânica por micro-organismos na ausência de oxigênio, ou seja, em condições anaeróbias. Muitos fatores influenciam a composição e a quantidade de biogás que é produzida, como umidade, temperatura, pH, além da composição da matéria orgânica que será decomposta, que é chamada de substrato. O biogás é composto principalmente por metano (CH\(_4\)) e dióxido de carbono (CO\(_2\)) e, em menor quantidade, amônia (NH\(_3\)), hidrogênio (H\(_2\)), ácido sulfídrico (H2S) e traços de outros gases. Sendo que o metano é produzido naturalmente o tempo todo, sendo gerado a partir de pântanos ou lama de lagos, além do rúmen de animais ruminantes. A capacidade energética, ou seja, o poder calorífico do biogás é determinado pela concentração de metano no biogás, sendo que essa concentração varia entre 50 e 85%. Um biogás com uma concentração de 60% de metano, por exemplo, possui valor calórico que permite que, a energia produzida por um metro cúbico seja equivalente a 1,3 a 1,7 kWh (Quilowatt-hora), de acordo com dados obtidos em campo (BIASI et al., 2018).

De acordo com Sganzerla (1983), um metro cúbico de biogás equivale a:

• 0,613 litro de gasolina;
• 0,579 litro de querosene;
• 0,553 litro de óleo diesel;
• 0,454 litro de gás de cozinha;
• 1,536 quilo de lenha;
• 0,790 litro de álcool hidratado;
• 1,428 kWh de eletricidade.

Segundo Barrera (2003) pode se produzir um metro cúbico de biogás com os seguintes substratos:

• 25 kg de esterco fresco de vaca;
• 5 kg de esterco seco de galinha;
• 12 kg de esterco de porco;
• 25 kg de plantas ou casca de cereais ou 20 kg de lixo.

Uma das várias vantagens do biogás, é que ele pode ser produzido a partir de diferentes tipos de biomassa como, resíduos de alimentos, dejetos de animais, resíduos vegetais, dentre outros. Além disso, o biogás produzido pode ser utilizado de diversas formas como: gerando energia térmica substituindo a lenha ou o diesel; geração de vapor; secagem de grãos. Pode ainda ser utilizado como energia mecânica para bombeamento de água, geração de energia elétrica pela queima (Figura 4.1) e produção de biometano, que é similar ao gás natural.

No entanto, para que o biometano seja produzido, o biogás deve passar por um processo de purificação que, aumenta a concentração do metano para 95%, de acordo com as exigências da Agência Nacional de Petróleo (BIASI et al., 2018).

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O Processo Microbiológico

Prezado(a) aluno(a), a seguir, estudaremos o processo microbiológico da produção do biogás. O processo de decomposição anaeróbia é realizado pela ação da associação de vários grupos de micro-organismos que agem de forma interdependente no processo de conversão da matéria orgânica, síntese de novas células bacterianas, de forma a fornecer energia e nutrientes que são necessários para seu desenvolvimento. A decomposição anaeróbia é complexa devido a quantidade reações e também pelo número de micro-organismos envolvidos, e pode ser dividida em quatro etapas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese (CIBIOGÁS, 2018). Caro(a) aluno(a), observe a Figura 4.2 um esquema que ilustra as principais etapas do processo de digestão anaeróbia.

Hidrólise – nessa etapa as moléculas orgânicas complexas (polímeros) são quebradas em moléculas menores ou mais simples. Esta fase é caracterizada pela ação de enzimas que são secretadas por bactérias fermentativas hidrolíticas. Essas enzimas rompem as proteínas transformando-as em aminoácidos e hidratos de carbono em açúcares simples. Desta forma, carboidratos, lipídeos e proteínas são convertidos em moléculas simples para serem utilizadas pelas células na produção de energia (CASSINI et al., 2014).

Acidogênese – nessa fase, também é chamada de fermentação, os produtos gerados na etapa anterior estão dissolvidos no meio reacional são absorvidos e processados pelos micro-organismos fermentativos. Assim, após o processamento, são produzidos ácidos orgânicos livres o que caracteriza a fase da acidogênese. Além desses ácidos orgânicos, também chamados de ácidos graxos voláteis (AGV), são produzidos gás carbônico, ácido lático, álcoois, hidrogênio, sulfato, amônia, e também células bacterianas. Os micro-organismos, que têm como produto principal os ácidos voláteis, são chamados de bactérias fermentativas acidogênicas (CASSINI et al., 2014).

Acetogênese – nessa etapa ocorre a oxidação dos compostos produzidos na fase acidogênica para a produção de substrato para os micro-organismos metanogênicos. Nessa fase são produzidos ácido acético, H2 (hidrogênio) e CO2 (dióxido de carbono). Uma grande quantidade de H2 é produzida durante a formação dos ácidos acético e propriônico. Entretanto, as bactérias que atuam nesta fase (acetogênicas) não são resistente à grandes quantidades de hidrogênio. Assim, esse H2 é utilizados juntamente com dióxido de carbono  pelos micro-organismos metanogênicos para a produção de metano (CASSINI et al., 2014).

Metanogênese - Por fim, a metanogênese é a última etapa do processo de degradação anaeróbia de compostos orgânicos para a produção de metano, que é realizada pela ação de micro-organismos metanogênicos. O metano é produzido pelos micro-organismos principalmente a partir do ácido acético e CO2 que, são produtos das etapas anteriores. Devido a afinidade com substrato e produção de metano, os micro-organismos metanogênicos são divididas em dois grupos:

• Metanogênicas acetoclásticas: produzem metano a partir de ácido acético e, poucas espécies possuem a capacidade de realizar essa conversão. Esses organismos são responsáveis por 60 a 70% da produção de metano e geralmente, são os organismos predominantes no processo de digestão anaeróbia.  Os gêneros principais são: Methanosarcina e Methanosaeta (Methanotrix).
• Metanogênicas hidrogenotróficas: ao contrário das acetoclásticas, todas as espécies de micro-organismos metanogênicos possuem capacidade de produzir metano utilizando hidrogênio e dióxido de carbono. Os gêneros mais comuns são: Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosaeta e Methanobrevibacter (CASSINI et al., 2014).

Entretanto, os micro-organismos metanogênicos são mais sensíveis que os micro-organismos das etapas anteriores, pois não pertencem ao grupo Archea. Assim, os micro-organismos metanogênicos são mais sensíveis a alterações no pH e outros produtos tóxicos que são produzidos ao longo do processo. Por isso, é importante adequar o processo para que estes micro-organismos se adaptem da melhor forma possível, garantindo a eficiência do processo.

Como sabemos, o metano é o principal componente do biogás. Conforme a Tabela 4.1, podemos observar que, pode-se obter diferentes porcentagens de metano a partir de diversos tipos de matérias-primas. Quanto maior a concentração de metano no biogás, maior seu poder energético.

Prezado(a) aluno(a), no tópico anterior, examinamos o papel dos micro-organismos no processo de degradação anaeróbia para a conversão de biomassa em biogás. Pudemos compreender como diferentes tipos de micro-organismos estão envolvidos neste processo e como há a geração de diferentes produtos que resultam na formação do metano. Dessa forma, seguiremos com o nosso conteúdo abordando as etapas do processo em si. A seguir, falaremos sobre as etapas de produção do biogás.

O primeiro passo a ser considerado na produção de biogás é a análise das características do substrato, de forma a utilizar essas características objetivando melhorar o potencial de produção do biogás. O segundo passo consiste na preparação do substrato, ou seja, o pré-tratamento, para melhorar a eficiência do processo dentro do biodigestor (CIBIOGÁS, 2018). Como mencionamos, no início desta unidade, o substrato pode ser de diferentes fontes como resíduos industriais, resíduos vegetais, entre outros. Dessa forma, é importante conhecer as composições do mesmo, pois essa característica influencia no tipo de digestor que deve ser adotado.

Os parâmetros que definem o potencial do substrato para a produção de biogás é a concentração de Sólidos Totais Voláteis (STV), que se refere à quantidade de material biodegradável do substrato, e Sólidos Totais (ST), que se refere à quantidade de matéria orgânica e mineral do substrato. Assim, o potencial de produção de biogás de um substrato pode ser dado como metros cúbicos de metano por quilograma de sólidos voláteis (m3 CH4 Kg. SV-1) ou metros cúbicos de metano por quilograma de substrato (m3 CH4 Kg.substrato-1) (CIBIOGÁS, 2018). Podemos observar na Tabela 4.2 alguns tipos de substratos e seu potencial para a produção de biogás.

Convém destacar que esses valores foram obtidos em laboratórios, onde os fatores ambientais são controlados. Além disso, esses valores também podem variar de acordo com a região onde o substrato foi produzido, eficiência do biodigestor, condição operacional a que o biodigestor é submetido, entre outros. Desta forma, os dados encontrados na literatura devem ser considerados como uma estimativa (CIBIOGÁS, 2018).

Fazendo uma analogia, o substrato é como se fosse o “alimento” dos micro-organismos, de onde esses organismos retiram nutrientes para a produção de novas células bacterianas (anabolismo) e produção de energia (catabolismo). Além disso, os micro-organismos também demandam de outros fatores para seu desenvolvimento e, alguns desses fatores influenciam a produção de biogás como temperatura, potencial de hidrogênio (pH), tamanho das partículas, nutrientes, produção e consumo de ácidos orgânicos, entre outros. Desta forma, para garantir a eficiência de produção de biogás, o substrato passa um processo chamado de pré-tratamento. Nesta etapa, são realizados processos que retiram partículas grandes, além processos de trituração, aquecimento e mistura do substrato (CIBIOGÁS, 2018).

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Pré-tratamento

A separação sólida-líquida tem por objetivo a remoção de partículas grosseiras em suspensão e impedir a entrada de materiais inertes no biodigestor. Desta forma, esse processo evita a obstrução, além do acúmulo no sistema, uma vez que é na fração líquida que ocorre a maior ação dos micro-organismos. Dependendo do tipo de digestor é essencial que se faça a separação de sólidos, como digestores sem agitação como, o biodigestor tipo lagoa coberta que também é chamado BCL (Figura 4.3) (CIBIOGÁS, 2018).

A separação de sólidos também facilita a degradação e estabilização na matéria orgânica nas etapas seguintes e reduz o tempo de retenção hidráulica, além de evitar assoreamento nos biodigestores. Esse processo pode ser realizado com a utilização de peneiras, telas (Figura 4.4) ou caixa de areia (CIBIOGÁS, 2018).

A caixa de homogeneização é responsável pela agitação do substrato e também auxilia no processo de separação sólido-líquido. É importante que todo o substrato esteja uniforme e homogeneizado antes de entrar no biodigestor, pois esse processo facilita o contato dos micro-organismos com o substrato, aumentando a eficiência da biodigestão. Quanto menor a partícula, maior a sua acessibilidade para os micro-organismos, pois há um contato maior entre substrato e micro-organismo, podendo aumentar eficiência do processo de produção de biogás. Geralmente, quando resíduos vegetais são utilizados como fonte de biomassa, é necessário que seja utilizada a trituração, visando aumentar a digestibilidade desse tipo de substrato. Essa trituração é necessária pois, como resíduos vegetais possuem alto teor de hemicelulose, celulose e lignina, esse tipo de substrato é degradado mais lentamente no processo de biodigestão, devido a estrutura complexa desses componentes. Assim, o processo de trituração é realizado para quebrar a estrutura da celulose, a fim de, torná-la mais acessível para o processo biodigestão (CIBIOGÁS, 2018).

Aquecimento do substrato - Um fator muito importante no processo anaeróbio é a temperatura, pois a velocidade com que ocorre a reação do processo anaeróbio é dependente da velocidade de crescimento dos micro-organismos, que por sua vez, depende da temperatura do meio. Para a atividade microbiana são consideradas três faixas de temperatura: psicrófilo, mesófilo e termófilo, em que, para cada faixa de temperatura, existe um intervalo onde ocorre a taxa máxima de crescimento, ou seja, é a temperatura considerada ideal para cada faixa de operação (CIBIOGÁS, 2018). Na Figura 4.5 podemos observar a relação entre temperatura e crescimento de alguns exemplos micro-organismos conforme sua classe térmica.

Os micro-organismos que estão relacionados com a produção de biogás, ou seja, os metanogênicos, apresentam crescimento ótimo entre as faixas mesófila e termófila. Para se escolher a melhor faixa de temperatura é preciso considerar questões econômicas e operacionais. Geralmente, o aumento na temperatura do ambiente aumenta a velocidade de crescimento do micro-organismos e, consequentemente, aumenta a produção de biogás. Entretanto, os micro-organismos metabólicos possuem sua própria faixa ótima de temperatura, desta forma, uma variação de temperatura, fora da faixa ideal, pode prejudicar a eficiência do sistema. Admitindo que a temperatura é um dos principais fatores que afetam o crescimento microbiano, é necessário um estudo cuidadoso para determinar a temperatura ideal para operação (CIBIOGÁS, 2018).

Desta forma, após passar pelo processo de pré-tratamento, o substrato é encaminhado para o biodigestor, onde ocorre a digestão anaeróbia. Para a produção de biogás, são utilizados os biodigestores, que são câmaras fechadas onde é colocada a biomassa em solução aquosa, para que seja convertida em biogás por meio de decomposição de micro-organismos. Assim, a medida que o biogás é produzido, ele se acumula na parte superior do biodigestor (DENAGUTTI et al., 2002).  Podemos observar na Figura 4.6 o esquema de um processo de digestão anaeróbica, que também pode ser chamada de digestão anaeróbia.

Conforme a Figura 4.6 podemos observar que os diferentes tipos de biomassa, ou seja, de substrato são acumulados em tanques e posteriormente transferidos para os processos de lavagem e pré-tratamento (1 - 4). Após esses processos, o substrato passa pelo processo de filtração, cujo objetivo é reduzir odores e, em seguida, é encaminhado para sanitização, esses processos que correspondem às etapas 5 e 6. Após a sanitização a biomassa é transferida para o biodigestor (7). Podemos observar o biogás produzido e acumulado no biodigestor (8) e a saída de segurança (10). O digestato acumulado no digestor geralmente é armazenado (12), além disso, ele pode ser tratado (13) por meio de vários processos como separação, secagem e/ou peletização. Após esse tratamento o digestato pode ser utilizado como biofertilizante em plantações. O biogás que foi produzido (9) pode ser utilizado de maneiras entre elas, geração de energia elétrica, energia térmica, e também para produção de biometano (11) (CIBIOGÁS, 2018).

Podemos observar, na Figura 4.7, todo o processo de forma simplificada.

Na Figura 4.8 podemos observar um esquema de integração de uma planta de biogás. Ao final do processo, o biogás pode ser utilizado para gerar energia térmica ou elétrica e, o chorume pode ser utilizado para a produção de biofertilizante. Desta forma, o biogás pode fornecer energia limpa, além de ser importante para a utilização de resíduos sólidos orgânicos.

Caro(a) aluno(a), como mencionamos anteriormente, durante o processo de digestão anaeróbica, além da produção do biogás, também é gerado um subproduto chamado digestato. Além disso, os nutrientes estão em condições que podem ser mais assimiláveis pelas plantas e, também possuem menor odor. Ainda, devemos destacar a contribuição na redução de custos energéticos e econômicos com a produção de fertilizantes (BIASI et al., 2018).

Com relação ao sistema de alimentação para a produção de biogás, podemos destacar três tipos contínuos, semi-contínuo e em batelada:

Sistema de alimentação contínuo - neste modo operacional, a alimentação do biodigestor é feita sem interrupções, a entrada de material no sistema é igual a saída;

Sistema de alimentação semi-contínuo - neste modo operacional, a alimentação  é feita apenas uma vez até completar o tempo de retenção hidráulica. Mais tarde, cargas de substrato são adicionadas ao sistema e o digestato é retirado regularmente, na mesma proporção com que é adicionado o substrato;

Sistema de alimentação em batelada - neste modo operacional, o processo ocorre em ciclos de alimentação, digestão e descarte, ou seja, o biodigestor é alimentado uma única vez, ocorre o processo de digestão, o produto é retirado e, posteriormente, um novo ciclo é iniciado (CIBIOGÁS, 2018).

Dependendo das condições do substrato, muitos procedimentos podem ser realizados ao longo do processo objetivando a sua eficiência. A seguir, examinaremos alguns deles.

Codigestão – é utilizada com o objetivo de melhorar a eficiência da digestão anaeróbia de resíduos orgânicos sólidos. A codigestão pode ser realizada aumentando a quantidade de matéria orgânica biodegradável, diluindo os compostos tóxicos, equilibrar a disponibilidade de nutrientes, ou ainda, considerar o efeito sinérgico de micro-organismos. Desta forma, quando há a mistura de diferentes substratos, biodigestão, o processo é chamado de codigestão, e, quando apenas um substrato é utilizado, o processo é denominado monodigestão. Entretanto, o processo de misturas de substratos exige um estudo das características do substrato, além de um pré-tratamento mais elaborado. Contudo, por meio desse processo têm-se como benefícios uma melhor estabilidade da biodigestão, melhor eficiência na geração de biogás, além de melhoria nas propriedades do digestato (CIBIOGÁS, 2018).

Os biodigestores contribuem com a integração das atividades agropecuárias por meio da conversão de resíduos em energia renovável e fertilizantes, que por sua vez, contribuem para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável. Assim, a energia possibilita a instalação de infraestrutura que agrega valor ao sistema produtivo, como equipamentos necessários para o processamento, conservação de produtos, organização da produção e também logística. Dessa forma, a propriedade rural economiza com o aproveitamento do biogás e reduz sua dependência externa de energia (BIASI et al., 2018).

A bioconversão tem como vantagem a redução na quantidade de resíduos que necessitam de descarte. Contudo, essa redução pode ser consideravelmente maior se, primeiramente, o material biodegradável fosse separado do material compostado. A compostagem consiste na conversão de resíduos orgânicos, e esse processo é mediado pelos micro-organismos, como restos de vegetais em um equivalente de húmus, por exemplo. Assim, restos de plantas podem ser submetidos à degradação dos micro-organismos, uma vez que, sob condições favoráveis, as bactérias termofílicas aumentam a temperatura do composto. Desta forma, logo que a temperatura diminuir, os compostos devem ser revirados com o propósito de fornecer oxigênio ao sistema, e uma segunda elevação na temperatura ocorrerá. Com o passar do tempo, as populações de bactérias termofílicas serão substituídas por populações mesofílicas, que continuarão o processo de degradação do material. A compostagem tem sido utilizada por muitos municípios com o objetivo de reduzir a quantidade de resíduos em aterros municipais (TORTORA  et al., 2017).

Caro(a) aluno(a), vimos anteriormente que a produção de biogás é um processo realizado em condições anaeróbias, ou seja, na ausência de oxigênio. Sabendo disso, é importante que você compreenda as vantagens e desvantagens do processo de digestão anaeróbia quando comparado ao sistema aeróbio.

Vantagens – o processo anaeróbio possui uma produção menor de sólidos, de 5 a 10 vezes menor, quando comparado com o processo aeróbio; há um menor consumo de energia e custo operacional; há uma maior tolerância a grandes cargas orgânicas; o metano produzido por esse processo possui maior teor calorífico; pode ser aplicado tanto em pequena escala quanto em grande escala (CIBIOGÁS, 2018).

Desvantagens - Os micro-organismos anaeróbios são mais sensíveis a fatores como temperatura e determinados compostos; geralmente é necessário que o substrato passe por um processo de pré-tratamento; tanto a microbiologia quanto a bioquímica da digestão anaeróbia são mais complexos; a digestão anaeróbia possui menor remoção de patógenos, nitrogênio e fósforo (CIBIOGÁS, 2018).

A produção de biogás proporciona diversas vantagens, como, por exemplo, um processo indutor na melhoria das condições ambientais, por meio da destinação adequada de resíduos e efluentes gerados a partir das atividades agropecuárias, o que contribui com a redução na contaminação das águas e solos. Podemos mencionar ainda a redução na proliferação de insetos e melhoria na qualidade do ar (BIASI et al., 2018).

Prezado(a) aluno(a), neste tópico daremos início ao estudo dos processos de biorremediação, em que examinaremos a aplicação dos micro-organismos nos processos de eliminação de diferentes tipos de poluentes. Admitimos que a matéria orgânica natural, como resíduos de animais e vegetais, é prontamente degradada pelos micro-organismos presentes no ambiente.

Entretanto, atualmente, uma grande quantidade de produtos que não ocorrem na natureza, como produtos farmacêuticos, agroquímicos, subprodutos industriais, plástico, entre outros, vêm sendo encontrados no ambiente. Esses produtos são considerados poluentes, pois, além de persistirem no ambiente, não são facilmente degradados.

Desta forma, uma alternativa que vem se destacando para eliminação desses poluentes é a biorremediação (MADIGAN et al., 2016; AZEVEDO et al., 2018). A biorremediação é uma estratégia ou processo que usa micro-organismos, plantas, ou então enzimas destes para detoxificar ou degradar contaminantes do solo e/ou outros ambientes.

Por meio desse processo, é possível remover ou tornar os poluentes menos prejudiciais no ambiente (AZEVEDO et al., 2018). Em 1988, os cientistas passaram a utilizar os micro-organismos para eliminar poluentes produzidos pela indústria. Essa capacidade de eliminar resíduos com a utilização de micro-organismos é possível porque alguns desses organismos podem utilizar o poluente como fonte de energia. Ainda existem outros micro-organismos que produzem enzimas que quebram as moléculas do poluente e o transforma em um composto menos nocivo para o ambiente (TORTORA et al., 2017).

Assim, a biorremediação utiliza micro-organismos para auxiliar na degradação e remoção de compostos nocivos de locais contaminados. Os processos de biorremediação têm se mostrado uma importante área de pesquisa, devido ao processo ser de baixo consumo de energia e eficiente, além de oferecer segurança ambiental. Podemos destacar outras vantagens, como a possibilidade de ser realizada em ambientes abertos, ou seja, não estéreis. Sendo assim, compreende uma ampla diversidade de micro-organismos, e, dentro deste grupo diverso, as bactérias possuem papel central no processo de degradação de poluentes (AZEVEDO et al., 2018).

As tecnologias de Biorremediação podem ser classificadas como "in-situ" ou "ex-situ". A Biorremediação "in-situ" envolve tratar o material contaminado no próprio local, enquanto a "ex-situ" consiste na remoção do material contaminado para tratamento em local externo ao de sua origem.

Com o tempo, quando a fonte de contaminação no ambiente for eliminada, o local poluído poderá ser descontaminado pelos micro-organismos presentes no local, sem a intervenção do homem. A biorremediação apenas acelera o processo de descontaminação por meio da introdução de micro-organismos consumidores de poluentes (MADIGAN et al., 2016).

Tomando como exemplo o processo de biorremediação de petróleo, pode-se adicionar no local contaminado bactérias modificadas para metabolizar produtos de petróleo. Esse processo, em que se adiciona micro-organismos especializados em degradar determinado poluentes, é chamado de bioaumento (TORTORA et al., 2018). A biorremediação também pode ser realizada por meio do fornecimento de nutrientes específicos que auxiliam os micro-organismos no processo de degradação dos poluentes (MADIGAN et al., 2016). Voltando ao exemplo de biorremediação de locais contaminados por petróleo, a eficiência de biorremediação desse poluente pode ser aumentada se for fornecido um “fertilizante” que contenha nitrogênio e fósforo (TORTORA et al., 2018).

A biorremediação possui várias aplicações, uma delas é a reabilitação de locais contaminados, como água, solos, lamas, entre outros. Nos corpos hídricos, com frequência, são encontrados compostos poluidores, como metais pesados, agroquímicos e derivados de petróleo. Esses poluentes, além causar prejuízos à saúde humana, são compostos persistentes, pois são de difícil degradação, podendo ser transportados por longas distâncias no ambiente. Os micro-organismos podem ainda ser utilizados para eliminar diferentes tipos de poluentes, como derramamento de produtos químicos, solventes e outros poluentes nocivos ao meio ambiente (AZEVEDO et al., 2018).

Caro(a) aluno(a), considerando a preocupação com o acúmulo de poluentes no ambiente e a biorremediação como uma alternativa para eliminação desses compostos, a seguir, estudaremos os processos de biorremediação em locais contaminados por metais pesados, agroquímicos e óleos.  

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Biorremediação de Metais Pesados

A poluição por metais pesados a partir de atividades industriais é uma das principais causas de desestabilização do ecossistema. Tanto os micro-organismos quanto as plantas possuem resistência aos metais pesados e potencial de serem utilizados para sua absorção e acumulação, dependendo da produção de proteínas como metalotioneínas e fitoquelatinas, que são proteínas de ligação a metais (AZEVEDO et al., 2018).

Embora o mecanismo de absorção de metais por micro-organismos e plantas não seja completamente igual, ambos estão relacionados com proteínas que atuam na captação de metais, as metaloproteínas. Essas proteínas contribuem com a regulação de metais dentro da célula, por meio do transporte de íons metálicos para o interior e exterior da célula, ou ainda, no armazenamento desses íons. As proteínas de ligação a metais são encontradas no exterior da célula. Desta forma, essas proteínas interagem com íons metálicos externos, transportando-os para o interior da célula. Uma vez no interior da célula, as proteínas quelantes de metais transferem esses íons para o receptor proteico adequado, e a ligação dos metais às proteínas ocorre em locais denominados sítios específicos (AZEVEDO et al., 2018).

Diversos micro-organismos têm potencial para serem utilizados na absorção de metais pesados, como, por exemplo, fungos, bactérias Gram-positivas e negativas, leveduras e microalgas. Dentre esses organismos, os Bacillus spp. e Pseudomonas spp. são bactérias muito utilizadas e possuem alta capacidade de absorção de metais como zinco, cobre, mercúrio, dentre outros (AZEVEDO et al., 2018).

Muitas espécies de fungos têm sido utilizadas na biorremediação de metais pesados. Isso se deve à parede celular desse organismo, que é rica em polissacarídeos e glicoproteínas que contêm sítios de ligação para metais (AZEVEDO et al., 2018).

Dentre as leveduras, a Saccharomyces cerevisiae tem sido estudada com biossorvente. O que se destaca na utilização desse organismo é a sua forma de obtenção, pois é de fácil crescimento, utilizando processos de fermentação simplificados e baixo custo. Além disso, é possível obter S. cerevisiae a partir de subprodutos industriais. Em estudos realizados utilizando a S. cerevisiae para remoção de chumbo em biorreator, foi possível observar a remoção de 72,5 mgg-1 do biossorvente. Isso demonstra o potencial de leveduras na remoção de metais pesados (AZEVEDO et al., 2018).

As algas também têm sido utilizadas como biossorvente de metais pesados, com destaque para algas marrons. Todas as algas possuem celulose e xilenos na parede celular, entretanto, apenas a alga marrom possui ácido algínico, que é o responsável pela ligação de metais. O gênero Sargassum de alga marrom tem sido estudado em experimentos de remoção de metais e tem demonstrado ser um bom biossorvente (AZEVEDO et al., 2018).

Caro(a) aluno(a), acabamos de estudar como a biorremediação pode ser aplicada à remoção de metais pesados. A seguir, estudaremos como a biorremediação pode ser aplicada na remoção de xenobióticos.

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Biorremediação de Xenobióticos

Xenobióticos são compostos que não ocorrem naturalmente no ambiente, portanto, são compostos químicos sintéticos. Dentre os xenobióticos, podemos citar agroquímicos, corantes, solventes, entre outros. Alguns xenobióticos possuem uma estrutura molecular relacionada a compostos naturais e podem, assim, ser degradados pelas mesmas enzimas responsáveis por degradar o composto natural relacionado. Entretanto, alguns xenobióticos possuem uma estrutura química muito diferente de qualquer outro substrato que o micro-organismo já tenha entrado em contato. Essa estrutura adversa afeta a degradação do xenobiótico, diminuindo a velocidade desse processo (MADIGAN et al., 2016). Caro(a) aluno(a), visto o conceito de xenobiótico, enfocaremos a seguir a aplicação da biorremediação na remoção de agroquímicos.

Alguns dos xenobióticos mais distribuídos no ambiente são os agroquímicos. O setor agrícola é uma das principais atividades econômicas do Brasil e principal responsável pela utilização de agroquímicos. O uso crescente desses agentes, com o objetivo de aumentar a produtividade no setor agrícola, é preocupante. Isso, em razão do desenvolvimento de diversas patologias ligadas à exposição aos agroquímicos. Diante dessa preocupação, a biorremediação tem sido apresentada como uma alternativa ambientalmente correta para a remoção de agroquímicos (AZEVEDO et al., 2018).

Os agroquímicos são utilizados para controle de ervas-daninhas, insetos e fungos, e podem ser de uma ampla variedade química, como compostos clorados, contendo fósforo e nitrogênio. Sendo que alguns desses compostos podem ser utilizados pelos micro-organismos como doadores de elétrons e outros como fonte de carbono e energia, sendo totalmente oxidados a CO2. Alguns agroquímicos podem ser totalmente degradados, enquanto outros podem ser degradados apenas parcialmente. O processo de degradação parcial é chamado de cometabolismo. Esse processo nem sempre é benéfico para o meio ambiente, pois o composto resultante da degradação parcial pode ser mais nocivo que o composto original (MADIGAN et al., 2016).

É importante observar que mesmo agroquímicos relacionados apresentam diferenças significativas quanto à sua degradabilidade, conforme podemos observar na Tabela 4.3.

Alguns agroquímicos podem ser degradados em meses, entretanto, outros permanecem no solo por anos. Como exemplo, podemos citar os agroquímicos clorados, que são tão recalcitrantes que permanecem no solo por vários anos (MADIGAN et al., 2016).

Devemos considerar que o tempo de permanência de um agroquímico no solo é relativo, visto que fatores ambientais, como temperatura, quantidade de matéria orgânica disponível, pH e aeração afetam o processo de degradação. Também devemos considerar que nem sempre a ausência do agroquímico no ecossistema é sinal que ele foi degradado por micro-organismos. Muitas vezes, esses agentes podem ter sido volatizados, lixiviados ou passados por processo de degradação química espontânea (MADIGAN et al., 2016).

Muitas vezes, os agroquímicos podem ser hidrofóbicos ou com pouca solubilidade em água. Essas propriedades acarretam na adsorção desses compostos a sedimentos e matéria orgânica, impedindo o acesso dos micro-organismos. Uma solução para esse problema é a adição de emulsificantes ou surfactantes, que podem aumentar a biodisponibilidade e, consequentemente, degradação do xenobiótico (MADIGAN et al., 2016). Esse processo é chamado de bioestimulação e consiste em estimular a atividade microbiana manipulando o ambiente onde esses organismos se encontram. Esse processo pode ser feito com a adição ou retirada de nutrientes ou determinados substratos que podem aumentar a capacidade de degradação do micro-organismo (AZEVEDO et al., 2018).

Nguyen et al. (2013) realizaram um estudo de degradação da atrazina, um agroquímico utilizado no controle de ervas-daninhas. Neste trabalho, os pesquisadores utilizaram um biorreator, associando lodo ativado contendo várias bactérias resistentes ao agroquímico e o fungo Trametes versicolor. Esse fungo produz as enzimas lignina oxidase e lacases, que degradam diferentes tipos de compostos orgânicos que não podem ser degradados pelas bactérias. Por meio desse trabalho, os pesquisadores puderam observar uma redução de 93% da concentração da atrazina, nas condições testadas. Assim, esses resultados demonstram como a biorremediação pode ser uma alternativa para remoção de agroquímicos (AZEVEDO et al., 2018).

Um processo também muito utilizado é o landfarming. Então, vamos discutir sobre esse processo. Landfarming é a aplicação e incorporação de contaminantes ou rejeitos contaminados na superfície de solo não contaminado para degradação. O solo é arado e gradeado para promover a mistura uniforme do contaminante e aeração.

Prezado(a) aluno(a), neste tópico temos nos dedicado a estudar os processos de biorremediação aplicados à remoção de diferentes tipos de poluentes. Para finalizar, a seguir, falaremos sobre o processo de biorremediação aplicado à remoção de petróleo.

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Biorremediação de Petróleo

Outro poluente encontrado com frequência no ambiente é o petróleo e seus derivados. O petróleo é rico em matéria orgânica, sendo assim, seus hidrocarbonetos são atacados com facilidade pelos micro-organismos quando entra em contato com o ar e a umidade. Bactérias, alguns fungos e algumas algas verdes podem oxidar derivados de petróleo aerobicamente.

Sabemos que o óleo é insolúvel em água e também menos denso. Dessa forma, ele se acumula na superfície, formando manchas. É neste momento que as bactérias ligam-se às gotículas de óleo para degradar os hidrocarbonetos. Espécies especializadas na degradação de petróleo, como Alcanivorax borkumensis, uma bactéria que cresce na presença de hidrocarbonetos, é capaz de produzir surfactantes (moléculas com ação detergente), que auxiliam no processo de degradação do petróleo, além de promover a sua solubilização. Dessa forma, após ser solubilizado, o petróleo pode ser utilizado como fonte de energia para os micro-organismos (MADIGAN  et al., 2016).

Quando ocorrem derramamentos de petróleo em grandes quantidades, os hidrocarbonetos voláteis evaporam, o que resta são componentes aromáticos e alifáticos, que devem então ser removidos por ação do homem ou pela ação dos micro-organismos, que oxidam o petróleo a CO2 (dióxido de carbono).

Como mencionamos anteriormente, quando as áreas contaminadas por petróleo são tratadas com nutrientes inorgânicos, estes atuam como “fertilizantes”, estimulando a biorremediação do petróleo derramado. Em condições consideradas ideais, cerca de 80% dos componentes não voláteis do petróleo podem ser oxidados pelos micro-organismo em um ano. Entretanto, os compostos que possuem cadeias ramificadas podem persistir por mais tempo no ambiente. Já o petróleo que se adsorve em sedimentos marinhos pode persistir por mais tempo ainda no ambiente, podendo causar impactos negativos a longo prazo para o ambiente e atividades como a pesca (MADIGAN et al.2016).

No entanto, nem sempre os micro-organismos degradadores de petróleo e derivados são desejados. Podemos citar os tanques de armazenamento de combustível, onde é impossível evitar o acúmulo de umidade, em que a água forma uma camada abaixo do petróleo. Esses locais são ambientes potenciais para o desenvolvimento de micro-organismos oxidantes de hidrocarbonetos. Na presença de sulfato na água, bactérias que consomem sulfato podem se desenvolver e consumir os hidrocarbonetos, assim, o sulfeto produzido, que é um composto corrosivo, causa rachaduras nos tanques e, consequentemente, vazamentos de petróleo para o ambiente (Figura 4.12).

Prezado(a) aluno(a),  nesta seção estudamos a aplicação dos micro-organismos no processo de limpeza de ambientes contaminados. Vimos que a biorremediação tem como princípio a capacidade que alguns micro-organismos possuem em degradar determinados compostos prejudiciais ao meio ambiente. Como mencionamos no início desta seção, a biorremediação é uma área de pesquisa que vem se destacando pelos bons resultados apresentados e também por ser considerada uma alternativa ambientalmente correta, uma vez que pode substituir a utilização de produtos químicos no processo de remoção de poluentes do ambiente.

Prezado(a) aluno(a), finalizaremos nossa disciplina falando sobre a biotecnologia ambiental. Ao pesquisarmos sobre a palavra biotecnologia, podemos encontrar inúmeras definições, no entanto, de maneira geral, podemos definir biotecnologia como a obtenção de produtos ou processos de interesse a partir de organismos vivos. Assim, a biotecnologia pode utilizar animais, plantas e micro-organismos, partes desses, ou ainda, moléculas produzidas por esses organismos para gerar um produto ou processo.

A biotecnologia é um campo científico multidisciplinar que envolve o conhecimento em várias áreas, como química, biologia, genética, bioinformática, dentre outras. Quando falamos sobre a perspectiva ambiental da biotecnologia, falamos sobre o uso e aplicação de técnicas e processos para prevenção, monitoramento e resolução de problemas ambientais e conservação ambiental. Para apontar um exemplo, podemos citar a demanda de tecnologias para tratamento de efluentes contaminados com diversos materiais por meio da biorremediação, que estudamos no tópico anterior.

Inúmeros debates têm sido levantados com a finalidade de elaboração de políticas de preservação ambiental no Brasil e no mundo, como a necessidade de utilização dos recursos naturais de forma racional sem afetar o equilíbrio do ambiente. Em países agrícolas, como o Brasil, esses debates buscam alternativas para resolução de problemas como o aumento na produção de alimentos com a utilização de insumos microbianos, que podem contribuir tanto com o desenvolvimento da planta, quanto para a proteção contra patógenos e pragas (AZEVEDO  et al., 2018). Desta forma, a biotecnologia ambiental é considerada como uma alternativa para enfrentar os desafios cada vez maiores de degradação do meio ambiente.

São inúmeras as aplicações da biotecnologia que podemos citar. Sendo assim, no decorrer deste tópico, iremos destacar algumas destas aplicações para solucionar problemas ambientais por meio de diversas abordagens.

Uma das oportunidades para a utilização da biotecnologia ambiental está ligada à utilização da biodiversidade. A biodiversidade corresponde a toda a diversidade biológica do planeta. A maior fonte de diversidade de micro-organismos é o solo. Vimos, no decorrer de nossa disciplina, como os micro-organismos são organismos versáteis e adaptáveis, que vivem nos mais diversos ambientes, como solo, rio, oceanos e regiões com condições extremas, que é o caso de lagoas com altas concentrações de sal, além de ocupar o interior dos animais e plantas.

Vimos, também, ao longo de nossa disciplina, o papel importante que esses organismos possuem para o meio ambiente. Por meio da biotecnologia, muitas aplicações importantes são atribuídas aos micro-organismos, como o controle biológico de doenças e pragas, a biodegradação de diversos resíduos, a descoberta de novas moléculas, como a enzima, e o desenvolvimento de novos fármacos. Nesse sentido, muitos esforços têm sido feitos visando o desenvolvimento de ferramentas para a identificação e descoberta de micro-organismos com funções biológicas importantes, como uso de marcadores moleculares, além da classificação dos micro-organismos por técnicas como análise de DNA e também das plataformas de sequenciamento  (JESUS, 2005).

Dessa forma, diante da importância já citada dos micro-organismos, surgiu a metagenômica. A metagenômica é uma técnica biotecnológica que consiste no estudo genético de uma amostra ambiental. Assim, é possível realizar a análise genética de toda uma comunidade de micro-organismos presente em uma amostra de solo, por exemplo. A metagenômica tem como vantagem a análise genética de micro-organismos que não podem ser cultivados em laboratório. A partir dos dados colhidos com a técnica, é possível montar bibliotecas genômicas e fazer a identificação de novos compostos bioativos, que podem ter diversas aplicações, explorando assim a biodiversidade desses organismos  (JESUS, 2005).

Além da prospecção de novos compostos bioativos a partir dos micro-organismos, estes também podem ser utilizados no monitoramento ambiental. Sabemos que as atividades do homem geram uma grande quantidade de resíduos que causam desequilíbrio no meio ambiente. De forma que é crescente a busca e o desenvolvimento de métodos de monitoramento ambiental.

Apesar dos avanços nas técnicas de detecção de poluentes presentes no ambiente em concentrações muito baixas, ainda há compostos que não são detectáveis, e suas implicações no ecossistema e para a saúde humana ainda são desconhecidas. Esses compostos são chamados de poluentes emergentes, que consistem de produtos químicos, como agroquímicos, fármacos, cosméticos, produtos de higiene pessoal, dentre outros.

Embora o monitoramento tenha como princípio a determinação da concentração de poluentes no ambiente, não é possível dimensionar os efeitos que esses contaminantes podem causar à saúde humana. Assim, é necessário que métodos adicionais sejam empregados. Para isso, pode-se empregar organismos vivos como ferramentas analíticas. Esses organismos podem ser do próprio ambiente monitorado ou geneticamente modificado (OGM), e são chamados de espécie-teste. Dessa forma, é possível obter dados sobre a toxicidade e genotoxicidade em ambientes que estejam contaminados.

Inicialmente, animais, como peixes e mamíferos, eram utilizados como espécies-teste, entretanto, por razões bioéticas foi preciso pensar em outras abordagens. Assim, bactérias, protozoários, algas unicelulares e leveduras passaram a ser utilizados como espécies-teste, com baixo custo e com menor tempo de análise. O biomonitoramento pode ser feito por meio de bioindicadores, que são fatores bióticos que fornecem informações ambientais de um determinado ambiente.

Sabendo que os organismos são adaptados ao ambiente em que vivem, perturbações ecológicas podem levar a alterações morfológicas ou bioquímicas. Desta forma, a partir dessas respostas biológicas às perturbações, os bioindicadores podem fornecer respostas sobre os impactos ambientais. Outra estratégia que pode ser adotada com a utilização de bioindicadores é a possibilidade de analisar se determinadas ações ambientais levaram à diminuição dos impactos ambientais. Assim, os biomarcadores podem ser utilizados para alertar alterações no equilíbrio de um ecossistema e também fornecer informações mensuráveis (AZEVEDO et al., 2018).

Os bioindicadores podem ser utilizados para obter informações sobre a qualidade da água. Alguns tipos de micro-organismos podem ser utilizados com esta finalidade, como os coliformes fecais. Assim, a presença deste tipo de micro-organismo em águas destinadas para o consumo humano indica que a água está contaminada. A Escherichia coli, por exemplo, é um coliforme fecal termorresistente que indica que ocorreu uma contaminação fecal recente no ambiente, pois este organismo não consegue realizar divisão celular na água, não conseguindo então sobreviver por muito tempo neste ambiente (AZEVEDO et al., 2018).

Outra vertente da biotecnologia é a engenharia genética. Durante nossa disciplina, vimos que os micro-organismos são utilizados em diversos processos, bem como, no desenvolvimento de vários produtos. Atualmente, podemos dizer que tanto micro-organismos quanto as plantas são utilizados como “fábricas” de compostos de interesse, que, originalmente, esses organismos não produziam. Isso só é possível por meio da utilização de técnicas de engenharia genética, também chamada de tecnologia do DNA recombinante (TORTORA et al., 2017).

Por meio das técnicas de engenharia genética, é possível a inserção, deleção ou modificação de genes. Assim, o gene de um humano pode ser inserido em uma bactéria, por exemplo. Pode-se ainda, fazer com  esse gene seja expresso, e pode ser que este gene codifique um produto de interesse. Assim é feito hoje com a produção da insulina, que é produzida por bactérias que foram modificadas geneticamente. Outro exemplo que podemos citar, são as bactérias que foram geneticamente modificadas para produzir interferon (proteína relacionada com a resposta imunológica) (TORTORA et al., 2017).

Retomando nosso tópico anterior, em que falamos sobre a biorremediação (a descoberta de um gene que codifica uma enzima capaz de degradar resíduos tóxicos), pode ser inserido em células bacterianas, que por sua vez podem ser utilizadas no processo de biorremediação (TORTORA et al., 2017).

Assim, podemos ver que a tecnologia do DNA recombinante pode ser aplicada nas mais diversas áreas, como a da saúde e também da ambiental. Outra aplicação importante é na área agrícola, com as plantas geneticamente modificadas, estando os micro-organismos também envolvidos com esse processo.

O DNA recombinante pode ser inserido nas células vegetais por meio de diversas técnicas, como biobalística, fusão de protoplastos, dentre outras. Além dessas técnicas, o método que utiliza o plasmídeo TI (indutor de tumor) de ocorrência natural na bactéria Agrobacterium também é utilizado para a introdução de DNA modificado em plantas. Essa bactéria é capaz de infectar alguns tipos de plantas, em que o plasmídeo TI induz a formação de um crescimento tumoral, chamado de galha-da-coroa (TORTORA et al., 2017). Podemos observar esse tumor na Figura 4.14.

Caro(a) aluno(a), de maneira geral, o mecanismo pelo qual a planta é infectada pelo Agrobacterium se dá do seguinte modo: uma fração do plasmídeo TI, chamado de T-DNA, se integra ao genoma da planta infectada e induz a formação do tumor (galha-da-coroa), ao mesmo tempo que induz a produção de compostos que são utilizados pela bactéria. De posse do conhecimento desse mecanismo, os cientistas viram a possibilidade de inserir genes de interesse no T-DNA, introduzir novamente esse plasmídeo recombinante em uma célula de Agrobacterium e utilizar esta célula para introduzir o plasmídeo TI recombinante em uma célula vegetal. Assim, o T-DNA carregando o gene de interesse é integrado ao genoma da planta, como parte do processo de infecção natural. Assim, com sorte, a nova planta poderá expressar o gene de interesse (TORTORA et al., 2017).

Essa abordagem foi utilizada para o desenvolvimento de plantas resistentes ao glifosato. Esse agroquímico prejudica tanto plantas daninhas quanto as plantas cultivadas, por meio da inibição de uma enzima relacionada com a produção de aminoácidos. Algumas bactérias de Salmonella possuem essa enzima, desta forma, o DNA para esta enzima foi introduzido em plantas de interesse, que passaram a ser resistentes ao glifosato. Desta forma, quando o agroquímico é aplicado, ele afeta apenas as ervas-daninhas (TORTORA et al., 2017).

Caro(a) aluno(a), você se recorda da nossa Unidade I, em que falamos sobre o Bacillus thuringiensis? Vimos que essa bactéria produz uma proteína chamada toxina Bt, que interfere no trato digestivo de alguns insetos. Devido a isso, essa bactéria é patogênica para determinados insetos. O gene Bt foi inserido em vários tipos de plantas cultivadas, como o algodão, e, então, quando o inseto consome a planta, ele morre, pois a planta, agora transformada,  produz a toxina BT, que afeta o seu  trato digestivo (TORTORA et al., 2017).

Assim, por meio da engenharia genética, vários tipos de plantas foram desenvolvidos com resistência a diversos fatores como doenças, estresse hídrico, dentre outros tipos de estresses ambientais. Na tabela a seguir, podemos observar alguns produtos de importância agrícola que foram desenvolvidos por meio da utilização de técnicas de engenharia genética.

Prezado(a) aluno(a), chegamos ao fim de nossa unidade e também de nossa disciplina de Microbiologia. Espero que ao final dessa disciplina você possa ter adquirido uma outra visão sobre os micro-organismos. Geralmente, as pessoas associam esses organismos a doenças e prejuízos, entretanto, vimos no decorrer de nosso estudo o modo que eles são empregados em inúmeras áreas, como produção de alimentos, fármacos, compostos de interesse, como enzimas, produção de biogás, monitoramento ambiental e processos de biorremediação. Enfim, esses organismos versáteis, presentes em tantos ambientes diversos, estão presentes no nosso dia a dia, nos trazendo benefícios e qualidade de vida. Espero que você tenha aproveitado ao máximo seus estudos.