PROGRAMA EQ-ANP. Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria do Petróleo e Gás Natural

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1 PROGRAMA EQ-ANP Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria do Petróleo e Gás Natural Seleção das Melhores Condições de Biodegradação de Petróleo em Solo Argiloso Sandro José Baptista Tese de Mestrado Orientador(es) Profª. Denize Dias de Carvalho Freire, D.Sc. Profª. Magali Christe Cammarota, D.S.c Março de 2003

2 FICHA CATALOGRÁFICA Baptista, Sandro José Seleção das melhores condições de biodegradação de petróleo em solo argiloso / Sandro José Baptista. Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, xvi, 163p.; il. (Dissertação) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química, Orientador(es): Denize Dias de Carvalho Freire e Magali Christe Cammarota. 1. Biodegradação. 2. Solo argiloso. 3. Petróleo. 4. Tese (Mestrado UFRJ/EQ). 5. Denize Dias de Carvalho Freire e Magali Christe Cammarota. I. Título. ii

3 O empenho no que se tem a fazer, aliado a uma grande fé e amor a Deus, é certeza de êxito, apesar de todas as dificuldades. IRMÃ TECLA MERLO iii

4 AGRADECIMENTOS A Deus, todo-poderoso, que me unge e me guia todos os dias desta minha caminhada. Ele que revigora a cada dia a chama de minha fé e é a força espiritual a quem sempre recorro. À minha querida Mãe, a quem tanto amo e que é exemplo de vida, força, perseverança, coragem e fé. Sempre estando ao meu lado em todos os momentos de minha vida. Ao meu irmão Jayr e às minhas irmãs Yara, Vera Lúcia e Shirley pelos momentos agradáveis que compartilhamos e pelos estímulos que me deram. Aos meus sobrinhos e às minhas sobrinhas. À Agência Nacional de Petróleo (ANP) que apoiou incondicionalmente esse trabalho através do seu Programa de Recursos Humanos (PRH 13). Às orientadoras Profª Denize D. C. Freire e a Profª Magali C. Cammarota que muito contribuíram na orientação deste trabalho. Às professoras que estimularam o meu crescimento na pesquisa e pela sincera amizade de todos os dias. À Escola de Química por conceder as suas instalações para a condução dos experimentos deste trabalho. À Profª Verônica Calado por sua gentil atenção. À Profª Lídia que gentilmente permitiu o uso do Laboratório do DPI e a sua técnica Alice. Aos companheiros do Laboratório de Tecnologia Ambiental pelos momentos agradáveis: Andréa Rebello, Andréia Cristina, Daniela Rosa, Daniela Sayão, Danielle Pala, Edney, Gustavo, Larissa, Márcia, Saulo, Tânia e Vanessa. Aos companheiros do laboratório E-109: Eduardo, Fernando, Flávia, Késia, Natalie e Walter. À Alzirene por ser uma pessoa atenciosa. À Ana Carreiro, Mario e Rosana do laboratório de informática E-208. iv

5 Resumo da Tese de Mestrado apresentado ao Curso de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos da Escola de Química/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Mestre em Ciências, com ênfase na área de Petróleo e Gás Natural. SELEÇÃO DAS MELHORES CONDIÇÕES DE BIODEGRADAÇÃO DE PETRÓLEO EM SOLO ARGILOSO Sandro José Baptista Março, 2003 Orientadores: Profª Denize Dias de Carvalho Freire, D.Sc. Profª Magali Christe Cammarota, D.Sc. A bioestimulação é uma técnica que visa aumentar a atividade microbiana da população nativa do solo pela adição de nutrientes e/ou aceptores terminais de elétrons. O trabalho teve como objetivo inicial avaliar a concentração dos nutrientes ((NH 4 ) 2 SO 4 e KH 2 PO 4 ) que melhor contribui para a biodegradação do óleo cru em biorreatores aeróbios de 50 ml. Nessa etapa, foi verificado, após 30 dias, que nos solos contaminados com concentração de fósforo adicionada de 35 mg KH 2 PO 4 /100g de solo a remoção de matéria orgânica foi de 35%, sem que fosse necessário adicionar nitrogênio. Além disso, foi verificado que empregando concentrações de nitrogênio, acima de 5 g (NH 4 ) 2 SO 4 /100 g, e de fósforo, acima de 35 mg KH 2 PO 4 /100g, propiciaram inibição da atividade microbiana, resultando em baixas remoções de matéria orgânica. Na etapa seguinte, trabalhou-se com biorreatores aeróbios de 500 ml durante 45 dias, utilizando-se as melhores concentrações de fósforo obtidas nos ensaios preliminares, com o propósito de avaliar a cinética do processo. Apesar dos ensaios indicarem a não necessidade de adicionar nitrogênio ao solo, trabalhou-se com uma concentração de 2,5 g (NH 4 ) 2 SO 4 /100 g. A remoção de matéria orgânica variou entre 40 e 50%, de Óleos & Graxas (O&G) ficou entre 25 e 38% e a remoção de TPH (hidrocarbonetos totais de petróleo) ficou entre 30 e 45%. v

6 Abstract of a Thesis presented to Curso de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos EQ-UFRJ as partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science with emphasis on Petroleum and Natural Gas. SELECTION OF THE BEST CONDITIONS OF BIODEGRADATION OF PETROLEUM IN CLAY SOIL Sandro José Baptista March, 2003 Supervisors: Prof. Denize Dias de Carvalho Freire, D.Sc. Prof. Magali Christe Cammarota, D.Sc. Biostimulation has been used as a technique in order to increase the microbial activity by adding inorganic nutrients and/or terminal electron acceptor to the contaminated site. The main goal of this work was to evaluate how each inorganic nutrient could improve the biodegradation of crude oil in a contaminated clay soil. At first, the work was designed to investigate the optimal concentration of the nutrients ((NH 4 ) 2 SO 4 e KH 2 PO 4 ) that led to the best organic matter removal in aerobic bioreactors of 50 ml during 30 days. It was noticed that the organic matter removal was 35% when it was worked with 35 mg KH 2 PO 4 /100g soil, without adding nitrogen source. Furthermore, it was noticed that the concentration of nitrogen (above 5 g (NH 4 ) 2 SO 4 /100 g soil) and phosphorus (above 35 mg KH 2 PO 4 /100g soil) was a limiting factor for microbial degradation and this was harmful to the biodegradation. The second stage aimed to evaluating the process kinetic in aerobic bioreactor of 500 ml during 45 days. In this stage, it was worked with the best concentration of studied phosphorus from the first stage. Although the analysis of the experimental design has indicated that nitrogen correction was not necessary, it was added to the soil 2,5 g (NH 4 ) 2 SO 4 /100 g soil. The organic matter removal varied between 40-46%, Oil & Grease removal ranged from 25 to 38% and TPH removal was between 30-45%. vi

7 ÍNDICE CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos APRESENTAÇÃO DOS CAPÍTULOS DA TESE 4 CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PETRÓLEO E ÁGUA DE PRODUÇÃO Petróleo e seus Derivados Água de Produção Óleo (Disperso e Dissolvido) Metais Pesados Sais Minerais Produtos Químicos O SOLO Formação do Solo Pedogênese Características do Solo Solo e a Biorremediação O Perfil do Óleo Cru no Solo BIODEGRADAÇÃO E A BIORREMEDIAÇÃO Tecnologias de Tratamento Tratamentos Biológicos In Situ Bioventing Cometabolismo Biodegradação Intrínseca (Atenuação Natural) Tratamentos Biológicos Ex Situ Biopilhas Biorreatores Landfarming 28 vii

8 2.3.4 Tratamentos Biológicos In Situ e Ex Situ Bioaumento Bioestimulação MICRORGANISMOS E A BIORREMEDIAÇÃO BIODEGRADAÇÃO DE HIDROCARBONETOS DE PETRÓLEO Hidrocarbonetos Alifáticos Alcanos Alcenos Cicloalcanos Hidrocarbonetos Aromáticos Fenol Benzeno Tolueno Xileno BTX/BTEX PAHs Hidrocarbonetos Poliaromáticos FATORES LIMITANTES Tipo de Poluentes Umidade Aceptores de Elétrons Nutrientes Temperatura ph APLICABILIDADE DO SURFACTANTE NA BIODEGRADAÇÃO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL Planejamento Fatorial 66 CAPÍTULO 3: MATERIAIS E MÉTODOS O SOLO CONTAMINADO METODOLOGIAS ANALÍTICAS Teor de Matéria Orgânica Teor de Óleos e Graxas 75 viii

9 3.2.3 Teor de TPH (Hidrocarbonetos Totais de Petróleo) Teor de Nitrogênio Total Teor de Fósforo Total ph Teor de Umidade Total Capacidade de Campo Densidade de Partícula Contagem Microbiana Bactérias Heterotróficas Totais Bactérias Hidrocarbonoclásticas Teor de CO 2 Desprendido ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE Ensaios Preliminares em Microcosmos Monitoramento da Umidade Planejamento Experimental Exploratório Corrida Experimental com Diferentes Teores de Nitrogênio Planejamento Experimental das Principais Variáveis Nitrogênio e Fósforo Corrida Experimental com Diferentes Teores de Fósforo Ensaios em Macrocosmos Monitoramento da Umidade Avaliação Cinética nos Biorreatores Aeróbios Avaliação de Produção de CO 2 nos Ensaios de Biodegradação 95 CAPÍTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÃO CARACTERIZAÇÃO DO SOLO ENSAIOS DE BIODEGRADABILIDADE Ensaios Preliminares em Microcosmos Monitoramento da Umidade Planejamento Experimental Exploratório 103 ix

10 Corrida Experimental com Diferentes Teores de Nitrogênio Planejamento Experimental das Principais Variáveis (Nitrogênio e Fósforo) Corrida Experimental com Diferentes Teores de Fósforo Ensaios em Macrocosmos Controle de Umidade Avaliação Cinética nos Biorreatores Aeróbios Avaliação de Produção de CO 2 nos Ensaios de Biodegradação 127 CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES 135 CAPÍTULO 6: SUGESTÕES 137 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 139 ANEXO 156 x

11 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Etapas de Formação do Solo 12 Figura 2.2: Esquema de Degradação Aeróbia de Hidrocarbonetos Associado ao Processo de Crescimento Microbiano 31 Figura 2.3: Rotas Metabólicas de Degradação de n-alcanos 43 Figura 2.4: Rotas Metabólicas de Degradação de Ciclohexano 45 Figura 2.5: Catecol e Protocatecuato Produtos Comuns de Oxidação de Compostos Aromáticos 46 Figura 2.6: Vias Metabólicas de Degradação Aeróbia de Hidrocarbonetos Aromáticos 47 Figura 2.7: Relação entre Fatores, Sistema e Variáveis de Resposta 67 Figura 2.8: Gráfico de Pareto do Exemplo Citado na Tabela Figura 3.1: Esquema de Amostragem de Solo Contaminado na Área Selecionada 72 Figura 3.2: Preparo da Amostra Composta 73 Figura 3.3: Esquema de Biorreator Aeróbio em Microcosmo 85 Figura 3.4: Esquema de Biorreator Aeróbio em Macrocosmo para Ensaios de Biodegradabilidade 93 Figura 3.5: Esquema de Biorreator Aeróbio em Macrocosmo para Ensaios de Dosagem de CO 2 96 Figura 3.6: Esquema Representativo de Dosagem de CO 2 ao Longo de 45 Dias de Ensaio 97 Figura 4.1: Monitoramento do Teor de Umidade Total ao Longo de 8 dias para Diferentes Vazões de Ar em Biorreatores Contendo 60 g de Solo 101 Figura 4.2: Monitoramento do Teor de Umidade Total ao Longo de 6 dias em Biorreatores Contendo 60 g de Solo Contaminado 102 Figura 4.3: Monitoramento dos Ensaios de Biodegradabilidade em Função da Eficiência Média de Remoção de MO ao Longo de 30 dias 104 Figura 4.4: Gráfico Pareto cuja Variável Dependente é a Eficiência de Remoção de Matéria Orgânica 105 xi

12 Figura 4.5: Relação entre a Eficiência de Remoção de Matéria Orgânica e o Percentual de Redução de Nitrogênio para Diferentes Concentrações de Nitrogênio Adicionadas ao Solo 107 Figura 4.6: Avaliação da Eficiência de Remoção de Matéria Orgânica, do Percentual de Redução de Nitrogênio e de Fósforo em Diferentes Concentrações de Nutrientes Inorgânicos após 30 Dias, a 35ºC 109 Figura 4.7: Gráfico de Pareto cuja Variável Dependente é a Eficiência de Remoção de Matéria Orgânica 110 Figura 4.8: Gráfico de Curvas de Nível, cuja Variável Dependente é a Eficiência de Re-moção de Matéria Orgânica, Mostrando a Interação entre as Diferentes Concentrações de (NH 4 ) 2 SO 4 e de KH 2 PO Figura 4.9: Gráfico de Pareto cuja Variável Dependente é o Percentual de Redução de Fósforo 112 Figura 4.10: Relação entre o Percentual de Redução de Fósforo e as Diferentes Concentrações de (NH 4 ) 2 SO Figura 4.11: Monitoramento dos Ensaios de Biodegradabilidade em Solo Contendo Diferentes teores de KH 2 PO 4, Conduzidos em Biorreatores com 60 g de Solo, sem Adição de Areia e Nitrogênio, a 35ºC por 30 Dias 114 Figura 4.12: Monitoramento do Teor de Umidade Total ao Longo de 22 Dias de Ensaios, em Biorreatores em Macrocosmos, a uma Taxa de Aeração de 6 L/h 116 Figura 4.13: Monitoramento dos Ensaios de Biodegradabilidade em Quatro Biorreatores Aeróbios em Função da Eficiência de Remoção de Matéria Orgânica ao Longo de 45 Dias 117 Figura 4.14: Monitoramento dos Ensaios de Biodegradabilidade em Quatro Biorreatores Aeróbios em Função da Eficiência de Remoção de O&G ao Longo de 45 dias 120 Figura 4.15: Monitoramento de ph em Quatro Biorreatores Aeróbios ao Longo de 45 Dias de Ensaios 121 Figura 4.16: Monitoramento dos Ensaios de Biodegradabilidade em Quatro Biorreatores Aeróbios em Função da Eficiência de Remoção de TPH ao Longo de 45 Dias 122 Figura 4.17: Monitoramento do Percentual de Redução de Nitrogênio em Quatro Biorreatores Aeróbios ao Longo de 45 Dias de Ensaios 124 xii

13 Figura 4.18: Monitoramento do Percentual de Redução de Fósforo em Quatro Biorreatores Aeróbios ao Longo de 45 Dias de Ensaios 124 Figura 4.19: Relação entre o Crescimento de Bactérias Heterotróficas Totais e Bactérias Hidrocarbonoclásticas e a Eficiência de Remoção de TPH e O&G após 45 Dias de Ensaios 126 Figura 4.20: Monitoramento de CO 2 Produzido Durante Ensaios de Biodegradabilidade em Biorreatores Aeróbios 127 Figura 4.21: Relação entre a Produção de CO 2 e as Eficiências de Remoção de Matéria Orgânica e de O&G após 45 Dias de Ensaios 128 Figura 4.22: Relação entre o Crescimento da População Microbiano com as Eficiências de Remoção de TPH e de O&G após 45 Dias de Ensaios 130 Figura 4.23: Relação entre o Crescimento da População Microbiana com a Produção de CO 2 após 45 Dias de Ensaio 132 Figura 4.24: Relação entre o Consumo de Nitrogênio e de Fósforo com as Eficiências de Remoção de Matéria Orgânica, de TPH e de O&G após 45 Dias de Ensaios 133 Figura 4.25: Monitoramento de ph no Início e após 45 Dias de Ensaio 134 xiii

14 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1: Distribuição Granulométrica do Solo 13 Tabela 2.2: Porosidade dos Diferentes Tipos de Solos 15 Tabela 2.3: Constituição da Matéria Orgânica do Solo 17 Tabela 2.4: Custos entre os Tratamentos Biológicos e os Tratamentos Físico-químico 24 Tabela 2.5: Gêneros Microbianos Degradadores de Hidrocarbonetos no Solo 33 Tabela 2.6: População Microbiana em Solos e Águas Subterrâneas 35 Tabela 2.7: Distribuição dos Microrganismos em Relação à Profundidade do Solo 35 Tabela 2.8: Categoria de Enzimas Oxigenases 39 Tabela 2.9: Grupos de Microrganismos Degradadores de Hidrocarbonetos Aromáticos 48 Tabela 2.10: Efeitos Sobre a Saúde Causados por Alguns Componentes da Gasolina 51 Tabela 2.11: Matriz de Planejamento 2 2 para Dois Fatores e Dois Níveis 68 Tabela 3.1: Composição do Meio TSA 82 Tabela 3.2: Composição do Meio Agar Nutriente 82 Tabela 3.3: Composição do Meio Mineral Bushnell Haas 83 Tabela 3.4: Variáveis Estudadas e seus Respectivos Níveis Empregados no Planejamento Experimental Exploratório 88 Tabela 3.5: Matriz de Planejamento Experimental Exploratório 89 Tabela 3.6: Experimentos Realizados com Diferentes Teores de (NH 4 ) 2 SO 4 em Biorreatores Aeróbios Durante 30 dias a 35ºC 90 Tabela 3.7: Matriz de Planejamento Experimental onde (NH 4 ) 2 SO 4 e KHPO 4 Foram as Variáveis Estudadas 91 Tabela 3.8: Experimentos Realizados com Diferentes Teores de KHPO 4 em Biorreatores Aeróbios Durante 30 dias a 35ºC 92 Tabela 4.1: Caracterização Físico-química e Microbiológica da Amostra Composta do Solo 98 xiv

15 Tabela 4.2: Caracterização Físico-química dos Solos Provenientes da Área Contaminada 99 Tabela 4.3: Resultados Referentes ao Planejamento Experimental ao Longo de 30 Dias de Ensaios 104 Tabela 4.4: Resultados Referentes ao Planejamento Experimental 2 2 cujas Variáveis Independentes São (NH 4 ) 2 SO 4 e KH 2 PO Tabela 4.5: Resultados Referentes à Regressão Linear do Modelo Cinético de Primeira Ordem 119 Tabela 4.6: Comparação entre os Resultados Obtidos em Termos de Remoção de Matéria Orgânica, O&G e TPH em Diferentes Tempos (5, 25 e 45 Dias) 123 Tabela 4.7: Contagem de Bactérias Heterotróficas Totais e Bactérias Hidrocarbonoclásticas em Biorreatores Aeróbios no Início e após 45 Dias de Ensaios 125 Tabela 4.8: Contagem de Bactérias Heterotróficas Totais e Bactérias Hidrocarbonoclásticas em Biorreatores Aeróbios no Início e após 45 Dias de Ensaios 131 xv

16 ÍNDICE DE FOTOS Foto 3.1: Biorreatores Aeróbios em Estufa Bacteriológica 86 Foto 3.2: Biorreatores Aeróbios em Macrocosmos 93 xvi

17 Capítulo 1: Introdução CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO 1.1 Considerações Gerais O século XX foi acompanhado por um rápido aumento no desenvolvimento tecnológico concomitantemente com um expressivo crescimento da indústria de petróleo. Atualmente, a indústria petroleira é um dos setores industriais considerados poluidores em potencial do meio ambiente, visto que desde a prospecção do petróleo até a distribuição dos seus derivados ocorrem alterações do ambiente. Após a Segunda Guerra Mundial, com o grande desenvolvimento do transporte marítimo e os avanços tecnológicos obtidos na área de construção naval, a poluição do mar por óleo ganhou ênfase, principalmente, após a ocorrência de vazamentos de grande porte, os quais motivaram o estabelecimento de normas e legislações específicas (SERPA, 2000). No entanto, os problemas de contaminação não se restringem apenas aos derrames no mar, os solos também são afetados por vazamentos de oleodutos devido à falta de uma manutenção mais rigorosa dos mesmos. Ademais, sabe-se que somente 3% da água facilmente disponível ao consumo humano se encontra na superfície e os 97% correspondem as águas subterrâneas, que podem ser contaminadas com petróleo e seus derivados caso não haja uma medida de remediação do local impactado. Sendo assim, a necessidade de remediação desses ambientes contaminados tem estimulado o surgimento de técnicas que visam a eliminação dos poluentes. À vista disso, surge a biorremediação como uma tecnologia alternativa de tratamento de solos contaminados, com o propósito de minimizar o efeito dos poluentes e até mesmo eliminá-los do ambiente afetado pelos vazamentos de óleo e derivados. A biorremediação pode ser definida como sendo um 1

18 Capítulo 1: Introdução processo de tratamento que faz uso de microrganismos (leveduras, fungos filamentosos ou bactérias) (U.S. EPA, 1996). No entanto, para promover a biorremediação, faz-se necessário, às vezes, promover algumas alterações ambientais a fim de se obter melhores remoções dos poluentes e estimular a atividade microbiana nativa, tais como: promover uma melhor aeração do solo, monitorar e corrigir a umidade e o ph e adicionar nutrientes. Tais alterações fazem parte da técnica, utilizada na biorremediação, denominada de bioestimulação. É evidente que existem outros fatores que influenciam a biorremediação do solo, como a temperatura do ambiente, o tipo de solo e o teor de materiais argilosos, o tipo e a concentração de poluentes e a concentração de microrganismos no local afetado. Em muitos casos, o tratamento de solos contaminados com óleo cru tem envolvido a necessidade de bioestimulação dos microrganismos nativos. O nitrogênio e o fósforo são os nutrientes mais comumente utilizados na bioestimulação para favorecer o crescimento microbiano (LIEBEG e CUTRIGHT, 1999). Esses nutrientes são considerados fatores limitantes para a degradação microbiana e, quando empregados em concentrações adequadas, podem estimular a biodegradação no solo (ZHOU e CRAWFORD, 1995). Entretanto, há uma grande dificuldade de se recuperar solos impactados por petróleo e/ou derivados quando estes apresentam características argilosas, bastante comuns no Brasil, devido a fortes interações entre a matriz do solo e os contaminantes e à baixa permeabilidade inerente a este tipo de solo, o que dificulta a penetração tanto de nutrientes quanto de oxigênio, indispensáveis ao fenômeno de biodegradação (TRINDADE, 2002). Sendo assim, a biorremediação não pode ser considerada como uma solução para todos os problemas de poluição ambiental, visto que apresenta limitações como outras tecnologias (ATLAS, 1995). Contudo, é uma tecnologia flexível e pode ser adaptada a uma variedade de situações (RYAN, 1991), posto que cada sítio contaminado apresenta uma ou mais deficiências e estas podem ser corrigidas segundo a necessidade dos microrganismos no mesmo. 2

19 Capítulo 1: Introdução É importante ressaltar que apesar dos eventuais impactos ambientais ocasionados pelo setor petroleiro, ainda assim, o crescimento econômico de um país é indispensável para garantir o futuro e o bem-estar de seus cidadãos. Por conseguinte, deve-se procurar promover um desenvolvimento sócioeconômico aliado a preservação da qualidade ambiental. 1.2 Objetivo Objetivo Geral O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar a concentração dos nutrientes ((NH 4 ) 2 SO4 e KH 2 PO 4 ) que melhor contribuísse para a biodegradação em um solo argiloso contaminado com petróleo e água de produção Objetivos Específicos Primeira Etapa: Amostragem e Caracterização do Solo Contaminado Segunda Etapa: Ensaios em Microcosmo Avaliar os efeitos das variáveis (percentual de areia, vazão de ar e concentração de nitrogênio ((NH4)2SO4)) consideradas importantes na biodegradação de óleo cru no solo argiloso; Avaliar a melhor concentração de (NH4)2SO4 na biodegradação do óleo cru no solo; Avaliar a interferência das concentrações de nitrogênio e fósforo (KH2PO4) no tratamento do solo; Avaliar as melhores concentrações da fonte de fósforo na biodegradação do óleo cru, sem adicionar a fonte de nitrogênio. Terceira Etapa: Ensaios em Macrocosmo 3

20 Capítulo 1: Introdução Avaliar a cinética de biodegradação de óleo cru em biorreatores aeróbios ao longo de 45 dias de experimento; Avaliar o tempo de biodegradação do óleo. 1.3 Apresentação dos Capítulos da Tese Após esse Capítulo introdutório, segue-se o Capítulo 2 onde é feita uma revisão bibliográfica dos temas que envolvem informações teóricas relevantes para uma melhor elucidação dos resultados observados ao longo dos experimentos. Os temas abordados nesse Capítulo são: petróleo e água de produção; solo (pedogênese, características e seu efeito sobre a biorremediação e o perfil do contaminante no mesmo); biodegradação e a biorremediação (conceitos e tecnologias empregadas no tratamento dos solos); microrganismos e a biorremediação; biodegradação de hidrocarbonetos de petróleo; fatores limitantes que são fundamentais para o bom entendimento e funcionamento da biorremediação; aplicabilidade de biosurfactantes e de surfactantes na biodegradação. O Capítulo 3 apresenta as metodologias empregadas ao longo do monitoramento dos experimentos, assim como esquemas, fotos e descrição minuciosa das condições experimentais adotadas em cada etapa desse trabalho. No Capítulo 4, os resultados são apresentados sob a forma de gráficos e Tabelas, sendo realizada uma discussão dos mesmos, com o propósito de compreender os resultados observados e traçar um paralelo com aqueles presentes na literatura. 4

21 Capítulo 1: Introdução No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do trabalho e no Capítulo 6 são feitas algumas sugestões para trabalhos futuros voltados para o tratamento de solos contaminados. Ao final do texto são apresentadas as Referências Bibliográficas utilizadas no desenvolvimento deste trabalho e o Anexo, contendo Tabelas e Gráficos que complementam o texto. 5

22 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 PETRÓLEO E ÁGUA DE PRODUÇÃO Petróleo e Seus Derivados O petróleo é um líquido oleoso betuminoso de origem natural, composto por diferentes substâncias orgânicas. Sendo encontrado em grandes quantidades sob a superfície terrestre e usado como combustível e matériaprima para a indústria química. Originou-se da decomposição de plantas e animais aquáticos, principalmente marinhos, que foram depositados sob camadas sucessivas de lama e sedimentos, talvez há cerca de milhões de anos atrás (WASSERMAN e PLACHTA, 1994). Sua composição química é muito complexa. Dentre as classes de compostos que fazem parte dessa composição podemos citar os hidrocarbonetos, compostos nitrogenados (piridinas, quinolinas, pirróis), oxigenados (fenóis, cresóis, ácidos alifáticos, ácidos aromáticos), sulfurados (mercaptans, gás sulfídrico, sulfetos alifáticos e cíclicos) e alguns metais. Dependendo dos hidrocarbonetos presentes, o petróleo apresenta-se diferenciado em diversos tipos e isto determina os processos de refino que sofrerá. A fração líquida do petróleo é comumente denominada de óleo cru. Segundo DEL ARCO (1999), esta composição variada influencia na evaporação, dissolução e suscetibilidade ao ataque químico e bioquímico. E, além disso, muitos hidrocarbonetos do óleo cru possuem limitada solubilidade em água, a qual decresce rapidamente com o aumento do peso molecular do composto, tornando-se um fator desfavorável para a degradação microbiana. 6

23 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica elas: Existem quatro classes de hidrocarbonetos presentes no óleo cru, são Hidrocarbonetos saturados ou parafínicos - contendo moléculas lineares (na faixa de 5 até 40 átomos de carbono), ramificadas (na faixa de 1 até 6 átomos de carbono) e cíclicas; Hidrocarbonetos aromáticos (na faixa de 1 até 7 núcleos aromáticos); Resinas - polímeros, ou seja, estruturas complexas que possuem também complexos compostos sulfurados, oxigenados e nitrogenados; Asfaltenos - macromoléculas de estrutura altamente complexa formadas por anéis aromáticos fundidos, núcleos saturados e cadeias laterais ramificadas (CRAVO JR.,1998). Os hidrocarbonetos insaturados ou olefínicos são raros no petróleo cru, no entanto são formados no craqueamento das frações do petróleo. Os derivados de petróleo são obtidos a partir da destilação do óleo cru, onde as frações são submetidas a complexos tratamentos para que sejam convertidas nos produtos finais desejados, tais como: a) produtos de baixo peso molecular - gasolina (contendo em média 50-70% (p/p) de hidrocarbonetos alifáticos, 25-45% (p/p) de aromáticos e até 20% (p/p) de olefinas), combustíveis de aviação e óleo diesel; b) produtos de alto peso molecular - óleos lubrificantes e outros combustíveis; c) produtos de altíssimo peso molecular - asfaltenos e piches (CRAVO JR., 1998). O óleo cru e o gás natural são encontrados em quantidades comerciais em reservas sedimentares situadas em mais de 50 países de todos os continentes; sendo que as maiores jazidas se encontram no Oriente Médio, onde se concentram mais da metade das reservas conhecidas de óleo cru e quase um terço das reservas conhecidas de gás natural. 7

24 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Água de Produção A água de produção é produzida durante a recuperação de gás natural e óleo cru em operações onshore e offshore; é considerada o rejeito de maior volume durante o processo de exploração e produção de petróleo (TELLEZ et al., 1994), sendo também denominada de água de formação, água associada ao petróleo ou efluente salino. De acordo com SAUER (1981) Apud FREIRE (1999), são produzidos 0,6 litro de água de produção por litro de óleo obtido, em média, durante a vida econômica de um campo petrolífero. No entanto, STEPHENSON (1991 e 1992) menciona que tal volume pode exceder até 10 vezes o volume de óleo produzido. Segundo estudos realizados, a água de produção descartada no Mar do Norte (Reino Unido) teve um aumento significativo, perfazendo 187 milhões de toneladas em 1993 e 234 milhões de toneladas em 1997 (THE ENERGY REPORT, 1998 Apud HENDERSON et al., 1999). De acordo com estudos da U.S. EPA (1987), são gerados anualmente, nos EUA, cerca de 11,7 bilhões de barris de água de produção. Em relação ao Brasil, o volume total de água de produção gerado na Bacia de Campos é de m 3 /dia (SHIOYA e PEIXOTO, 1999). A água de produção apresenta uma mistura complexa de materiais orgânicos e inorgânicos; no entanto, a quantidade e a qualidade da água de produção gerada varia de acordo com o método de recuperação, com a idade do campo produtor (quanto mais antigo, maior a relação entre água produzida e óleo) e com a natureza da formação como, por exemplo, as estruturas geológicas que constituem o poço produtor. Segundo RIBEIRO (1995) Apud FREIRE (1999), a água de produção consiste basicamente de água de formação (naturalmente presente no reservatório), águas previamente injetadas no reservatório, e/ou, no caso de produção de gás, águas condensadas. 8

25 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Segundo PLACE (1991) Apud FREIRE (1999), a composição da água de produção pode variar amplamente, no entanto isto depende da origem, qualidade do óleo e do procedimento de extração. Quanto à sua temperatura, esta pode variar de 10 a 105ºC. Dessa forma, os compostos básicos da água de produção podem ser agrupados de acordo com as seções que se seguem Óleo (Disperso e Dissolvido) A quantidade de material disperso (material insolúvel) depende da influência de fatores como densidade do óleo, forma e tamanho das gotas de óleo e tensão interfacial entre a água e o óleo. De acordo com PALMER (1979) Apud FREIRE (1999), esses fatores influenciam na eficiência dos processos gravimétricos de separação e/ou de flotação que são normalmente empregados no tratamento da água de produção. A fração insolúvel em água é constituída principalmente de hidrocarbonetos alifáticos, cíclicos e aromáticos de alto peso molecular (MENZIE, 1982 Apud FREIRE, 1999) Metais Pesados As concentrações dos metais presentes nas águas de produção são geralmente maiores do que as concentrações que ocorrem naturalmente na água do mar. O Cádmio, cujas concentrações atingem valores de até 98 ppb nesse tipo de efluente, apresenta toxicidade em níveis de 0,2 ppb (FREIRE, 1999). 9

26 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Sais Minerais A água de produção apresenta elevada salinidade, cuja quantidade de sais minerais dissolvidos pode variar numa faixa de 10 a mg/l. Aproximadamente 80% dos sólidos totais dissolvidos consiste de cloreto de sódio, no entanto a composição iônica dessas águas pode variar consideravelmente (TELLEZ e KHANDAN, 1996) Produtos Químicos Muitos produtos químicos são adicionados durante a fase de produção de petróleo, dentre eles: inibidores de corrosão, anti-incrustantes (poliacrilatos), biocidas, anti-emulficantes (compostos à base de óxido de etileno e de propileno) e anti-espumantes (óleo de silicone, por exemplo). Segundo STEPHENSON (1992), esses produtos desempenham importantes funções, que podem ser classificadas em três categorias: quanto à produção, quanto ao processamento de gás e quanto à estimulação e manutenção do poço. Quanto ao processamento de gás, têm-se os desidratantes e por último, em relação à estimulação e manutenção citam-se os ácidos, as salmouras e os aditivos apropriados (FREIRE, 1999). De acordo com SHIOYA e PEIXOTO (1999), a PETROBRAS vem testando o uso de biocidas biodegradáveis e menos tóxicos, para a substituição dos biocidas à base de glutaraldeído 10

27 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica 2.2 O SOLO Formação do Solo - Pedogênese O solo corresponde à cobertura exterior da maior parte da superfície continental da Terra. Segundo COUTINHO (1999), o solo pode ser entendido como um complexo de seres vivos e materiais minerais e orgânicos cujas interações resultam em propriedades específicas, tais como: estrutura, fertilidade, teor de matéria orgânica, capacidade de troca iônica, etc. Por conseguinte, é um agregado de minerais não-consolidados e de partículas orgânicas produzido pela ação combinada do vento, da água e dos processos de desintegração orgânica. Na Figura 2.1, podemos verificar as etapas de formação do solo. A formação do solo é um processo no qual as rochas se dividem em partículas menores, mesclando-se com a matéria orgânica em decomposição. O leito rochoso começa a se desintegrar pelos ciclos de gelo-degelo, pela ação da chuva e por outras forças do meio ambiente (I). O leito decompõe-se na rochamãe, que, por sua vez, divide-se em partículas menores (II). Os organismos da região contribuem para a formação do solo, desintegrando-o enquanto lá vivem e acrescentando matéria orgânica após sua morte. Nesta etapa do desenvolvimento, formam-se camadas chamadas horizontes (III). O horizonte A, mais próximo à superfície, costuma ser mais rico em matéria orgânica, enquanto o horizonte C contém mais minerais e continua parecendo-se com a rocha-mãe. Com o tempo, o solo pode chegar a sustentar uma cobertura grossa de vegetação, reciclando seus recursos de forma eficaz (IV). Nesta última etapa, o solo pode conter um horizonte B, onde se armazenam os minerais lixiviados (ENCICLOPÉDIA MICROSOFT ENCARTA, 1999). 11

28 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Figura 2.1: Etapas de Formação do Solo Fonte: Enciclopédia Microsoft Encarta, De acordo com COUTINHO (1999), sem os organismos, os solos não seriam formados. Mesmo com a intemperização físico-química das rochas matrizes, os terrenos formados não teriam nenhuma fertilidade, visto que há necessidade de nitrogênio e estruturas de carbono para que a vida se estabeleça. As cianobactérias são consideradas como colonizadores primários do solo, pela sua capacidade de fixar carbono e nitrogênio da atmosfera através dos processos de fotossíntese e fixação biológica de nitrogênio, respectivamente. Sendo assim, fungos e bactérias terão recursos para se desenvolver e liberar nutrientes dos minerais do solo, como o fósforo, cálcio e ferro. A disponibilidade de água permitirá o crescimento de plantas no solo formado, que ao serem decompostas gerarão matéria orgânica que reterá nutrientes, liberando-os lentamente para os próximos colonizadores. 12

29 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Características do Solo Tendo-se uma visão geral da formação do solo, tem-se uma ferramenta a mais na escolha do melhor tratamento do solo contaminado. Nesse item, busca-se compreender e avaliar a estrutura do solo, assim como esta pode vir a contribuir positiva ou negativamente no processo de biorremediação. Podemos assumir o solo como um sistema multicomponente, integrado pelas fases: sólida, líquida e gasosa. No entanto, essas duas últimas são complementares, visto que a porção do espaço poroso que não é ocupada pela fase líquida é complementada pela fase gasosa. Enquanto isso, a fase sólida é constituída de partículas minerais e de substâncias orgânicas. As várias combinações quanto à forma, ao tamanho e à composição química destas formam a matriz sólida. Na fase sólida, as partículas minerais do solo são divididas em três frações: areia, silte e argila. Sendo que algumas são consideradas grandes, enquanto outras são extremamente pequenas, a ponto de apresentarem propriedades coloidais. Diferentes proporções de areia, silte e argila resultam em diferentes tipos de classes texturais. De acordo com RESENDE et al. (2002), a textura de um solo depende da rocha de origem e do seu grau de intemperização. A Tabela 2.1 apresenta a distribuição granulométrica do solo. Tabela 2.1: Distribuição Granulométrica do Solo Partículas Limite de Diâmetro (mm) Areia grossa 2-0,2 Areia fina 0,2-0,05 Silte 0,05-0,002 Argila Menor que 0,002 Fonte: RESENDE et al. (2002) 13

30 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Areias e siltes são constituídos, principalmente, de partículas resultantes da quebra física de rochas e minerais. Estas, por sua vez, diferem-se basicamente pelo tamanho médio de suas partículas, visto que as partículas de silte possuem área superficial maior em relação às areias (BORGES, 2001). As partículas do tamanho de areia e silte, sob a ação do intemperismo, transformam-se em argila (RESENDE et al., 2002). A fração de argila presente na maioria dos solos é constituída de minerais muito diferentes, em composição e propriedades físicas, em relação àqueles presentes na areia e silte. Como a maior fração da água presente no solo se encontra como um filme aderido à superfície das partículas de argila, a quantidade de argila presente no solo exerce importante influência na sua capacidade total de retenção de água. De acordo com DROZDOWITZ (1991) Apud CUNHA (1996), a fase sólida é dividida em duas frações: orgânica e inorgânica, constituindo cerca de 50% do volume total do solo. No entanto, somente 5% desse total corresponde ao teor de matéria orgânica presente. A fração orgânica é composta por detritos vegetais, células de microrganismos, compostos orgânicos dissolvidos e húmus (componente principal desta fração e pode ser definido como uma mistura de polímeros formando uma estrutura tridimensional complexa, correspondendo a menos de 10% do peso do solo); enquanto a fração inorgânica é composta por fragmentos de vários tamanhos de rochas e sua composição depende da geologia da área, sendo classificada de acordo com o tamanho das partículas (CUNHA, 1996). Segundo PREVEDELLO (1996), a fase líquida, isoladamente, caracteriza a umidade do solo e é representada pela água ou solução do solo, contendo íons como H 2 PO - 4, SO 2-4, NO - 3, Na +, K +, Cl -, Ca 2+, H +, NH + 4, etc. É importante ressaltar que a fase líquida poderá estar presente completa (todos os poros do solo estarão preenchidos por água - solo saturado) ou parcialmente (os poros encontram-se preenchidos tanto por uma fase líquida como por uma fase gasosa) no solo. 14

31 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica A fase gasosa caracteriza a porosidade de aeração do solo ou porosidade livre de água, e apresenta gases como CO 2, O 2, NH 3 e vapor de água (PREVEDELLO, 1996). Em condições normais, o conteúdo de CO 2 é maior que o de O 2 no solo, como resultado do metabolismo microbiano e da lenta velocidade de difusão de ambos os gases (PALA, 2002). A caracterização da porosidade de um dado solo é determinada pela capacidade dos sólidos, de tamanhos e formas distintas, em formar agregados. Na Tabela 2.2, pode-se verificar a porosidade dos diferentes tipos de solos. Tabela 2.2: Porosidade dos Diferentes Tipos de Solos Classes de Solos Porosidade (m 3 /m 3 ) Arenosos 0,35-0,50 Siltosos e Francos 0,30-0,55 Argilosos 0,40-0,65 Humíferos 0,60-0,80 Turfosos 0,80-0,85 Fonte: PREVEDELLO (1996) Os poros do solo são divididos em duas classes: microporos e macroporos. Os solos argilosos apresentam grande microporosidade em relação aos solos arenosos. No entanto, o solo argiloso poderá apresentar macroporosidade em função da formação de agregados. Esses agregados são partículas grandes que se formam a partir da união de partículas primárias como argila, silte e areia (RESENDE et al., 2002). 15

32 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Ainda de acordo com esses últimos autores, nos microporos predomina a retenção de água por adsorção, o que acaba diminuindo a sua infiltração e arejamento (trocas gasosas). No solo, a difusão do ar é reduzida devido à tortuosidade dos poros contínuos disponíveis e ao espaço poroso efetivo (porção vazia do solo). O tamanho dos poros não é crítico, mas a continuidade sim, uma vez que a média dos condutos livres para as moléculas gasosas é muito menor do que o diâmetro dos poros envolvidos. Segundo RISER-ROBERTS (1998), um solo é composto de aproximadamente 45% de material mineral (areia, silte e argila), 25% de ar e 25% de água (sendo metade dos poros do solo saturado com água) e 5% de matéria orgânica, mas esta pode variar. Quaisquer alterações poderão comprometer as reações químicas e biológicas, afetando portanto, a capacidade de degradação dos contaminantes presentes no solo. A matéria orgânica do solo é formada por todas as matérias ou substâncias vivas e mortas do solo que contêm compostos de carbono. Na Tabela 2.3, podemos observar a constituição da matéria orgânica do solo. 16

33 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica Tabela 2.3: Constituição da Matéria Orgânica do Solo Matéria Orgânica do Solo Viva Raramente > 4% do carbono orgânico Microrganismos (60-80%) Fungos Bactérias Macrorganismos (15-30%) Microfauna Protozoários Nematóides Mesofauna Ácaros Macrofauna Minhocas Termitas Raízes (5-10%) Morta Aproximadamente 98% do carbono orgânico Matéria Macrorgânica Resíduos vegetais Húmus (80-90%) Substâncias não-húmicas (30%): Lipídeos Ácidos orgânicos Proteínas Pigmentos Substâncias húmicas (70%): Ácidos húmicos Ácidos fúlvicos Huminas Fonte: Pode-se observar que a matéria orgânica morta do solo compõe a maior parcela de matéria orgânica no solo. No entanto, a matéria orgânica viva tem função tão importante quanto a parcela morta (MACHADO, 1999). Ainda de acordo com o autor, húmus ou humo é uma substância de consistência amanteigada, de coloração preta a amarelada, com aspecto de massa sem forma específica e apresenta propriedades físico-químicas inteiramente distintas do material vegetal ou animal original. Na superfície do solo encontra-se um maior conteúdo de matéria orgânica, que serve como fonte de carbono e energia (assim como fonte de outros macronutrientes como nitrogênio, fósforo e enxofre). Com isso, percebe-se um grande número de microrganismos e uma grande diversidade 17

34 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica de populações microbianas na superfície do solo. No subsolo e nos sedimentos do lençol freático verificam-se baixos níveis de matéria orgânica e, portanto, é encontrado um baixo número de microrganismos e baixa diversidade de população microbiana em relação à superfície (ADRIAENS E HICKEY, 1993 Apud RISER-ROBERTS, 1998). Tal afirmativa poderá ser verificada nas Tabelas 2.6 e Solo e a Biorremediação As propriedades químicas e físicas de um solo, tais como textura, infiltração e permeabilidade, a capacidade de absorver água, a densidade, o conteúdo de matéria orgânica, a presença de macronutrientes e micronutrientes, a capacidade de troca catiônica e a salinidade (HORNICK, 1983 Apud RISER-ROBERTS, 1998), determinam a natureza do ambiente em que os microrganismos são encontrados. Sendo assim, o ambiente do solo afeta a composição da população microbiana tanto qualitativamente quanto quantitativamente. Sabe-se que os solos arenosos apresentam maior permeabilidade em relação aos solos argilosos e, por conseguinte, influenciam a taxa de penetração de produtos contaminantes do solo. Segundo DEL ARCO (1999), os solos arenosos apresentam partículas com microporos com diâmetro superior a 1 µm, viabilizando o acesso dos microrganismos no interior dos poros e caracterizando a biodisponibilidade da fonte de carbono. Ao contrário, os solos argilosos possuem microporos com diâmetro inferior a 1µm, limitando a disponibilidade do composto orgânico ao ataque microbiano. De acordo com PENBERTHY et al. (1999), qualquer esforço para remediação torna-se um desafio em solos com elevado conteúdo de argila, visto que dificulta a passagem de água e ar, prejudicando a atuação de microrganismos aeróbios sobre o contaminante. Além disso, os poluentes orgânicos interagem com os constituintes do solo podendo ou não interferir 18

35 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica na biodegradação. LIEBEG e CUTRIGHT (1999) relatam que a grande limitação da biorremediação no tratamento de solos é a transferência de massa, ou seja, problemas com o transporte de nutrientes e de bactérias até o contaminante. AMELLAL et al. (2001) verificaram essa interferência, observando-se que a biodegradação de PAHs em agregados de argila e silte fina não dependeu apenas da densidade da comunidade microbiana, mas sim da acessibilidade dos poluentes às bactérias degradadoras. Visto que os agregados de areia e argila apresentaram elevada densidade de bactérias degradadoras de fenantreno e, no entanto, o percentual residual do contaminante foi encontrado em maior quantidade nesses agregados. KAO et al. (2001) verificaram que, em sedimentos com elevado teor de argila, diminui-se a biodisponibilidade de Fe(III) (empregado como aceptor de elétrons) e conseqüentemente a atividade de bactérias redutoras de ferro. TRINDADE (2002), PALA (2002) e BORGES (2001) realizaram estudos mais recentes voltados para a recuperação de solo argiloso contaminado com petróleo, avaliando a biodegradação do mesmo. No Brasil, a maioria dos solos apresenta elevados teores de argila estes são denominados de Latossolos, que são os mais comuns e mais ricos em óxidos de Fe e Al (estes óxidos fixam bastante fósforo no solo) (RESENDE, 2002) e poucos estudos são encontrados na literatura quanto ao tratamento deste tipo de solo para as condições climáticas do país. Devido os hidrocarbonetos serem pouco solúveis em água, estes são facilmente adsorvidos pela argila ou frações de húmus no solo e passam lentamente para a fase aquosa, no qual serão metabolisados pelos microrganismos (BARDI et al., 2000). De acordo com HUANG et al. (2000), em solos insaturados, a biodegradação de hidrocarbonetos de petróleo será influenciada pela área de interface entre o óleo e a água. Sendo a área de interface, por conseguinte, um dos fatores limitantes para o crescimento microbiano e para a biodegradação. 19

36 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica O Perfil do Óleo Cru no Solo A partir da seção 2.2.2, pode-se verificar que o vazamento de óleo cru incidentalmente no solo pode gerar sérios problemas no ambiente contaminado. Esse contaminante pode interagir com as partículas do solo, interferindo no seu tratamento e podendo assim se perpetuar no sítio contaminado. Segundo SEMPLE et al. (2001) Apud PALA (2002), as propriedades químicas e os fatores ambientais, como a temperatura e o índice pluviométrico, podem também influenciar o trajeto do óleo cru no solo. Segundo WONG et al. (1997), os hidrocarbonetos podem se apresentar em quatro fases, na zona insaturada do solo: fase líquida não aquosa, fase adsorvida, fase vapor e fase dissolvida. No entanto, NADIM et al. (2000) relatam somente a formação de três fases (dissolvida, líquida e gasosa) desconsiderando a fase adsorvida. A seguir, são apresentadas as quatro fases citadas por WONG et al.: Fase líquida não aquosa (NAPL) formada quando o óleo chega ao lençol freático. Nessa fase os hidrocarbonetos formam uma fase livre dispersa e uma fase residual que é mantida nos poros do solo seja por forças capilares seja como pequenas piscinas de líquidos sobre as partículas de argila e silte (NADIM et al., 2000). Na NAPL encontra-se uma fase densa (DNAPL), que se tende depositar sob a mesa d água, e uma fase leve (LNAPL); Fase adsorvida é formada pelos compostos que permanecem adsorvidos às partículas do solo; Fase vapor coexistindo com a fase adsorvida, os hidrocarbonetos voláteis encontram-se presentes nos poros e nos interstícios do solo; Fase dissolvida essa fase é formada quando o produto que atingiu o lençol freático se dissolve na água subterrânea formando assim uma pluma de contaminação. 20

37 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica 2.3 BIODEGRADAÇÃO E A BIORREMEDIAÇÃO Segundo RISER-ROBERTS (1998), pode-se definir a biodegradação como sendo uma redução da complexidade de compostos químicos, biologicamente catalisada, ou seja, corresponde a degradação destes compostos pela ação de microrganismos, tais como bactérias, actinomicetos e fungos. Estes microrganismos utilizam os compostos orgânicos como fontes de nutrientes e de energia (U.S. EPA, 1996). O termo biodegradação é freqüentemente usado para descrever processos microbianos distintos que ocorrem em ecossistemas naturais, tais como mineralização, redução da toxicidade e cometabolismo. A mineralização ocorre quando há completa biodegradação de uma molécula orgânica a compostos inorgânicos (dióxido de carbono, água e/ou N, P, S na forma inorgânica), biomassa e produtos típicos de vias catabólicas (RISER-ROBERTS, 1998). Sob condições anaeróbias, essa redução conduz à formação de metano, CO 2 e traços de H 2. Muitos processos podem resultar na redução da toxicidade de hidrocarbonetos. Podemos exemplificar alguns deles: hidrólise; hidroxilação, desalogenação, desmetilação ou ainda desalquilação, metilação, desaminação, nitro-redução e conversão de nitrila a amida. Os microrganismos podem degradar compostos recalcitrantes mediante a adição de compostos facilmente assimiláveis (cometabólitos) no ambiente em que estes se encontram. Todavia, segundo SIMS et al. (2001), o cometabolismo pode gerar produtos intermediários que são tóxicos a célula microbiana. Esse processo será melhor apresentado na seção desse Capítulo. A biorremediação é uma técnica que, por meio de microrganismos, degrada e transforma compostos orgânicos, presentes em sítios 21

38 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica contaminados, sendo aplicada para se obter compostos mais simples e fáceis de serem degradados; além disto, pode-se ocorrer a mineralização destes compostos, sendo esta vista como o benefício final da biorremediação (VIEIRA, 1994). Por ser uma técnica aplicada no tratamento de ambientes heterogêneos, a biorremediação envolve áreas como microbiologia, engenharia, ecologia, geologia e química (BOOPATHY, 2000) para formar uma equipe multidisciplinar eficiente e eficaz. Dessa forma, a biorremediação tem sido aplicada para tratar solos contaminados com petróleo, pois a biodegradação de óleo cru por microrganismos nativos é um dos principais mecanismos através dos quais o petróleo e outros hidrocarbonetos são eliminados do meio ambiente Tecnologias de Tratamento De acordo com MORGAN e WATKINSON (1989 a ), as tecnologias disponíveis adequam as condições ambientais, viabilizando máximas taxas de biodegradação, sejam elas in situ ou ex situ. As metodologias incluem o fornecimento de nutrientes inorgânicos e de oxigênio (como o caso dessa dissertação), a introdução de cometabólitos e/ou a adição de culturas microbianas no ambiente contaminado. As tecnologias in situ envolvem tratamentos no próprio local contaminado. Elas são aplicadas quando a contaminação já atingiu o nível freático e se deseja evitar que a pluma venha contaminar o aqüífero. A principal vantagem do tratamento in situ é que o solo não necessita ser escavado e transportado, reduzindo os custos com o tratamento. No entanto, o tratamento requer longos períodos e é sensível a determinadas características do solo, o que dificulta um rigoroso controle do processo. De 22