Introdução à Biorremediação. Michaye McMaster Geosyntec Consultants

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1 Introdução à Biorremediação Michaye McMaster Geosyntec Consultants

2 Ms. Michaye McMaster Michaye has more than 18 years of experience in managing and leading complex contaminant hydrogeology investigations, including numerous full-scale enhanced in situ bioremediation projects. She holds B.Sc. And M.Sc. degrees in biology and hydrogeology, and has provided advice to the United States Air Force, USGS, DuPont, and others on bioremediation issues. Ms. Michaye McMaster

3 Resumo Definições Fundamento da Tecnologia Como ocorre a Biodegradação dos Contaminantes A importância da Decloração Redutiva Estimulada (DRE)

4 Guias Recentes ITRC - Pesquise guias elaborados por este órgão. SEDRP Existem tanto relatórios técnicos, como relatórios de custos e guias.

5 Microrganismos Microrganimos (bactérias) estão em todo lugar. Para cada grama de solo existem bactérias. Como todos os organismos, as bactérias precisam comer e respirar. Elas comem doadores de elétrons e respiram aceptores de elétrons. Bactérias também precisam de água e abrigo (superfícies minerais). Portanto, elas sobrevivem em ambientes extremos: de -25 o até 120 o C e de ph < 2 até ph > 12 5

6 Terminologias e Definições Biodegradação (ou biotransformação) Conversão biológica de um composto a outro Biorremediação Uso de projetos de engenharia para aumentar ou estimular a biodegradação Mineralização Conversão de um composto orgânico a compostos inorgânicos 6

7 Processo de Transformação Biogeoquímica Os contaminantes são degradados em reações abióticas com minerais formados naturalmente ou que são biogenicamente produzidos no subsolo 7

8 Terminologias e Definições Aeróbico Presença de oxigênio Anaeróbico Ausência de oxigênio Abiótico Reação exclusivamente física ou química Bactérias não estão envolvidas mas podem conduzir reações redox a níveis onde ocorre o meio abiótico. 8

9 Terminologias e Definições Doador de elétron Um composto que doa elétrons durante a oxidação Compostos orgânicos simples como açúcares, álcoois, ou metano podem ser oxidados a dióxodo de carbono (CO 2 ) Aceptor de elétron Um composto que recebe elétrons durante a redução Compostos inorgânicos como oxigênio, nitrato, sulfato, metais oxidados, ou CO 2 são reduzidos à água, nitrogênio gasoso, sulfeto de hidrogênio, metais dissolvidos, ou metano, respectivamente 9

10 Terminologias e Definições Nitrato-Redução Conversão do nitrato (NO 3 -) via nitrito (NO 2 -) a nitrogênio gasoso (N 2 ) Ferro-Redução Conversão do Fe 3 + (ex.: óxido de ferro insolúvel) a Fe 2 + (ferro dissolvido) Sulfato-Redução Conversão do sulfato (SO 42 -) a sulfeto de hidrogênio (H 2 S) Metanogênense Produção do metano a partir do CO 2 ou de outros compostos orgânicos 10

11 Quais Microrganismos são Importantes na Biodegradação? As bactérias são as mais importantes Os fungos desempenham função no solo, mas não são tão importantes na água subterrânea 11

12 Do quê os micróbios precisam para 12 crescer? Como todos os seres vivos, microrganisos precisam Comida Fornecimento de carbono Fornecimento de energia Substrato para respiração Algo para respirar Nutrientes minerais Água Geralmente da mesma fonte Alguns usam oxigênio como aceptor de elétron, outros podem usar fontes alternativas, incluindo solventes clorados

13 Crescimento Microbiano Aeróbico Comida O 2 CO 2 + H 2 O 13

14 Crescimento Microbiano Anaeróbico Comida O 2 Mn 4 + NO 3 - Fe 3 + SO 42 - CO 2 + H 2 Mn 2 + N 2 Fe 2 + S 2 - CH 4 14

15 Ordem de Preferência dos Rendimento Energético Aceptores de Elétrons CO 2, Orgânicos SO 42 - Mn (IV) Fe (III) NO 3 - O 2 Baixo Alto 15

16 Principais Mecanismos de Biodegradação 16 Ambiente Aeróbico Oxidação aeróbica Co-metabolismo (co-oxidação) Ambiente Anaeróbico Oxidação anaeróbica Decloração redutiva Abiótico Mediada por condições anaeróbicas ou aeróbicas

17 Oxidação Aeróbica Os microrganismos usam os contaminantes como fonte de alimento e ganham energia e carbono da sua biodegradação Contaminante = doador de elétrons Oxigênio = receptor de elétrons Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns PAHs, alguns solventes clorados (1,2-DCA, VC) 17

18 Oxidação Aeróbica Benzeno O 2 CO 2 + H 2 O 18

19 Oxidação Aeróbica- Microbiologia Uma grande variedade de microrganismos pode realizar estes processos de oxidação A atividade é considerada abíqua; a bioadição não é requerida A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio Solubilidade de oxigênio é limitada por isso as concentrações tratáveis são baixas 19

20 Oxidação Aeróbica Considerações de design O suprimento de ar (borbulhamento X peróxido de hidrogénio x sólidos peroxigenados) Raio / área de influência Solubilidade de oxigênio Outros consumidores de oxigênio (demanda biológica de oxigênio, reações inorgânicas) Incrustação 20

21 Co-metabolismo Aeróbico 21 Oxidação fortuita de VOCs por bactérias que crescem aerobicamente em doadores de elétrons Metano, Etano, Propano, Butano Tolueno, Fenol Microrganismos não ganham energia a partir de biodegradação fortuita do VOC Oxigênio = receptor de elétrons Ocorre para uma vasta gama de solventes clorados

22 Co-metabolismo Aeróbico Comida (CH 4 ) O 2 TCE CO 2 + H 2 O + Cl- CO 2 + H 2 O 22

23 Co-metabolismo Aeróbico - Processo Cl Cl C C TCE H Cl Bactéria Co-metabólica Cl Cl C O H C Cl Hidrólise Química TCE-Epoxide CO 2 + H 2 O + Cl- Bactérias gerais do Subsolo H Cl C Cl C O OH + Cl - 23

24 Co-metabolismo Aeróbico - Microbiologia Uma variedade de microrganismos podem mediar reações co-metabólicas Os microrganisms são ubíquos A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio e de co-metabólito As culturas foram desenvolvidas para a bioadição 24

25 Co-metabolismo Aeróbico Considerações de Design PCE e CT não são degradados pelo cometabolismo aeróbico Toxicidade de intermediários (epóxidos) para bactérias cometabolizantes (altamente reativa na célula) Razões molares de substrato consumido para contaminantes degradado relativamente elevadas (frequentemente> 10: 1) Diferentes enzimas com diferentes capacidades para degradar os solventes clorados Balanceamento de entrega do ar e de cometabolito Segurança (por exemplo, metano, propano) 25

26 Oxidação Anaeróbica Microrganismos ganham energia e carbono O Contaminante é o doador de elétrons Outros compostos inorgânicos além do oxigênio servem como receptores de elétrons (por exemplo, NO3, SO4) Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns solventes clorados (1,2-DCA, DCM) 26

27 Oxidação Anaeróbica Tolueno CO 2 + H 2 O O 2 27 Mn 4 + NO 3 - Fe 3 + SO 42 - CO 2 + H 2 Mn 2 + N 2 Fe 2 + S 2 - CH 4

28 Oxidação Anaeróbica - Microbiologia Vários microrganismos mediam processos específicos Ocorre amplamente no ambiente e a atividade pode ser induzida por manipulação de Geoquímica Bioadição não requerida 28

29 Oxidação Anaeróbica Consideraçãoes de Design Adição de compostos regulados (por exemplo, nitrato) Manipulação das condições redox Incrustações (embora menos preocupante que na oxidação aeróbica) Intermediários de degradação (por exemplo, acetato e H2 a partir de DCM) podem alimentar outros processos anaeróbicos Outros consumidores de elétrons 29

30 Decloração Redutiva Substituição em sequência de átomos de cloro por átomos de hidrogênio Ocorre em condições redutoras COVs = receptor de elétrons Compostos orgânicos simples ou hidrogênio = doadores de elétrons Aplica-se a maioria dos solventes clorados 30

31 Decloração Redutiva Doador de Elétrons O 2 H 2 TCE Eteno + Cl- 31

32 Decloração Redutiva Microbiologia Bactérias específicas que realizam estas reações PCE, TCE, DCE, VC = Dehalococcoides TCA, DCA = Dehalobacter Estas bactérias não estão presentes em todos os sites. O bioadição é muitas vezes necessário. A atividade pode ser estimulada pela adição de dadores de eletrons. 32

33 Decloração Redutiva Considerações de Projeto Manipulação das condições redox Doador de elétrons meia-vida e geração de hidrogênio Esgotamento dos receptores de elétrons concorrentes (por exemplo, NO3, SO4) Potenciais inibidores - clorofórmio, TCA Balanço de massas 33

34 Caminhos da Degradação de Condições Aeróbicas PCE/TCE Tetracloroeteno (PCE) decloração redutiva Condições Anaeróbicas CO 2 co-metabolismo Tricloreteno (TCE) decloração redutiva CO 2 co-metabolismo Dicloroeteno (DCE) decloração redutiva CO 2 co-metabolismo Cloreto de Vinila (VC) oxidação anaeróbica CO 2 decloração redutiva 34 CO 2 oxidação Eteno Etano

35 Caminhos da Degradação de Condições Aeróbicas 1,1,1-TCA Acetato Condições Anaeróbicas CO 2 co-metabolismo 1,1,1-Tricloroetano (TCA) (metanotrópicos) (oxidadores de propano) decloração redutiva CO 2 CO 2 co-metabolismo (metanotrópicos) oxidação 1,1-Dicloroetano (1,1-DCA) Cloroetano (CA) decloração redutiva 1,1-DCE VC decloração redutiva Etanol decloração redutiva Eteno CO 2 Etano 35 CO 2

36 Caminhos da Degradação de 1,2-DCA Condições Aeróbicas Cloroetanol 1,2-Dicloroetano (1,2-DCA) decloração redutiva Condições Anaeróbicas Cloroetano (CA) VC Cloroacetato Etanol decloração redutiva Eteno CO 2 Etano CO 2 36

37 Condições Aeróbicas 37 CO 2 Caminhos da Degradação de oxidação CT/CF/DCM Tetracloreto de Carbono CT) decloração redutiva Cloroformio (CF) Diclorometano (DCM) Clorometano (CM) Metano (CH 4 ) decloração redutiva decloração redutiva Condições Anaeróbicas denitrificação redução/ co-metabolismo/ sulfato-redução decloração redutiva CO 2, CO, CSO, CS 2 acetato, ácido fórmico CO 2 acetato, CO 2 CO 2 Metanotiol Sulfureto de dimetilo

38 A Importância da DRE (e Dehalococcoides)

39 Decloração Redutiva Estimulada Os solventes clorados estão entre os contaminates mais desafiadores do solo e água para se remediar. Certas bactérias anaeróbicas podem usar compostos clorados (halogenados) como aceptor de elétrons e substituir uma molécula de cloro com um átomo de hidrogênio (halorespiração). As bactérias podem obter energia para o metabolismo e crescimento por halorespiração, mas um doador de eletrons adicional é necessário para fornecer carbono. 39

40 Dehalococcoides (Dhc) 40 BAV1 He, J. et al., (2003) Nature (424), 63 Strain 195 From Stephen Zinder, Cornell Únicas, organismos muito pequenos CBDB1 From Adrians et al. Baixas taxas de crescimento em isolamento; maiores taxas de crescimento em cultura mista Dhc têm diferentes capacidades metabólicas

41 As relações entre Dehalococcoides e outros microrganismos Todas as culturas mistas que produzem etileno contém um organismo no grupo Dehalococcoides Outras bactérias dehalorespiratórias só causam decloração parcial, e podem competir por hidrogênio Microrganismos Fermento/acetogênicos desempenham papéis essenciais para os decloradores Fornecem nutrientes essenciais Compostos de fermentação, hidrogênio Equilibram Eh, redox, controle contra outros compostos. 41

42 Atomic Force Microscopy (AFM) image courtesy of Elizabeth Edwards, University of Toronto Dehalococcoides in KB-1

43 Mensagens para levar pra casa Bioremediação é efetiva em áreas de plumas e áreas fontes de DNAPL Alguns contaminantes podem inibir degradação Nem todos os sites exigem bioadição DHC é crítica para degradar PCE em eteno 43

44 Obrigada! Mais informações: