Aluno: Flávia de Miranda Gonçalves Orientador: Maurício Leonardo Torem

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1 TRATAMENTO DE EFLUENTES DAS INDUSTRIAS EXTRATIVISTAS POR UM SISTEMA COMBINADO: BIOSSORÇÃO / BIOFLOTAÇÃO UTILIZANDO A CEPA HIDROFÓBICA Rhodococcus ruber Aluno: Flávia de Miranda Gonçalves Orientador: Maurício Leonardo Torem Introdução A poluição por metais pesados se tornou uma das principais preocupações ambientais. Sua presença, mesmo que traços, prejudica a fauna e a flora [Özdemir, et al.(2009)] devido a incapacidade de sua degradação natural, tendo como consequência sua persistência no meio [Coral, et al (2005).], devido à capacidade de várias espécies da base da cadeia alimentar, principalmente os organismos filtradores, de concentrar em seu organismo metais presentes no meio, permitindo assim a bioacumulação, criando uma situação de risco ambiental [Martins Júnior, (2002).]. A presença de pequenas quantidades de metais pesados no meio ambiente é natural, são resultantes da decomposição de rochas ou da lixiviação do solo. Entretanto a ação antrópica intensifica essa quantidade. Várias indústrias produzem e descartam resíduos contendo diferentes metais pesados no ambiente, como produção de energia e combustíveis, industrias de fertilizantes e pesticidas e sua aplicação, metalurgia. Os metais, como recurso natural estão se reduzindo, e também resultam em poluição ambiental, ameaçando a saúde humana e o ecossistema. Três tipos de metais são preocupantes, metais tóxicos ( Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn, etc.), metais preciosos (Pd, Pt, Ag, Au, Ru etc.) e radionuclídeos (U, Th, Ra, Am, etc.) [Wang Chen (2006)] Metais pesados Metais pesados são definidos como os elementos que possuem densidade superior a 6g.cm -3 ou raio atômico superior a 20. Essa definição é abrangente, incluindo ametais e semimetais [Meurer (2004).]. Segundo Baird (2002), a toxicidade causada por um metal em um aqüífero depende da sua concentração, do ph do meio e da quantidade de carbono dissolvido e em suspensão, devido as reações de complexação e adsorção que podem remover alguns íons metálicos e eliminar a interferência que seria causada ao meio. Segundo Jordão et al. (1999), os metais são indispensáveis na formação de enzimas, uma alteração desses metais, tem como consequência uma alteração no funcionamento do organismo, podendo até impedir o transporte de substâncias. Baird (2002) explica que os metais pesados tem forte afinidade com o enxofre, o que o transforma em tóxico. Portanto, os grupos sulfidrila, presente em todas as enzimas que regulam a velocidade das reações metabólicas, se ligam aos metais pesados presentes no organismo. Essa ligação altera o funcionamento da enzima, prejudicando o transporte. Para este projeto serão utilizados sais de cromo e zinco, os quais são metais tóxicos presentes em concentrações elevadas nos efluentes industriais e, em alguns casos, em resíduos urbanos. Métodos de tratamento Os métodos para remoção de íons metálicos de soluções aquosas consistem de tecnologias físicas, químicas e biológicas. Métodos convencionais para essa remoção têm sido

2 usados como precipitação química, filtração, troca iônica, tratamento eletroquímico, tecnologias de membrana, adsorção em carbono ativado, evaporação, etc. Entretanto, precipitação eletroquímica e tratamento eletroquímico são ineficientes, especialmente quando concentrações de íons de metal em soluções aquosas está entre 1 to 100mg L -1, e também produz, em larga escala, lama que requer um tratamento de grande dificuldade. A troca iônica, tecnologias de membrana e adsorção por carbono ativado são processos extremamente caros quando usados para tratar grandes quantidades de aqüíferos, contendo baixas concentrações de metais pesados [Volesky (2001)]. Portanto, esses métodos convencionais podem ser resumidos em caros, não ecologicamente corretos e normalmente dependem da concentração do metal presente no resíduo. Conseguinte, pesquisas por métodos eficientes de tratamento de resíduos e água, ecologicamente corretos e um custo efetivo foi iniciada [Vijayaraghavan, Yun. (2008)]. Os processos podem ser divididos em bióticos e abióticos, sendo como exemplo para este os métodos previamente citados. São três principais vantagens das tecnologias bióticas para a remoção de poluentes: primeiro, o processo biológico pode ser levado ao local de contaminação; Segundo, são geralmente ecologicamente corretos (no resultam em uma poluição secundária) e terceiro, tem um baixo custo [Vijayaraghavan, Yun. (2008)]. Os métodos biológicos, bioacumulação e biossorção tem demonstrado grande potencial para substituir os métodos convencionais de remoção de metais. A definição dos dois processos é baseada na situação da biomassa. A bioacumulação é o processo de absorção de tóxicos por células vivas. O tóxico pode ser transportado para dentro da célula, acumulado intracelular, através da membrana celular e pelo ciclo metabólico [Malik A. (2004)]. Enquanto a biossorção é baseada em material celular inativo ou morto ou de derivados de recursos biológicos, o qual absorve o tóxico. Este é um metabolismo independente, que ocorre apenas na parede celular, sendo diferente para cada tipo de biomassa [Vijayaraghavan, Yun. (2008)]. A biossorção possui vantagens em relação a bioacumulação, as quais estão listadas na tabela. Tabela 1. Comparação de bioacumulação e biossorção Recursos Biossorção Bioacumulação Custo Usualmente baixo. A maioria dos bioso rventes usados são resíduos industriais, agrícolas ou microrganismos. O custo envolve principalmente transporte e algum custo de processo ph Temperatura A solução de ph influencia fortemente na capacidade de absorção de biomassa. No entanto, o processo pode ser operado sobre um amplo alcance de condições de ph Já que a biomassa é inativa, temperatura não influencia o processo. De fato, várias investigações reportaram uma melhora na absorção com o aumento de temperatura Usualmente alta. O processo envolve células vivas e; portanto está propenso a um custo de manutenção de células Em adição à absorção, as células vivas são fortemente afetadas sobre condições extremas de ph Temperatura afeta severamente o processo Manutenção/Armazenamento Fácil de guardar e usar Energia metabólica externa é necessária para manutenção da cultura Seletividade Pobre. No entanto, seletividade pode ser melhorada pela Melhor que biossorção modificação/processamento de biomassa Versatilidade Razoavelmente boa. A ligação de sítios pode acomodar uma variedade de íons Não muito flexível. Propenso a ser afetado por altas condições de metal/sal Nível de absorção Muito alta. Algumas biomassas são reportadas por acomodar um amontoado de tóxicos quase tão alto quanto o seu peso seco Porque células vivas são sensíveis à alta concentração de tóxicos, absorção é usualmente baixa Taxa de absorção Usualmente rápido. A maioria dos mecanismos de biossorção Usualmente mais baixa que a são rápidos biossorção. Já que a acumulação intracelular é consumidora de tempo Afinidade tóxica Altas condições desfavoráveis Depende da toxicidade do poluente Regeneração e reutilização Recuperação de tóxicos Alta possibilidade de regeneração de biosorventes, com possível reuso em alto número de ciclos Com seleção apropriada de diluição, recuperação de tóxicos é possível. Em várias ocasiões, soluções ácidas ou alcalinas provaram uma média eficiente para recuperação de tóxicos Já que a maioria dos tóxicos são acumuladores intracelulares, as chances são bem limitadas Mesmo se possível, a biomassa não pode ser utilizada para o próximo ciclo

3 Problemas ambientais devido à dispersão de contaminantes em ambientes naturais, e o elevado custo das tecnologias para o tratamento de baixa eficiência, vêm estimulando o aprimoramento e desenvolvimento de novas tecnologias. Neste contexto, processos empregando biomassa como reagentes em tratamento de efluentes tem se tornado bastante atrativos, devido a seu baixo custo operacional, sua flexibilidade e seletividade para a remoção de metais pesados presentes no meio. Biossorventes Os biossorventes podem ser classificados segundo seu origem: a biomassa microbiana, que engloba as algas, bactérias, fungos e leveduras; ou resíduos vegetais procedentes de processos industriais ou agrícolas. Biomassa natural como algas, musgos, fungos ou bactérias são inativadas e usualmente tratadas por lavagens com ácidos e/ou bases antes da secagem final e granulação. Alguns tipos de biomassas têm sido imobilizados em uma matriz polimérica sintética e/ou grafitada sobre um suporte de material inorgânico como a sílica. Em seguida, dois tipos de biossorventes, que não serão usados no trabalho, são comentados. A. Fungo Neste grupo amplo de seres eucarióticos, três grupos de fungo te maior importância para esse assunto: os bolores, as leveduras e os cogumelos. A capacidade desses elementos de se agarrar a metais tem sido estudada. Na natureza, seu principal papel é a decomposição de materiais orgânicos, retornando aos ciclos biogeoquímicos os nutrientes. Em outros casos, pode ser visto como um ser patogênicos, afetando animais e plantas e materiais sintéticos como madeira, pinturas, couro, comida e tecidos. Além de serem usados em processos para produção de alimentos, antibióticos, polissacarídeos, enzimas e vitaminas [Gadd (1993)]. A presença de metais pesados afeta a atividade metabólica nas culturas de fungos, afetando também processos metabólicos, de finalidade comercial, onde são usados. Essa alteração do metabolismo foi estudada, abrangendo tanto biomassa viva e inativada, e permitiu um conceito sobre o uso para a remoção de metais, dentre eles, metais tóxicos (chumbo e cádmio por exemplo) e recuperação de metais preciosos (como ouro e prata) [Kapoor, Viraraghavan (1997a)]. A biomassa de leveduras, como as do gênero Saccharomyces, Candida, Pichia, tem sido estudada e verificada sua eficiência para remoção de Ag, Au, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, U Th e Zn. A maioria tem a capacidade de remover uma variedade de metais ou são restritas a um único metal. Por ter a capacidade de remover uma grande variedade a S. cerevisiae tem recebido certa atenção [Podgorskii et al (2004)]. B. Alga marinha De acordo com Brinza et al. (2007), dos três grupos de algas, vermelhas, verdes e marrons, esta tem a maior capacidade de adesão à metais. Romera et al. (2006) afirma que as algas marrons fornecem melhor sorção do que as verdes e as vermelhas, tendo aplicado-as em tratamento em diferentes formas para aumentar sua capacidade de sorção. A tabela abaixo demonstra os resultados obtidos por Romera et al. (2006). Tabela 2. Valores médios (mmol g -1 por biomassa) em sistemas sem pré tratamento [Romera et al. 2006] Íons metálicos Alga marrom Alga vermelha Alga verde Valor médio Cd Ni Zn Cu Pb

4 Objetivos Desenvolver os fundamentos da biotecnologia ambiental para o tratamento e remoção de espécies metálicas contidas em meios aquosos utilizando estirpes microbianas de caráter hidrofóbico. Busca-se estudar os parâmetros que norteiam os processos biosortivos e da bioflotação por ar disperso e por ar dissolvido, sendo eles: a influencia do ph da solução, da concentração da biomassa, da concentração inicial dos íons metálicos, a temperatura e o tempo de contato. Metodologia A. Biomassa microbiana Obtenção e preparo Para esse trabalho a bactéria Rhodococcus ruber será usada como biossorvente. A principio, sua biomassa teve de ser preparada a partir de uma cultura pura. Para essa possibilitar essa obtenção, foi feito em um cultivo em meio triptona de soja (Tryptic Soy Broth TSB) sólido (com a adição de agar-agar) por 72 horas. Em frascos de erlenmeyer de 500 ml, contendo 200 ml de meio de cultura líquida (TSB), fechados com rodilhão de algodão e gases, e tampados com papel Kraft para posteriormente ser esterilizado em autoclave a 121ºC por 20 minutos. Figura 1. Preparação do meio de cultura Figura 2. Erlenmayers com meio de cultura Figura 3. Erlenmeyers fechados com os Figura 4. Erlenmeyers tampados com o papel

5 rodilhões de algodão e gases Kraft Em uma capela de segurança biológica (Filterflux Classe II A2) previamente esterilizada foram realizados inóculos para a obtenção da biomassa microbiana, para esse procedimento uma alça de platina flambada foi utilizada. Em seguida, os frascos foram devidamente fechados e mantido em uma incubadora, com plataforma de rotação horizontal, sob agitação constante (125 rpm) e a 28 C. Figura 5. Inoculação na cabine de segurança biológica Figura 6. Incubadora de plataforma de rotação horizontal Após 48 horas, o conteúdo foi centrifugado a uma velocidade de 3500 rpm por 10 minutos, descartando então o meio de cultura, mantendo a biomassa precipitada, esta foi lavada com água deionizada e depois centrifugada novamente para a retirada do meio de cultura ainda presente, essa etapa foi repetida três vezes. Após essa lavagem, é adicionado NaCl 10-3 mol L -1, essa adição permite que a estrutura da bactéria se mantenha estável. Tratamento Para avaliar se um tratamento a base de NaOH interfere na eficiência do processo, o concentrado obtido foi dividido em dois. A uma parte dessa biomassa foi adicionada NaOH 0,1 mol.l -1 para cada 30 ml de biomassa concentrada, para o tratamento, e então autoclavada em um frasco de erlenmeyer. A outra parte foi apenas esterilizada, mantendo as características originais. O ph das duas foi determinado. O conteúdo obtido nestes frascos é o concentrado final que será usado no trabalho. Para a continuação da pesquisa, a concentração da biomassa ali presente deve ser determinada. Determinação da concentração Para essa determinação alguns procedimentos podem ser feitos. Portanto as triplicatas dos procedimentos que tiverem resultados mais compatíveis permitirá a melhor escolha. A priori foi feita a partir do uso de uma membrana com uma bomba a vácuo. Essa membrana deve ser pesada e depois seca em uma estufa para a determinação da influencia da umidade presente nela para os resultados na concentração. Lembrando que, como o peso do material varia quando sua temperatura está elevada, deve-se esperar que esfrie em um desumidificador. Após esse procedimento deverá ser colocada em uma bomba a vácuo e adicionar uma determinada quantidade de concentrado final, lembrando de misturar o conteúdo do erlenmeyer antes de retirar o concentrado para sua homogenização. Após sua secagem a diferença dos pesos inicial e final mostra a quantidade ali presente, fazendo uma proporção, é possível determinar a concentração do concentrado final.

6 Outra forma feita é com base em um cadinho de porcelana. Este também deverá ser seco previamente para retirar sua umidade e depois adicionar uma determinada quantidade do concentrado final e pela diferença das massas inicial e final, possível determinar a concentração. O próximo a ser feito será através da curva de absorbância com o uso de um espectrofotômetro. B. Ensaio de biossorção Como esse projeto se iniciou em Abril deste ano, ainda não foi possível realizar esse ensaio, entretanto será feito da seguinte forma: Em uma plataforma de agitação horizontal contínua, com erlenmeyers contendo volumes iguais, sempre em triplicatas, serão analisados de forma a variar apenas uma condição por vez: ph - Condiciona-se o meio com o valor de ph desejado, acrescenta-se a bactéria e o metal, tendo o conhecimento das concentrações de cada um, verifica-se o ph novamente e coloca-se na plataforma. Após o tempo estipulado, verifica-se se o ph da solução sofreu alteração. Caso tenha alterado, é sinal que ocorreu uma reação química; Concentração da biomassa - Soluções contendo diferentes concentrações da biomassa, mantendo o restante das variáveis com valores conhecidos; Concentração inicial do metal - Soluções contendo diferentes concentrações do metal, mantendo o restante das variáveis com valores conhecidos; Tempo de contato - Tempo em que a solução fica na plataforma, mantendo o restante das variáveis com valores conhecidos; Temperatura - Mantendo diferentes temperaturas na plataforma, mantendo o restante das variáveis com valores conhecidos. Através desses ensaios será possível determinar as melhores condições para o processo de biossorção do metal pela bateria R. ruber. Para essa determinação, a solução será analisada, de forma a retirar a parte sólida do meio, composta pela biomassa microbiana e o metal adsorvido durante o processo. C. Experimentos de bioflotação A flotação sortiva é uma combinação dos processos de sorção e flotação. Os metais tóxicos (sorbato) são sorvidos em materiais sorventes e em seguida flotados por borbulhamento com o auxilio de íons surfactantes (coletores). Esta técnica pode ser usada para fins de pré-concentração de elementos. Esta técnica é similar à da flotação de colóides. A espécie iônica de interesse é removida da solução pela sorção sobre uma partícula carreadora, denominada de sorvente, devido a interações de troca iônica. Há adição de um coletor, o qual se adsorve no sorvente, tornando-o hidrofóbico, e assim a espécie iônica pode ser removida através da flotação. De forma semelhante ao processo de flotação de colóides, na flotação sortiva o processo de remoção das espécies é similar à flotação iônica. Porém ao invés do coletor se adsorver diretamente ao íon em questão, ocorre uma etapa preliminar, a sorção, onde o íon adsorve-se no sorvente formando um complexo sorvente-sorbato. O coletor se adsorverá neste complexo, tornando-o hidrofóbico para que em seguida seja removido por flotação. Três tipos de bioflotação serão feitas: por ar dissolvido, por ar disperso e eletroflotação. Conclusões Este projeto teve inicio no mês de abril deste ano, e embora o estudo esteja no início, a literatura confirma que a biomassa dessa bactéria é um biossorvente eficaz.

7 Para essa determinação, variações de sua concentração, ph, temperatura, concentração do metal e os outros possíveis meios de cultura devem ser avaliados para a melhor otimização. Referências 1. BAIRD, C. Química Ambiental. Metais Pesados Tóxicos. 2ª ed., Ed. Bookman: Porto Alegre, Brinza L, Dring MJ, Gavrilescu M. Marine micro- and macro-algal species as biosorbents for heavy metals. Environ Eng Manage J 2007;6: Day R, Denizli A, Arica MY. Biosorption of cadmium(ii), lead(ii) and copper(ii) with the flamentous fungus Phanerochaete chrysosporium. Bioresour Technol 2001;76: Gadd GM. Interactions of fungi with toxic metals. Phytologist 1993;124: JORDÃO, C. P.; SILVA, A. C.; PEREIRA, J. L.; BRUNE, W. Contaminação por crômio de águas de rios proveniente de curtumes em Minas Gerais. Quim. Nova, v. 22, n. 1, p , Kapoor A, Viraraghavan T. Fungi as biosorbents. In: Wase J, Forster C, editors. Biosorbents for metal ions. London, UK: CRC Press; 1997a. p M.N.U. Coral, H. Korkmaz, B. Arikan, G. Coral, Plasmid mediated heavy metalresistance in Enterobacter spp. Isolated from Sofulu landfill, in Adana, Turkey,Ann. Microbiol. 55 (2005) Malik A. Metal bioremediation through growing cells. Environ Int 2004;30: MARTINS JÚNIOR, O. P. Palestra proferida no Seminário de Tratamento e Destinação de Embalagens Vazias de Agrotóxicos. Secretaria de Agricultura, Pecuária e Abastecimento (SEAGRO), Goiânia, MEURER, E. J. Fundamentos de Química do Solo. 2 ed. Porta Alegre: Gênesis, 290p, Podgorskii VS, Kasatkina TP, Lozovaia OG. Yeasts biosorbents of heavy metals. Mikrobiol Z 2004;66: ]. 12. Romera E, Gonzalez F, Ballester A, Blazquez ML, Munoz JA. Biosorption with algae: a statistical review. Crit Rev Biotechnol 2006;26: Volesky B. Detoxication of metal-bearing efluents: biosorption for the next century. Hydrometallurgy 2001;59: Wang JL, Chen C. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae: a review.biotechnol Adv 2006;24: Wang, J., and Chen, C., Biosorbents for heavy metals removal and their future, Biotechnology Advances, 2009, 27, Sadin Özdemir, Ersin Kilinc, Annarita Poli, Barbara Nicolausc,, Kemal Güvena, Biosorption of Cd, Cu, Ni, Mn and Zn from aqueous solutions by thermophilic

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