Toxicidade do resíduo areia de fundição utilizando o teste com a bactéria luminescente Vibrio fischeri

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1 SOCIEDADE BRASILEIRA DE TOXICOLOGIA Revista Brasileira de Toxicologia 23, n.1-2 (2010) REVISTA BRASILEIRA DE TOXICOLOGIA BRAZILIAN JOURNAL OF TOXICOLOGY Toxicidade do resíduo areia de fundição utilizando o teste com a bactéria luminescente Vibrio fischeri Wálace Ânderson Almeida Soares 1 ; Gabriela Nenna Ferraresi 2 ; Gilson Alves Quináglia 1 ; Gisela de Aragão Umbuzeiro 3 * 1 Setor de Análises Toxicológicas, CETESB, Companhia Ambiental do Estado de São Paulo, São Paulo, Brasil. 2 Setor de Resíduos Sólidos, CETESB, Companhia Ambiental do Estado de São Paulo, São Paulo, Brasil. 3 Laboratório de Ecotoxicologia e Microbiologia Ambiental Prof. Dr. Abílio Lopes, Faculdade de Tecnologia, UNICAMP, Universidade Estadual de Campinas, Limeira, Brasil Abstract Toxicity of foundry sand wastes using the luminescent bacteria Vibrio fischeri assay Wastes foundry sand can be contaminated by metals, depending on the kind of metal that is molten in the casting industry and/or organics from chemical bindings used in these process. Because of the complexity of these mixtures it is difficult to characterize using only chemical analyses. In order to obtain information about the ecological hazard of those samples, biological tests can be used. The acute toxicity test with the luminescent bacteria Vibrio fischeri is a good choice due to its simplicity, low cost and rapid response. In this work virgin and used foundry sands from four different mold-making industries were analyzed. The aqueous extract of the nine virgin sands tested showed negative results for the luminescent bacteria. Ten out of the eighteen used sand samples were positive and they all belonged to the organics chemical-bounded sand process. The samples derived from the green sand mold-making process showed negative responses. Our work confirms that the Vibrio fischeri acute test can be used as an additional tool to evaluate the ecotoxicological hazard of foundry sands and that the toxicity seems to be related to the mold-making process. Keywords: Foundry sand, Microtox, solid waste, toxicity assay, Vibrio fischeri, reuse INTRODUÇÃO Dentre os diversos geradores de resíduos sólidos existentes atualmente tem-se atenção especial para as indústrias de fundição de peças metálicas que, devido às particularidades de seu processo, geram uma grande quantidade do resíduo areia de fundição (1). O Brasil é tradicionalmente um dos maiores produtores mundiais de peças metálicas fundidas, estando em 2008 na sétima posição no ranking mundial, com mais de 3,3 milhões de toneladas produzidas, sendo que só no estado de São Paulo a produção ultrapassa a marca de 1,3 milhão de toneladas por ano (2,3). A indústria de fundição utiliza o processo de fusão metálica, que consiste em aquecer o metal até que ele se funda e se *Autor correspondente. Endereço de correspondência: Faculdade de Tecnologia, Universidade Estadual de Campinas, Rua Pascoal Marmo, 1888, CEP Limeira, São Paulo, SP. giselau@ft.unicamp.br Sociedade Brasileira de Toxicologia direitos reservados transforme em um líquido homogêneo e, em seguida, é vertido em moldes adequados onde, ao solidificar-se, adquirirá a forma desejada, como esculturas, ferramentas, peças de automóveis e de aviões, entre outros (2). Existem muitos processos de moldagem, porém o método mais utilizado em todo o mundo é a moldagem em areia. Pode-se estimar que mais de 80% das peças fundidas produzidas atualmente utilizam esta técnica (4). Essas indústrias utilizam areias com características refratárias para a preparação de moldes e machos que geram as peças metálicas, sendo que os moldes conformam as faces externas e os machos as internas. Os moldes, com os machos montados em seu interior, são preenchidos com o metal líquido que, ao solidificar, dá origem às peças desejadas. Para retirá-las, promove-se a quebra e desagregação dos moldes e machos, na operação denominada desmoldagem. O resíduo desta operação, denominado areia de fundição, pode ser reutilizado em um novo ciclo de produção ou descartado como resíduo sólido (2). Como a areia resultante da desagregação dos moldes e machos é, na maioria das vezes, misturada na desmoldagem, estas não são usualmente distinguidas, sendo denominadas simplesmente areia descartada de fundição.

2 18 Soares, W.A.A./Revista Brasileira de Toxicologia 23, n.1-2 (2010) O processo de fabricação de peças fundidas utiliza grande quantidade de areia para confecção dos moldes e machos, variando de 800 a kg de areia para cada kg de peça produzida. Essa areia normalmente é retirada de jazidas de cavas ou rios e, para o preparo dos moldes e machos, é misturada com um ligante que pode ser bentonita e outros aditivos para o preparo da chamada areia verde, utilizada na fabricação de peças menores e mais leves. Já para o preparo de peças maiores, utilizam-se as chamadas areias ligadas quimicamente, que consistem na areia natural misturada com ligantes que podem ser orgânicos (resina furânica, fenólica, uretânica, alquídica, etc.), inorgânicos (silicato de sódio, cimento portland, etc.) ou mistos (como as resinas fenólicas alcalinas), além de catalisadores (1,2). A grande produção de peças exige que a indústria de fundição brasileira utilize uma enorme quantidade de areia nos processos de moldagem, cerca de 6 a 7 milhões de toneladas anuais. Deste montante, grande parte, após a desmoldagem, é reutilizada no próprio processo de fabricação (entre 5 e 6 milhões de toneladas) e a diferença (aproximadamente 2 milhões de toneladas) torna-se um resíduo que será descartado. Só no estado de São Paulo, as indústrias geram cerca de 1 milhão de toneladas deste resíduo por ano (2,4). A areia de fundição descartada, após a desmoldagem das peças, contém resíduos de metais e substâncias provenientes dos ligantes empregados na construção dos moldes e machos (1). A norma técnica NBR :2004 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) tem como objetivo classificar os resíduos sólidos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde pública para que estes possam ser gerenciados adequadamente, segundo uma lista de substâncias químicas com impacto conhecido à saúde e ao ambiente, que devem ser determinadas em seus lixiviados e solubilizados, além de características como inflamabilidade, patogenicidade e toxicidade. De acordo com esta norma, os resíduos sólidos podem ser classificados em resíduos perigosos (Classe I) e não perigosos (Classe II). Os resíduos não perigosos podem ainda ser não inertes (Classe II A) e inertes (Classe II B). O resíduo areia de fundição consta do Anexo H da NBR , de caráter informativo, que apresenta a codificação de alguns resíduos classificados como não perigosos. As características da areia de fundição descartada dependerão do metal fundido e do processo empregado na moldagem (1). A composição química do resíduo areia de fundição pode ser extremamente complexa, devido ao uso de ligantes com fórmulas desconhecidas ou ainda devido à formação de novos compostos durante o processo de moldagem. Assim sendo, torna-se evidente que somente a análise de um limitado grupo de substâncias químicas pode não ser suficiente para caracterizar as areias de fundição descartadas, o que pode ser complementado com sucesso utilizando-se os testes de toxicidade (5). Dentre os diversos testes ecotoxicológicos existentes, o de toxicidade aguda utilizando a bactéria luminescente Vibrio fischeri vem sendo muito utilizado para determinação de toxicidade em amostras ambientais (6). Esse teste se baseia na medida da luminescência produzida naturalmente por uma cultura de aproximadamente um milhão de células de Vibrio fischeri. Quando a bactéria entra em contato com substâncias tóxicas, as bactérias diminuem ou cessam a emissão de luz. Esta diminuição na emissão de luz pelas bactérias é medida em porcentagem de inibição da luminescência. Uma amostra é considerada tóxica quando a mesma causar uma inibição da luminescência igual ou maior que 20%, quando comparada com um controle negativo, que neste caso é uma solução de cloreto de sódio 2% (m/v) (6). Os testes são realizados em um curto espaço de tempo, que no caso do Vibrio fischeri, pode ser de 5, 15 ou 30 minutos de contato com a amostra, sendo o de 15 minutos de exposição o mais usual (7,8). A comparação entre as características das areias de fundição descartadas e as das areias virgens, assim como os resultados obtidos nos testes de toxicidade com Vibrio fischeri, são interessantes se utilizados como critério de aceitação desse resíduo para reutilização. Existem trabalhos na literatura que demonstram a utilização do teste com Vibrio fischeri para a caracterização de amostras do resíduo areia de fundição (5,9). Os resultados deste teste vêm sendo utilizados no estado de Indiana nos Estados Unidos pelo Departamento de Transportes, como um dos critérios de decisão para a reutilização deste resíduo na construção de estradas (10). O objetivo deste trabalho foi comparar os resultados de areias virgens com as areias descartadas de fundição de quatro diferentes processos de moldagem e macharia utilizando o teste de toxicidade aguda com a bactéria luminescente Vibrio fischeri e verificar a aplicabilidade deste teste para caracterização das areias quanto a sua toxicidade, em complementação às análises químicas. MATERIAIS E MÉTODOS A amostragem foi realizada em seis empresas de fundição do estado de São Paulo que utilizam diferentes processos industriais de moldagem e macharia para conformação das peças metálicas fundidas: areia verde (areia/ bentonita/carvão) e areias ligadas quimicamente (resina fenólica, alquídica e furânica). Na Tabela 1 estão relacionados os processos de moldagem e o número de amostras coletadas em cada empresa. Para a coleta foram utilizados frascos de vidro borossilicato, atóxicos, de coloração âmbar, com tampas rosqueadas de material atóxico, com capacidade para 500 g. Os frascos foram preenchidos completamente com a amostra e conservados a uma temperatura de 2 a 8 C. As amostras foram homogeneizadas e solubilizadas em agitador rotatório de frascos. Massas de 100 g da amostra foram misturadas com 400 ml de solução de cloreto de sódio (NaCl) 2% (m/v) e mantidas em agitação durante 18 ± 2 h a uma velocidade de 30 RPM. Os frascos foram deixados em repouso, a temperatura

3 Soares, W.A.A./Revista Brasileira de Toxicologia 23, n.1-2 (2010) 19 Tabela 1. Relação das amostras coletadas e os respectivos processos de moldagem. Processo de moldagem Areia verde (areia/ bentonita/carvão) Areias ligadas quimicamente Empresa Número de Amostras Virgens Residuais A 2 4 B 1 2 F 1 2 fenólica B 1 2 E 1 2 alquídica C 1 2 furânica D 2 4 Total 9 18 ambiente, por aproximadamente 1 hora. Em seguida o sobrenadante foi centrifugado a uma velocidade de g durante 16 minutos. O centrifugado foi filtrado em fibra de vidro (AP20, Millipore) e, em seguida, em membrana de acetato de celulose com porosidade de 0,45 µm (5). O ph foi medido e, quando necessário, corrigido utilizando uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) 1 mol/l ou ácido clorídrico (HCl) 1 mol/l. A faixa de ph ideal para o teste com Vibrio fischeri é de 6,0 a 8,5 (8). Os solubilizados das amostras foram testados imediatamente após seu preparo ou, na impossibilidade, preservados sob refrigeração (2 a 8 ºC) por no máximo 72 h. Para a execução do teste foi utilizado a aparelhagem, software e bactérias do sistema Microtox (Strategic Diagnostic inc.). O protocolo de teste utilizado foi o mesmo que o adotado por Bastian e Alleman (5), denominado 90% Comparison Test. A emissão de luz foi medida utilizandose um luminômetro de precisão (modelo M500 Analyzer, Strategic Diagnostic inc.) e o teste realizado a 15 ºC. Para cada amostra, 5 réplicas do solubilizado foram testados em dose única máxima e comparados com 5 réplicas do controle negativo (solução de NaCl 2% (m/v), a mesma utilizada para a solubilização das amostras). Após a reconstituição da cultura bacteriana liofilizada (Strategic Diagnostic inc.), preservada sob congelamento entre -20 e -25 ºC, a mesma é diluída 1:10 em NaCl 2% (m/v) e volumes de 100 µl são transferidos para cada uma das dez cubetas-teste. Após 15 minutos de estabilização da bactéria, mede-se a luz emitida pela solução de bactéria e, então, adiciona-se 900 µl da solução utilizada como controle negativo em cinco cubetas-teste e 900 µl do solubilizado da amostra nas outras cinco. Após 15 minutos, mede-se novamente a luz emitida. Calcula-se a média das leituras finais do controle negativo (X c ) e a média das leituras finais da amostra (X a ) e a porcentagem de inibição da luminescência (%) causada pela amostra, em relação ao controle, usando a seguinte fórmula: % = (X c - X a x 100) / X c Neste trabalho foi utilizado o Software MicrotoxOmni (Azur Environmental), que gerencia todo o teste e realiza os cálculos estatísticos. Os resultados de toxicidade foram expressos em média e intervalo de confiança da porcentagem de inibição da emissão de luz da cultura bacteriana causada pela concentração de amostra testada, que neste estudo foi de 90%. As amostras cujos resultados da inibição da emissão de luz da bactéria foram superiores a 20% foram consideradas tóxicas. Como controle positivo do ensaio foram realizados testes utilizando solução de ZnSO 4.7H 2 O 100 mg/l. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os valores de ph medidos nos solubilizados apresentaram grande variação em relação às diversas amostras testadas. As areias virgens apresentaram ph variando de 4,6 a 6,6. Os resíduos de areia verde apresentaram ph entre 6,9 e 7,5, exceção apenas da amostra 2 da indústria F, que apresentou ph 5,0. Das amostras de resíduos de areias ligadas quimicamente, as de resina fenólica apresentaram ph entre 8,0 e 11,2 enquanto as de resina furânica e alquídica permaneceram com ph mais próximo das areias virgens, entre 4,0 e 6,1. Essa variação de ph nas areias residuais deve estar relacionada aos diferentes compostos químicos utilizados como ligantes, adicionados às areias virgens em cada um dos processos de fundição empregados. Como descrito anteriormente, os solubilizados das amostras que apresentaram ph fora da faixa indicada para o teste (6,0 a 8,5) foram corrigidos para essa faixa, portanto os valores de ph medidos não estão correlacionados com os resultados de toxicidade observados. As nove amostras de areia virgem apresentaram resultados negativos ou muito próximos ao valor limite. Sete apresentaram inibição de luz inferior a 20% e duas entre 21 e 23% (Tabela 2). Respostas similares foram obtidas em estudos anteriores (5,9). Das dezoito amostras do resíduo da areia de fundição testadas, oito apresentaram resultados negativos para o teste (entre -12 e 11%) e dez foram positivas, com valores de inibição entre 41 e 99% (Tabela 3). As amostras provenientes do processo de moldagem que utiliza areia verde (indústrias A, B e F) apresentaram resultados negativos para o teste de toxicidade empregado (Tabela 3). As amostras que apresentaram toxicidade são provenientes do processo que utiliza areia ligada quimicamente, ou seja, das resinas fenólica, furânica e alquídica (Ta bela 3). Resultados semelhantes foram também observados por Bastian e Alleman (5) e Hung et al. (9). Os autores testaram amostras provenientes de

4 20 Soares, W.A.A./Revista Brasileira de Toxicologia 23, n.1-2 (2010) Tabela 2. Médias da porcentagem de inibição das cinco réplicas dos solubilizados das amostras de areia virgem avaliadas pelo teste de toxicidade aguda com V. fischeri. Entre parênteses, intervalo de confiança 95%. Porcentagem de Inibição da Amostra Luminescência (%) A 13 (7,2 a 17) A2 5 (-1,7 a 12) B 21 (17 a 26) B2 2,6 (-1,3 a 6,6) C 23 (18 a 28) D -0,8 (-13 a 11) D2-2,9 (-5,9 a 0,1) E 14 (11 a 16) F 0,6 (-5,4 a 6,6) Tabela 3. Médias da porcentagem de inibição das cinco réplicas dos solubilizados das amostras de areia de fundição dos diferentes processos de moldagem avaliadas pelo teste de toxicidade aguda com V. fischeri. Entre parênteses, intervalo de confiança 95%. Processo de Moldagem Areia verde fenólica alquídica furânica Média da Porcentagem Amostra de Inibição da Luminescência (%) a A (6,3 a 16) A (5,4 a 16) A (-18 a -7) A (-15 a 5) B1 8,7 (1,5 a 16) B2 8,8 (4,9 a 13) F-1-12 (-18 a -7,2) F-2 4,9 (-3,9 a 14) B (44 a 56) B (61 a 73) E-1 87 (84 a 92) E-2 85 (82 a 89) C-1 54 (50 a 58) C-2 48 (40 a 55) D (42 a 55) D (23 a 59) D (90 a 106) D (97 a 101) a Em negrito, amostras que apresentaram respostas positivas (inibição maior que 20%). processos que utilizam areia verde e que utilizam ligantes químicos orgânicos. No primeiro caso os testes com V. fischeri apresentaram resultados negativos, com inibição de luz próximas ou até menores que as observadas nas areias virgens, enquanto que nas areias contendo ligantes orgânicos a inibição de luz observada foi de 40 a 80% aproximadamente. Bastian e Alleman (5) também correlacionaram os resultados obtidos com testes de DQO (Demanda Química de Oxigênio) realizados nos solubilizados, obtendo baixos valores de DQO (2 a 28 mg/l) nas amostras que não apresentaram toxicidade e valores de DQO mais altos (70 a 160 mg/l) nas amostras que apresentaram toxicidade. A partir dos resultados obtidos os autores sugerem que a toxicidade observada pode ser atribuída a compostos orgânicos, provavelmente liberados durante o processo de aquecimento. Como a composição química das resinas utilizadas nas indústrias de fundição muitas vezes não é completamente conhecida, torna-se difícil inferir quais substâncias poderiam ser responsáveis pela inibição observada ao Vibrio fischeri. Aplicação de procedimentos padronizados para identificação de toxicidade - TIE (do inglês, Toxicity Identification Evaluation) - poderiam auxiliar na identificação do grupo de substâncias ou da substância que causa a inibição. O TIE consiste na realização de diversas manipulações na amostra (aeração, extração orgânica, graduação de ph, etc.) seguidas de testes de toxicidade, além de análises químicas específicas (11-14). Como exposto anteriormente, a norma técnica NBR :2004 classifica o resíduo areia de fundição como não perigoso em seu anexo H, de caráter informativo. De acordo com essa classificação, nos resíduos de areia de fundição não devem estar presentes nenhum dos compostos químicos listados na norma, não apresentando também características de toxicidade. Porém os resultados de toxicidade obtidos neste trabalho sugerem que podem estar presentes nestes resíduos, substâncias químicas que não estão listadas na norma, provenientes dos ligantes utilizados, o que reforça a aplicabilidade do teste com Vibrio fischeri como ferramenta auxiliar para a caracterização dos resíduos de areia de fundição. CONCLUSÕES Pode-se concluir que o teste de toxicidade aguda com a bactéria luminescente Vibrio fischeri foi eficiente para comparar as características das areias virgens com as areias descartadas de fundições com diferentes processos de moldagem, possibilitando ainda correlacionar os resultados com o ligante utilizado, diferenciando as amostras de areias verdes das areias ligadas quimicamente. Os resíduos provenientes dos processos de moldagem que empregam areias ligadas quimicamente apresentaram-se positivos para o teste utilizado. Mais estudos são necessários para se elucidar quais os compostos são responsáveis pela inibição de luz observada.

5 Soares, W.A.A./Revista Brasileira de Toxicologia 23, n.1-2 (2010) 21 resumo Toxicidade do resíduo areia de fundição utilizando o teste com a bactéria luminescente Vibrio fischeri O resíduo areia de fundição gerado pelas indústrias que fabricam peças metálicas pode conter diferentes metais, dependendo do tipo de metal fundido, e compostos orgânicos, provenientes dos ligantes químicos utilizados, de composição muitas vezes desconhecida. A complexidade destas amostras dificulta sua caracterização por análises químicas. Como ferramenta complementar a estas análises, pode-se utilizar testes ecotoxicológicos, como o de toxicidade aguda com a bactéria luminescente Vibrio fischeri. Neste trabalho foram comparados os resultados de amostras de areias virgens e areias de fundição descartadas de quatro diferentes processos de moldagem e macharia frente ao Vibrio fischeri com o objetivo de verificar a aplicabilidade deste teste para caracterização das areias. Os solubilizados das nove amostras de areias virgens apresentaram resultados negativos para o teste. Das dezoito amostras do resíduo areia de fundição testadas, dez apresentaram resultados positivos, correspondendo às areias que utilizam ligantes químicos orgânicos. As amostras provenientes dos processos denominados areias verdes apresentaram resultados negativos. Estes resultados, comparados com estudos existentes na literatura, sugerem que o teste com Vibrio fischeri pode ser utilizado como ferramenta adicional para a caracterização desses resíduos. Pode-se observar uma relação entre o ligante empregado no processo de moldagem e macharia e as amostras que apresentaram resultados positivos. Palavras-chave: areia de fundição, Microtox, resíduos sólidos, testes de toxicidade, Vibrio fischeri, reutilização REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Scheunemann R. Regeneração de areia de fundição através de tratamento químico via processo fentom. [Dissertação] Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina; ABIFA. (Associação Brasileira de Fundição). Manual de regeneração e reuso de areias de fundição. São Paulo: ABIFA, ABIFA. (Associação Brasileira de Fundição). Guia ABIFA de fundição: Anuário São Paulo: ABIFA, Armange LC, Neppel LF, Gemelli E, Camargo NHA. Utilização de areia de fundição residual para uso em argamassa. Revista Matéria 2005; 10: Disponível em sarra/artigos/artigo Acessado em 10/dez/ Bastian KC, Alleman JE. Microtox TM characterization of foundry sand residuals. Waste Management 1998; 18: Umbuzeiro GA, Rodrigues PF. O teste de toxicidade com bactérias luminescentes e o controle da poluição das águas. O Mundo da Saúde 2004; 28: Environment Canada. Environmental Protection Series. Biological Test Method: Toxicity Test Using Luminescent Bacteria. Canada: Método Analítico p. 8. Azur Environmental. MicrotoxOmni TM Software. CD-ROM Hung YT, Jiang Z, Lo HH. Microtox bioassay of foundry sand residuals. The Ohio J Science 2003; 103: USEPA (United States Environmental Protection Agency). Beneficial reuse of foundry sand: a review of state practices and regulations. Washington, DC, p. 11. USEPA (United States Environmental Protection evaluations: Phase I. Toxicity characterization procedures. 2nd ed. Final Report. Duluth, MN: Environment Research Laboratory, EPA/600/6-91/ p. 12. USEPA (United States Environmental Protection evaluations: Phase II. Toxicity identification procedures for samples exhibiting acute and chronic toxicity. Duluth, MN: Environment Research Laboratory, EPA/600/6-92/ p. 13. USEPA (United States Environmental Protection evaluations: Phase III. Toxicity confirmation procedures for samples exhibiting acute and chronic toxicity. Duluth, MN: Environment Research Laboratory, EPA/600/R-92/ p. 14. USEPA (United States Environmental Protection Agency). Sediment Toxicity Identification Evaluation (TIE): Phases I, II and III. Guidance Document. Washington, DC: Office of Research and Development, EPA/600/R-07/ p.