UTILIZAÇÃO DE BIOSSURFACTANTE NA REMOÇÃO DE METAIS PESADOS A

UTILIZAÇÃO DE BIOSSURFACTANTE NA REMOÇÃO DE METAIS PESADOS A A Resultados Parciais do Projeto de Pós-doutorado. Financiamento: CNPq Petrusk Homero Campos Marinho 1, Raquel Diniz Rufino 2, Juliana Moura de Luna 2, Leonie Asfora Sarubbo 3 1 Pós-Doutorando em Biotecnologia, PDJ. Bolsista CNPq. 2 Pós-Doutorandas em Biotecnologia, PNPD. Bolsista CAPES/FACEPE. Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Católica de Pernambuco, Rua do Príncipe, nº 526, Boa Vista, CEP: 50050-900, Recife, PE, Brasil. petruskhomero@bol.com.br. 2 Professora e Pesquisadora do Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Católica de Pernambuco. Este trabalho teve como objetivo avaliar a condutividade e a atividade quelante de surfactante microbiano e sintéticos na remoção dos metais pesados cádmio (Cd) e chumbo (Pb) em diferentes concentrações e sua possível aplicação em processos biotecnológicos. Os resultados mostraram que as concentrações de 1/2CMC e CMC do biossurfactante de Candida lipolytica frente a concentrações de 500ppm de chumbo, apresentaram condutividades de 413µS e 415µS. Já para concentração de 500ppm de cádmio as condutividades exibiram pequenas variações, com valores de 417µS e 472 µs, respectivamente. Por outro lado, o aumento na concentração do biossurfactante para 3xCMC aumentou a condutividade das soluções, o que possivelmente pode indicar a presença de íons livres nas amostras testadas. Diferentes concentrações do biossurfactante isolado foram utilizadas para determinar os percentuais de remoção dos metais pesados chumbo (Pb) e cádmio (Cd). Os resultados demonstraram que o chumbo foi o metal mais removido, que demonstram que a afinidade do biopolímero pode variar entre os diferentes metais testados. Dessa forma, os resultados obtidos no presente trabalho são bastante promissores para aplicações futuras na remoção de metais pesados presentes em ambientes contaminados. Palavras-chave: biossurfactantes, Candida, poluição ambiental. 1. Introdução 1

Os compostos de origem microbiana que exibem propriedades surfactantes, isto é, diminuem a tensão superficial e possuem alta capacidade emulsificante, são denominados biossurfactantes. Estes consistem normalmente em subprodutos metabólicos de bactérias, fungos filamentosos e leveduras (NITSCHKE, 2006). Sabe-se que a aplicação dos biossurfactantes está diretamente relacionada às propriedades físico-químicas de cada composto e que entre as vantagens sobre os surfactantes químicos, destacam-se a biodegradabilidade, baixa toxicidade, maior taxa de redução da tensão superficial, estabilidade térmica e produção a partir de substratos renováveis (NITSCHKE, 2006; PŁOCINICZAK et al., 2011). Apesar da diversidade de composição química e propriedades, os surfactantes biológicos podem apresentar propriedades de agentes quelantes, tendo a capacidade de remover íons metálicos através da sua solubilização. Essa capacidade de formar um complexo solúvel torna possível a remoção de material não desejado (FRIEDLY & DAVIS, 2002; FERREIRA, 2011). Os metais designados como pesados possuem elevada densidade comparativamente a outros elementos comuns. São elementos que existem no ambiente, no entanto quando em elevadas concentrações a maioria é tóxica para o ser humano como, por exemplo, o chumbo (Pb), mercúrio (Hg), cádmio (Cd) e o cobre (Cu) (BAIRD & CANN, 2005). O uso de micro-organismos, em processos de remediação, para minimizar os efeitos deletérios de poluentes químicos, vem tornando-se uma forma estratégica cada vez mais frequente frente às convencionais tecnologias para remediar ecossistemas contaminados, inclusive com menor custo operacional e mínimas consequências adversas ao ambiente (MULLIGAN, 2006). Dessa forma, os biossurfactantes são moléculas promissores para aplicações na remoção de metais pesados presentes em ambientes contaminados. 2. Materiais e Métodos 2

2.1 Micro-organismo: utilizou-se a levedura Candida lipolytica (UCP 0988), pertencente ao Banco de Culturas do Núcleo de Pesquisas em Ciências Ambientais (NPCIAMB), da Universidade Católica de Pernambuco. O micro-organismo foi mantido em seu estágio anamorfo à temperatura de 5ºC em meio Yeast Mold Agar (YMA), sendo feita a manutenção a cada 15 dias. 2.2 Meios de manutenção e crescimento do inóculo: a manutenção da levedura foi realizada utilizando-se o meio de cultura Yeast Mold Agar (YMA), com a seguinte composição: extrato de levedura (0,3%), D-glicose (1%), peptona (0,5%), ágar (2%) água destilada q.s.p (100 ml). Os componentes foram solubilizados e esterilizados em autoclave à temperatura de 121ºC por 20 minutos. O meio de crescimento utilizado foi o Yeast Mold Broth (YMB). Mesma composição química do YMA, excluindo-se o ágar. 2.3 Preparação do inóculo: o inóculo foi padronizado transferindo-se as culturas para um tubo contendo o meio YMA para obtenção de uma cultura jovem. Em seguida, a amostra foi transferida para frascos contendo 50 ml do meio YMB e incubados sob agitação orbital de 150 rpm à temperatura de 27 C durante 24 horas. Após esse período foram realizadas diluições até se obter a concentração final de células desejadas (10 7 células/ml). 2.4 Meio de produção do biossurfactante: o meio de produção do biossurfactante foi formulado conforme RUFINO et al., (2008). 2.5 Isolamento do biossurfactante: o líquido metabólico, após centrifugação a 5000 rpm por 20 minutos para retirada das células, foi tratado com clorofórmio na mesma proporção em shaker rotatório a 150 rpm por 3 horas. A fase orgânica foi separada da fase aquosa em funil de decantação, sendo a fase aquosa liofilizada e o extrato bruto sendo pesado em balança analítica e o seu rendimento em produto isolado calculado em g/l (RUFINO et al., 2008). 3

2.6 Teste de condutividade em solução sintética contendo metais pesados: a condutividade do biossurfactante e dos surfactantes químicos como SDS, TRITON x- 100, Tween 80 foi medida em um condutivímetro. As soluções do biossurfactante isolado (1/2xCMC, 1xCMC e 3xCMC) foram adicionadas a soluções de um efluente sintético preparado com nitrato de chumbo e nitrato de cádmio na concentração de 500 mg/l. Posteriormente, o precipitado metal-biossurfactante foi removido e a condutividade da solução medida. O condutivímetro foi calibrado com água deionizada antes de medir cada amostra (DAS et al., 2009). 2.7 Atividade quelante do biossurfactante sobre os metais: as soluções do biossurfactante isolado (1/2xCMC, 1xCMC e 3xCMC) foram incubadas overnight com várias concentrações de metais, isto é, 100, 500 e 1000 ppm. A seguir cada solução foi então centrifugada a 10.000xg por 30 min para separar o precipitado metalbiossurfactante e o sobrenadante foi submetido à quantificação dos metais não ligados por absorção atômica (DAS et al., 2009). 3. Resultados e Discussão 3.1 Teste de condutividade: a condutividade da solução do biossurfactante e dos surfactantes sintéticos testados aumentou de acordo com o aumento de suas concentrações. As condutividades do biossurfactante apresentaram valores superiores quando comparados aos valores observados para o surfactante sintético aniônico SDS e para os surfactantes não-iônicos Tween 20 e Tween 80. A solução com a concentração de 3xCMC do biossurfactante produzido por Candida lipolytica apresentou uma condutividade de 555µS, enquanto que para concentrações de 2xCMC dos surfactantes sintéticos SDS e Tween 80 estes apresentaram valores bem inferiores, entre 0,84 a 8,7µS, respectivamente. De acordo com Das et al. (2009) altos valores de condutividade na solução do biossurfactante podem indicar uma alta massa molecular desse composto. A condutividade das soluções dos metais Cádmio (Cd) e Chumbo (Pb) aumentaram com o aumento das concentrações do biossurfactante de C. lipolytica, apresentando valores de 245µS para 944µS (Cd) e 215µS para 804µS (Pb). Para o surfactante sintético não-iônico Tween 20 quanto maior a concentração utilizada maior as 4

condutividades dos metais. Já para os surfactantes SDS e Tween 80 essa correlação não foi verificada. Resultados semelhantes foram observados por Das et al. (2009) onde o surfactante sintético Tween 80 também não alterou a condutividade dos metais, independente das concentrações utilizadas. De acordo com a literatura alguns biossurfactantes de natureza lipopeptídica, como o utilizado no presente trabalho, apresentam função quelante (DAS et al. 2009). Foi observado por DAS et al. (2009) que os metais precipitam carregados positivamente após serem quelados pelo biossurfactante, diminuindo, dessa forma, a condutividade das soluções. O que foi observado quando utilizaram-se as concentrações de 1/2CMC e CMC do biossurfactante de C. lipolytica frente a concentrações de 500ppm de chumbo, observando-se condutividades de 413µS e 415µS. Já para concentração de 500ppm de cádmio as condutividades apresentaram pequenas variações, com valores de 417µS e 472 µs, respectivamente. Por outro lado, o aumento na concentração do biossurfactante para 3xCMC frente à presença dos metais Pb e Cd aumentou a condutividade das soluções, o que pode indicar a presença de íons livres nas amostras testadas. Compostos quelantes são utilizados para complexar minerais como: cálcio, magnésio, ferro, manganês dentre outros. Mas são usados para solucionar problemas específicos em virtude do custo e da toxicidade apresentada por muitos compostos (FREITAS et al., 2009). Sendo assim, os biossurfactantes surgem como agentes promissores, por serem compostos biodegradáveis. 3.2 Atividade quelante do biossurfactante: diferentes concentrações do biossurfactante isolado foram utilizadas para determinar os percentuais de remoção dos metais pesados chumbo (Pb) e cádmio (Cd). As figuras 01 e 02 ilustram as remoções dos metais chumbo e cádmio pelo biossurfactante produzido por Candida lipolytica em meio de baixo custo descrito por Rufino et al. (2008). Figura 01- Remoção de chumbo pelo biossurfactante produzido por Candida lipolytica 5

Figura 02- Remoção de cádmio pelo biossurfactante produzido por Candida lipolytica Os resultados obtidos demonstraram que o chumbo foi o metal mais removido quando utilizado na concentração de 100ppm, apresentando um percentual de 98,2% e 97,8% de remoção quando concentrações de 1/2CMC e CMC do biossurfactante foram utilizadas. Já para as concentrações de 500ppm e 1000ppm do mesmo metal os percentuais de remoção apresentaram valores acima de 47% (Figura 01). A utilização de concentrações do biossurfactante na CMC ou acima dela garantem a formação das micelas, estruturas eficientes na mobilização de metais pesados. Na figura 02, pode-se observar que os percentuais de remoção também aumentaram com o aumento da concentração do biossurfactante, apresentando valores de 67,4% a 90,7% de remoção. A partir dos resultados obtidos pode-se observar que o biossurfactante utilizado apresentou percentuais de remoção mais elevados para o metal chumbo, o que está de acordo com os resultados observados por Ochoa-Loza et al.(2007), que demonstram que a afinidade de um surfactante pode variar entre os diferentes metais testados. A possibilidade do uso de biossurfactantes na remoção de metais pesados têm sido demonstrada em outros trabalhos realizados a nível laboratorial. Mulligan et al. (2006) demonstraram a aplicabilidade de biossurfactantes na remoção de metais pesados, e uma remoção de apenas 3% de cobre foi observada. Dessa forma, os resultados obtidos no presente trabalho são bastante promissores para aplicações futuras na remoção de metais pesados presentes em ambientes contaminados. 6

Conclusão 1- A partir dos resultados obtidos pode-se concluir que o biossurfactante pode ser utilizado no controle da poluição ambiental causada por metais pesados. Os resultados dos experimentos de condutividade e atividade quelante nas diferentes condições demonstram claramente a viabilidade de aplicação dessa biomolécula como aditivo biotecnológico para os processos de remediação em ecossistemas impactados. Agradecimentos Este trabalho recebeu suporte financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Termelétrica de Pernambuco (TERMOPE). Os autores, também, agradecem ao Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Católica de Pernambuco (UNICAP). Referências BAIRD, C., & CANN, M. C. (2005). Environ. Chem. (3rd ed.). New York, N.Y.: W.H. Freeman. DAS, P.; MUKHERJEE, S.; SEN, R. Biosurfactant of marine origin exhibiting heavy metal remediation properties. Bioresource Technology, v.100, p.4887-4890. 2009. DAS, P.; MUKHERJEE, S.; SEN, R. Antiadhesive action of a marine microbial surfactant. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, v. 71, p.183 186, 2009. FERREIRA, S.R.M. Application of a yeast biosurfactant in the removal of heavy metals and hydrophobic contaminant in a soil used as slurry barrier. Applied and Environmental Soil Science, v. 2011, p. 1-7. 2011. FREITAS, E. V. S.; NASCIMENTO, C. W. A.; BIONDI, C. M.; SILVA, J. P. S.; SOUZA, A. P. Dessorção e Lixiviação de Chumbo em Espodossolo Tratado Com Agentes Quelantes. Revista Brasileira de Ciência do Solo. v. 33, p. 517-525, 2009. FRIEDLY, J., KENT, D., & DAVIS, J. (2002). Simulation of the mobility of metal- EDTA complexes in groundwater: The influence of contaminant metals. Environ. Sci. Technol., 36(3), 355-363. doi: 10.1021/es010926m. 7

MULLIGAN C.N.; WANG, S. Remediation of a heavy metal-contaminated solo by rhamnolipid foam. Engineering Geology, v. 85, p. 75-81, 2006. NITSCHKE, M., PASTORE, G. M. Production and properties of a surfactant obtained from Bacillus subtilis grown on cassava wastewater. Bioresource Technology, v, 97, p. 336-341, 2006. OCHOA-LOZA F.J.; NOORDMAN W.H.; JANNSEN D.B.; BRUSSEAU M.L.; MAIER R.M. Effect of clays, metal oxides, and organic matter on rhaminolipid biosurfactant sorpition by soil. Chemosphere, v. 66, p. 1634-1642, 2007. PŁOCINICZAK, M.P.; PŁAZA, G. A.; SEGET, Z.P; CAMEOTRA, S.S. Environmental Applications of Biosurfactants: Recent Advances. International Journal of Molecular Sciences, v.12, p. 633-654, 2011. RUFINO, R.D.; SARUBBO, L.A.; BENICIO, B.N.; CAMPOS-TAKAKI G.M. Experimental design for the production of tensio-active agent by Candida lipolytica. J. Industrial Microbiol. Biotechnol., v. 35, p. 907-914. 2008. 8