Bioestimulação

Dentro das estratégias de biorremediação, a bioestimulação é a mais utilizada e a que tem reportado melhores resultados e eficiência na remoção de hidrocarbonetos derivados de petróleo em solos[9]​[10]​[11]. Em essência, a bioestimulação busca aproveitar as capacidades catabólicas da comunidade de microrganismos que já habitam o solo, adaptando os fatores ambientais que são limitantes ao desenvolvimento microbiano e à degradação do contaminante. Em geral, os fatores mais incidentes que a bioestimulação costuma investigar envolvem a disponibilidade de macronutrientes (nitrogênio e fósforo), razão pela qual a bioestimulação geralmente está ligada à fertilização ou à adição desses macroelementos ao solo.[12] Embora a concentração de N e P, e portanto a otimização da relação C:N:P no solo, tenham sido normalmente referenciadas como as principais variáveis ​​que afetam a remoção de hidrocarbonetos quando são implementadas estratégias de bioestimulação,[13]​ também há casos em que outras características precisam ser estudadas. Dentre eles podemos citar o teor de água no solo (umidade), pH, disponibilidade de oxigênio e temperatura.

Bioaumento

Já a Bioaumentação consiste na inoculação da matriz contaminada com microrganismos, ou grupo de microrganismos (consórcios), que possuem capacidade catabólica de degradar parcial ou totalmente o contaminante presente na referida matriz. Geralmente é aplicado quando a taxa de degradação do contaminante na matriz não inoculada não é suficiente para que ele seja removido em momentos convenientes.

A utilidade e eficiência do uso da bioaumentação como método de biorremediação são controversas. Muitas vezes, o microrganismo ou grupo de microrganismos inoculados não conseguem se estabelecer na matriz contaminada, não sendo detectáveis ​​após certo tempo de tratamento.[14]​[15]​ Isso se deve principalmente ao fato de que a microflora presente no solo já está adaptada às condições ambientais particulares e às interações biológicas presentes no referido solo, e não permite que os microrganismos inoculados se estabeleçam no solo. Por outro lado, de acordo com a literatura, na maioria dos casos a utilização do bioaumento como técnica de biorremediação costuma apresentar resultados menos satisfatórios do que aqueles obtidos com a bioestimulação. Em alguns casos, essa dificuldade é superada pela adaptação de variáveis ​​(bioaumento + bioestimulação), enquanto em outros costuma-se utilizar cepas que tenham capacidade de produzir surfactantes, o que busca aumentar a biodisponibilidade de hidrocarbonetos para o restante da comunidade microbiana.[16][17] É o caso, por exemplo, de alguns membros do gênero Rhodococcus, que produzem biossurfactantes que permanecem aderidos à membrana ou parede celular, favorecendo a degradação de compostos orgânicos.[18]​[3]​.

Surfactantes adicionados

Em muitos casos, mesmo que o solo possua número e qualidade adequados de microrganismos para realizar a remediação, e as variáveis ​​físico-químicas, bem como as quantidades de nutrientes no solo sejam adequadas, os contaminantes não são removidos de forma significativa. Isto geralmente acontece quando o contaminante está intimamente ligado às partículas do solo, reduzindo a sua biodisponibilidade. A adição de surfactantes é utilizada como solução para esse problema, pois seu caráter anfifílico reduz a tensão superficial da água e dos compostos aquosos, favorece a formação de micelas e aumenta a mobilidade dos compostos orgânicos hidrofóbicos. Desta forma, ajudam a solubilizar contaminantes, aumentando a sua disponibilidade para a comunidade bacteriana e aumentando a sua taxa de degradação.[19]​[20]​.

Contenido

La fitorremediación es la descontaminación de los suelos, la depuración de las aguas residuales o la limpieza del aire interior, usando vegetales, ya sean plantas vasculares, o algas (ficorremediación). También se incluye a los hongos (micorremediación), y por extensión a los ecosistemas que contienen estas plantas. La fitorremediación es un conjunto de tecnologías que utilizan las plantas para reducir, degradar o inmovilizar compuestos orgánicos contaminantes (naturales o sintéticos), de la tierra, del agua o del aire y que provienen de las actividades humanas. Esta técnica también puede tratar la contaminación por compuestos inorgánicos (metales pesados o radioisótopos) a través de procesos como la quimiadorción de metales pesados por medio de la celulosa presente en las plantas.[21]​.

Las plantas y sus organismos rizosféricos (asociados a la zona de la raíz) se pueden usar para fitorremediación de diferentes maneras. Existen diferentes métodos de fitorremediación que se agrupan en dos conjuntos, dependiendo si se utilizan como medio de concentración (rizofiltración, fitoestabilización y fitoinmovilización) o como medio de eliminación (fitodegradación, fitoextracción y fitovolatilización).[22]​.

Vantagens

A fitorremediação ganhou popularidade nos últimos 10 anos. Isto se baseia em parte no seu custo relativamente baixo. Como os processos biológicos são, em última análise, impulsionados pelo sol, a fitorremediação é, em média, dez vezes mais barata do que os métodos baseados em engenharia (como a escavação do solo). O fato de a fitorremediação ser normalmente realizada in situ contribui para sua relação custo-benefício e pode reduzir a exposição do substrato contaminado aos seres humanos, à vida selvagem e ao meio ambiente. A fitorremediação também é popular entre o público em geral como uma alternativa “verde” às fábricas de produtos químicos e escavadeiras.[23]​.

Embora a fitorremediação apresente vantagens, ela também apresenta limitações. As plantas que medeiam a limpeza devem estar onde está o contaminante e devem ser capazes de agir sobre ele. Portanto, as propriedades do solo, o nível de toxicidade e o clima devem permitir o crescimento das plantas. A fitorremediação também é limitada pela profundidade das raízes, porque as plantas precisam ser capazes de alcançar o contaminante.[22]​.

Uma forma de otimizar recursos é a utilização de biomassa já morta e pulverizada para o tratamento de água contaminada com metais pesados.[24]​.

Métodos utilizados em fitorremediação

A fitoestabilização permite que os poluentes sejam imobilizados no solo através da sua absorção e acumulação nas raízes ou por precipitação na zona da rizosfera. Este processo reduz a mobilidade dos contaminantes e evita a sua migração para as águas subterrâneas ou para o ar. A fitoestabilização é eficaz em solos de textura fina e com alto teor de matéria orgânica. É aplicado principalmente em grandes áreas onde há contaminação superficial. Esta tecnologia tem como vantagens sobre outros métodos de remediação de solo o menor custo, a facilidade de aplicação e a estética agradável. Algumas plantas utilizadas para fins de fitoestabilização são: Hyparrhenia hirta (Pb); Zygophyllum fabago (Zn); Lupinus albus (Cd, As); Anthyllis vulneraria (Zn, Pb, Cd); Deschampsia cespitosa (Pb, Cd, Zn); Cardaminopsis arenosa (Cd, Zn); Horedeum vulgare, Lupinus angustifolius e Secale cereale (As); Lolium italicum e Festuca arundinaceae (Pb, Zn); e Brassica juncea (Cd, Zn, Cu, Mn, Fe, Pb). Eichhornia crassipes é uma planta invasora utilizada em processos de fitoestabilização com resultados viáveis.[25]​.

A fitoextração ou fitoacumulação consiste na absorção de metais contaminantes pelas raízes das plantas e seu acúmulo em caules e folhas. O primeiro passo na aplicação desta técnica é a seleção das espécies vegetais mais adequadas aos metais presentes e às características do local. Concluído o desenvolvimento vegetativo da planta, o próximo passo é cortá-las e proceder à incineração e transferência das cinzas para um aterro de segurança. A fitoacumulação pode ser repetida ilimitadamente até que a concentração remanescente de metais no solo esteja dentro dos limites considerados aceitáveis ​​(dependendo da legislação vigente naquele local). Algumas plantas utilizadas para esta técnica fitocorretiva são: Thlaspi caerulescens (Cd); Sedum alfredii, Viola baoshanensis e Vertiveria zizanioides (Zn, Cd, Pb); Alyssum murale, Trifolium nigriscens, Psychotria douarrei, Geissois pruinosa, Homalium guillainii, Hybanthus floribundus, Sebertia acuminata, Stackhousia tryonii, Pimelea leptospermoides, Aeollanthus biformifolius e Haumaniastrum robertii (Ni); Brassica juncea, Helianthus annuus, Sesbania drummondii (Pb); Brassica napus (Cu, Pb, Zn); e Pistia stratiotes (Ag, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn).

A rizofiltração utiliza plantas para remover contaminantes do ambiente aquático através das raízes. Na rizofiltração essas plantas são cultivadas hidroponicamente. Quando o sistema radicular está bem desenvolvido, as plantas são introduzidas em águas contaminadas com metais, onde as raízes os absorvem e acumulam. À medida que as raízes ficam saturadas, as plantas são colhidas e descartadas para uso final. Há um grande número de estudos relacionados à capacidade de acumulação de contaminantes de diversas plantas aquáticas, alguns exemplos deles são: Scirpus lacustris (Cd, Cu, Pb, Mg, Fe, Se, Cr), Lemna gibba (Pb, As, Cu, Cd, Ni, Cr, Al, Fe, Zn, Mn), Azolla caroliniana (Hg, Cr Sr, Cu, Cd, Zn, Ni, Pb, Au, Pt), Elatine trianda (As), Wolffia papulifera (Cd), Polygonum punctatum (Cu, Cd, Pb, Se, As, Hg, Cr, Mn) e Myriophylhum aquaticum, Ludwigina palustris e Mentha aquatica (Cu, Zn, Mn, Fe, Ni).

A fitovolatilização ocorre quando as árvores e outras plantas em crescimento absorvem água junto com contaminantes orgânicos e inorgânicos. Alguns deles podem atingir as folhas e evaporar ou volatilizar na atmosfera. Através deste processo foram eliminados contaminantes como: compostos orgânicos voláteis (benzeno, nitrobenzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno), As, Se e Hg. As plantas Salicornia bigelovii, Brassica juncea, Astragalus bisulcatus e Chara canescens têm sido utilizadas para remediação de locais contaminados com Se e Arabidopsis thaliana para Hg.

Na fitoestimulação, as raízes das plantas estimulam os microrganismos presentes na área a ser tratada, e estes degradam os contaminantes.

Na fitodegradação, as plantas e os microrganismos a elas associados degradam os contaminantes orgânicos em produtos inofensivos ou os mineralizam em CO e HO. Nesse processo, os contaminantes são metabolizados nos tecidos vegetais, e as plantas produzem enzimas como a desalogenase e a oxigenase, que ajudam a catalisar a degradação. A fitodegradação tem sido utilizada para a remoção de explosivos como TNT, hidrocarbonetos halogenados, Bisfenol A, PAHs e pesticidas organoclorados e organofosforados.

A biorremediação de hidrocarbonetos é utilizada para reduzir ou eliminar a contaminação de solos contaminados com, por exemplo, petróleo, diesel, óleo e graxa de diversas fontes, incluindo derramamentos acidentais ou industriais, utilizando microrganismos.

Hidrocarbonetos são compostos formados quase exclusivamente por átomos de carbono e hidrogênio, considerados compostos básicos da química orgânica. A sua utilização tornou-se um importante motor para o desenvolvimento da humanidade, mas, no entanto, deu origem a diversos eventos catastróficos a nível ambiental devido à contaminação dos ecossistemas terrestres e aquáticos como resultado do derramamento destes compostos petrolíferos e seus derivados. No caso dos solos, as principais consequências ambientais que ocorrem após um evento de contaminação são: a redução ou inibição do desenvolvimento da cobertura vegetal, alterações na dinâmica populacional da fauna, na biota microbiana e contaminação por infiltração em corpos hídricos subterrâneos.[26]​.

Na biorremediação, a bioestimulação e o bioaumento apresentam-se como uma de suas principais estratégias, sendo a primeira definida como a adição de nutrientes, principalmente fontes de nitrogênio e fósforo, para promover o crescimento e desenvolvimento microbiano, bem como a estimulação através da adição de água, oxigênio e outros elementos que melhoram o desenvolvimento de microrganismos. A utilização de lodo residual (biossólidos) como fonte de macro e micronutrientes pode favorecer a estimulação de microrganismos nativos do solo e causar a degradação de hidrocarbonetos, que são utilizados como fonte de carbono e doadores de elétrons, acoplando a reação de oxidação-redução ao oxigênio, que desempenha o papel de aceptor de elétrons.[27]​.

La industrialización global está cumpliendo las demandas "Demanda (economía)") de la población moderna a costa de la exposición ambiental a diversos contaminantes, incluidos los metales pesados. Estos metales afectan la calidad del agua y del suelo. Además, éstos entran en la cadena alimentaria y exhiben sus efectos letales en la salud humana, incluso cuando están presentes en una concentración ligeramente más alta que la requerida para el metabolismo normal; en el peor de los casos, los metales pesados pueden volverse cancerígenos. Por esto, la extracción eficiente de metales pesados presenta una demanda creciente en todo desarrollo sustentable. El enfoque de la biorremediación presenta una alternativa espléndida para los métodos caros e ineficientes convencionales para la eliminación de metales pesados.[28]​.

Biossorção

A biossorção é uma subcategoria da adsorção, onde o sorvente é uma matriz biológica. A biossorção é um processo de ligação rápida e reversível de íons de soluções aquosas a grupos funcionais que estão presentes na superfície da biomassa. Este processo é independente do metabolismo celular. Pode ser realizado em uma ampla faixa de valores de pH 3–9 e valores de temperatura 4–90 °C. Este processo não requer um grande investimento de capital, portanto os custos operacionais são econômicos. Além disso, os materiais biológicos são frequentemente baratos e podem ser obtidos a partir de resíduos agrícolas ou industriais. As características da biossorção, comparadas às dos métodos de tratamento convencionais, incluem baixo custo, alta eficiência, minimização de lodos químicos e/ou biológicos, não requer adição adicional de nutrientes, o biossorvente é regenerável e permite a possibilidade de recuperação de metais.

Nos últimos anos, o processo de biossorção tornou-se uma tecnologia de tratamento alternativa econômica e ecologicamente correta na indústria de água e águas residuais. Como resultado, vários biossorventes foram desenvolvidos que são utilizados com sucesso para tratar diversos contaminantes, incluindo metais, corantes, fenóis, flúor e produtos farmacêuticos em soluções (aquosas e/ou oleosas). Uma ampla gama de biomateriais naturalmente disponíveis tem sido utilizada como biossorventes para a remoção desejada de contaminantes. Todos os tipos de biomassa microbiana, vegetal e animal e seus produtos derivados são de grande interesse no que diz respeito à sua relação com uma ampla variedade de substâncias. Muitos destes materiais biológicos, especialmente bactérias, cianobactérias, algas (incluindo microalgas, macroalgas, algas), leveduras, fungos e líquenes têm atraído muita atenção para a remoção e recuperação de iões de metais pesados ​​devido ao seu bom desempenho, baixo custo e disponibilidade em grandes quantidades. Devido à presença de grupos funcionais quelantes abundantes, os materiais biológicos têm maior afinidade por íons metálicos.[29]​.

Precipitação de metais

A maioria das transformações metálicas mediadas por microrganismos, incluindo oxidação-redução e alquilação-desalquilação, não têm funções biológicas conhecidas. Estas ocorrem através de processos cujas funções primárias não estão relacionadas à transformação de metais, mas alteram sua solubilidade, mobilidade e toxicidade e, portanto, podem ser utilizadas como estratégias de remediação. Basicamente podem ser distinguidos dois mecanismos de precipitação de metais: precipitação redutiva e biomineralização.

Biolixiviação

A biolixiviação envolve a aplicação de microrganismos acidófilos com metabolismo oxidativo à base de Fe/S para promover a solubilização de metais de matrizes sólidas; É uma técnica consolidada na indústria de mineração e na biohidrometalurgia, onde microrganismos medeiam a solubilização de metais e metalóides de minerais e concentrados. Também tem potencial para remediação ex situ e in situ de sedimentos aquáticos contaminados com metais, o que representa um problema ambiental chave de interesse global. Consórcios de bactérias oxidantes de Fe/S e outros microrganismos acidófilos são aplicados em plantas de grande escala para melhorar a extração de metais preciosos e não preciosos de sulfetos ou minérios contendo ferro.

Os sedimentos parecem ser matrizes muito difíceis em comparação com os minerais. Em particular, os metais contaminantes tendem a associar-se a outros componentes do sedimento além daqueles da rede cristalina mineral primária (por exemplo, adsorção em moléculas orgânicas, associação como íons trocáveis). Como consequência, o conhecimento e os princípios da biolixiviação são especificamente estabelecidos para a biomineração e a biohidrometalurgia, pelo que só podem ser aplicados parcialmente à biolixiviação de sedimentos (por exemplo, vias metabólicas, mecanismos de solubilização de metais, adaptação microbiana a minerais, etc.). As bactérias com essas capacidades pertencem às α-β- e γ-Proteobactérias (Acidithiobacillus, Acidiphilium, Acidiferrobacter, Ferrovum), Nitrospirae (Leptospirillum), Bacillota (Alicyclobacillus, Sulfobacillus) e Actinomycetota (Ferrimicrobium, Acidimicrobium, Ferritrix). Archaea pertencem principalmente à Thermoproteota (Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera, Sulfurisphaera), além de dois oxidantes de Fe(II) pertencentes à Methanobacteriota (Ferroplasma acidiphilum e Ferroplasma acidarmanus).[32]​.

Os corantes são utilizados por muitas indústrias (têxtil, curtume de couro, papel, alimentos, tinturas de cabelo, etc.). Com uma população global crescente, a produção têxtil continua a ser uma das indústrias proeminentes que requerem grandes quantidades de água e, por sua vez, produzem águas residuais altamente contaminadas que podem causar sérios impactos ecológicos se forem libertadas no ambiente sem tratamento adequado.[33] Tem sido relatado que o uso de corantes sintéticos tem aumentado rapidamente nas indústrias têxteis devido ao custo-benefício na sua síntese e à sua alta estabilidade. Além disso, várias cores podem ser sintetizadas em comparação com corantes naturais. No entanto, os corantes dissolvidos na água interferem na penetração da luz solar (o que atrasa a fotossíntese) e inibem o crescimento da flora e da fauna aquática ao interferir na solubilidade dos gases.[34]​.

Embora a maioria dos corantes permaneça estável no meio ambiente, a transformação ou redução de alguns deles foi detectada em sedimentos. Esses corantes podem ser degradados ou parcialmente transformados na água e nos sedimentos dos rios que recebem descargas de águas residuais tratadas. Além disso, alguns corantes e seus produtos de transformação produzem efeitos cancerígenos.[35] A exposição prolongada a produtos químicos cancerígenos pode afetar a biota aquática do rio e também a saúde humana através da água potável. Portanto, é importante investigar o destino de corantes residuais e compostos derivados da decomposição de corantes em rios e sedimentos fluviais.[36]​.

Embora os métodos físico-químicos tradicionais para o tratamento de corantes envolvam remediação por oxidação química, adsorção, separação por membranas, separação por troca iônica e coagulação, os tratamentos que envolvem o uso de microrganismos como método de biorremediação incluem o uso de várias bactérias, fungos e algas.[37] Na maior parte, o mecanismo pelo qual fazem isso é através da biossorção, enquanto o restante varia entre absorção, acúmulo e/ou degradação dos corantes. corantes.[38]​.

Uno de los pilares de las ciencias aplicadas como la biotecnología, es la transferencia del conocimiento gestado y obtenido en el laboratorio, a instancias reales de aplicación concreta. Este salto tecnológico es frecuentemente difícil e inusualmente promovido en la ciencia. Sin embargo, la biotecnología incluye en sus cimientos la demanda de ser aplicada tanto para generar un producto, como para brindar un servicio.

En ese sentido, la biorremediación está destinada desde sus orígenes a ser pasible de ser aplicada en una locación con el fin de lograr un servicio concreto: el de la recuperación de una matriz luego de un evento de contaminación. Obviamente, el traslado al campo de las investigaciones realizadas a escala laboratorio es muchas veces complicada y es generalmente difícil de lograr, ya que las variables no controlables en el campo pueden generar un menor control sobre los experimentos, y por ende, una mayor distorsión de los resultados obtenibles.

En esta sección, solamente se hará hincapié sobre las dos estrategias de biorremediación de suelo a campo más extensamente utilizadas en la actualidad, y que mejores resultados han otorgado.

Agricultura

Landfarming é um método de remediação de solos em campo que reduz a concentração de hidrocarbonetos derivados do petróleo, tanto por evaporação quanto por biodegradação. Envolve a disposição do solo contaminado em fina camada na superfície, favorecendo a atividade microbiana por meio da oxigenação e/ou adição de nutrientes, minerais ou aumento de sua umidade.[39] Geralmente é usado algum tipo de isolamento por baixo para evitar a migração do contaminante para o solo onde o solo é colocado. agricultura.

Esta estratégia tem-se revelado eficaz para a biorremediação do solo, mas dado que os hidrocarbonetos de cadeia leve (COV) são eliminados por evaporação, as emissões para a atmosfera devem ser controladas, para que a estratégia não consista apenas na transferência do contaminante de uma matriz (solo) para outra (ar).

A implementação e desenho desta estratégia são extremamente simples de realizar. Da mesma forma, resulta em custos muito baixos (30-60 USD por tonelada). Porém, normalmente não é muito eficiente para solos altamente contaminados, além de que as emissões de compostos voláteis devem ser coletadas e filtradas antes de serem lançadas na atmosfera, tornando o processo mais caro. Esta metodologia foi utilizada num caso de contaminação massiva no Kuwait após a Guerra do Golfo, atingindo níveis de remoção superiores a 80%,[40] embora devido à temperatura de 50 °C que pode atingir durante o dia, a maior parte da remoção tenha sido por evaporação.

Biopilhas

A biorremediação com biopilhas consiste em escavar o solo contaminado e empilhá-lo em “pilhas” em área de tratamento específica, que deve ser isolada do solo circundante para evitar lixiviação do contaminante. Nessas pilhas, a biodegradação microbiana também é favorecida por meio da aeração (que pode ser por mistura ou forçada, além da adição de agentes promotores da porosidade do solo como lascas de madeira, perlita, etc.), da adição de nutrientes ou do ajuste de umidade.[41] Essas pilhas, por sua vez, podem ser cobertas, favorecendo o aumento da temperatura do solo e mantendo a umidade estável.

Em comparação com o landfarming, esta técnica também é simples de conceber e executar, mas tem a vantagem de geralmente exigir tempos de tratamento mais curtos, exigindo uma área de tratamento muito menor. O custo médio gira em torno de US$ 30 a US$ 90 por tonelada (aproximadamente o mesmo do landfarming), mas ao permitir o projeto de sistemas fechados que capturam volatilizações, torna-se uma opção mais viável e viável. Porém, a utilização de biopilhas ainda requer o tratamento dos elementos voláteis antes de sua disposição final. Da mesma forma, é difícil que o uso desta estratégia obtenha percentuais de remoção superiores a 95%, visto que é comum (pelo menos na primeira etapa) a presença de compostos no óleo diesel recalcitrantes à biodegradação. A eficácia da biopilha dependerá em grande parte de uma combinação: i) das variáveis ​​climáticas (vento, neve, temperatura), ii) das características do solo (pH, carga microbiana, salinidade, humidade, quantidade de nutrientes) e, iii) das características do contaminante, em termos da sua volatilidade, estrutura, concentração intrínseca e toxicidade.

Bioestimulação

Dentro das estratégias de biorremediação, a bioestimulação é a mais utilizada e a que tem reportado melhores resultados e eficiência na remoção de hidrocarbonetos derivados de petróleo em solos[9]​[10]​[11]. Em essência, a bioestimulação busca aproveitar as capacidades catabólicas da comunidade de microrganismos que já habitam o solo, adaptando os fatores ambientais que são limitantes ao desenvolvimento microbiano e à degradação do contaminante. Em geral, os fatores mais incidentes que a bioestimulação costuma investigar envolvem a disponibilidade de macronutrientes (nitrogênio e fósforo), razão pela qual a bioestimulação geralmente está ligada à fertilização ou à adição desses macroelementos ao solo.[12] Embora a concentração de N e P, e portanto a otimização da relação C:N:P no solo, tenham sido normalmente referenciadas como as principais variáveis ​​que afetam a remoção de hidrocarbonetos quando são implementadas estratégias de bioestimulação,[13]​ também há casos em que outras características precisam ser estudadas. Dentre eles podemos citar o teor de água no solo (umidade), pH, disponibilidade de oxigênio e temperatura.

Bioaumento

Já a Bioaumentação consiste na inoculação da matriz contaminada com microrganismos, ou grupo de microrganismos (consórcios), que possuem capacidade catabólica de degradar parcial ou totalmente o contaminante presente na referida matriz. Geralmente é aplicado quando a taxa de degradação do contaminante na matriz não inoculada não é suficiente para que ele seja removido em momentos convenientes.

A utilidade e eficiência do uso da bioaumentação como método de biorremediação são controversas. Muitas vezes, o microrganismo ou grupo de microrganismos inoculados não conseguem se estabelecer na matriz contaminada, não sendo detectáveis ​​após certo tempo de tratamento.[14]​[15]​ Isso se deve principalmente ao fato de que a microflora presente no solo já está adaptada às condições ambientais particulares e às interações biológicas presentes no referido solo, e não permite que os microrganismos inoculados se estabeleçam no solo. Por outro lado, de acordo com a literatura, na maioria dos casos a utilização do bioaumento como técnica de biorremediação costuma apresentar resultados menos satisfatórios do que aqueles obtidos com a bioestimulação. Em alguns casos, essa dificuldade é superada pela adaptação de variáveis ​​(bioaumento + bioestimulação), enquanto em outros costuma-se utilizar cepas que tenham capacidade de produzir surfactantes, o que busca aumentar a biodisponibilidade de hidrocarbonetos para o restante da comunidade microbiana.[16][17] É o caso, por exemplo, de alguns membros do gênero Rhodococcus, que produzem biossurfactantes que permanecem aderidos à membrana ou parede celular, favorecendo a degradação de compostos orgânicos.[18]​[3]​.

Surfactantes adicionados

Em muitos casos, mesmo que o solo possua número e qualidade adequados de microrganismos para realizar a remediação, e as variáveis ​​físico-químicas, bem como as quantidades de nutrientes no solo sejam adequadas, os contaminantes não são removidos de forma significativa. Isto geralmente acontece quando o contaminante está intimamente ligado às partículas do solo, reduzindo a sua biodisponibilidade. A adição de surfactantes é utilizada como solução para esse problema, pois seu caráter anfifílico reduz a tensão superficial da água e dos compostos aquosos, favorece a formação de micelas e aumenta a mobilidade dos compostos orgânicos hidrofóbicos. Desta forma, ajudam a solubilizar contaminantes, aumentando a sua disponibilidade para a comunidade bacteriana e aumentando a sua taxa de degradação.[19]​[20]​.

Contenido

La fitorremediación es la descontaminación de los suelos, la depuración de las aguas residuales o la limpieza del aire interior, usando vegetales, ya sean plantas vasculares, o algas (ficorremediación). También se incluye a los hongos (micorremediación), y por extensión a los ecosistemas que contienen estas plantas. La fitorremediación es un conjunto de tecnologías que utilizan las plantas para reducir, degradar o inmovilizar compuestos orgánicos contaminantes (naturales o sintéticos), de la tierra, del agua o del aire y que provienen de las actividades humanas. Esta técnica también puede tratar la contaminación por compuestos inorgánicos (metales pesados o radioisótopos) a través de procesos como la quimiadorción de metales pesados por medio de la celulosa presente en las plantas.[21]​.

Las plantas y sus organismos rizosféricos (asociados a la zona de la raíz) se pueden usar para fitorremediación de diferentes maneras. Existen diferentes métodos de fitorremediación que se agrupan en dos conjuntos, dependiendo si se utilizan como medio de concentración (rizofiltración, fitoestabilización y fitoinmovilización) o como medio de eliminación (fitodegradación, fitoextracción y fitovolatilización).[22]​.

Vantagens

A fitorremediação ganhou popularidade nos últimos 10 anos. Isto se baseia em parte no seu custo relativamente baixo. Como os processos biológicos são, em última análise, impulsionados pelo sol, a fitorremediação é, em média, dez vezes mais barata do que os métodos baseados em engenharia (como a escavação do solo). O fato de a fitorremediação ser normalmente realizada in situ contribui para sua relação custo-benefício e pode reduzir a exposição do substrato contaminado aos seres humanos, à vida selvagem e ao meio ambiente. A fitorremediação também é popular entre o público em geral como uma alternativa “verde” às fábricas de produtos químicos e escavadeiras.[23]​.

Embora a fitorremediação apresente vantagens, ela também apresenta limitações. As plantas que medeiam a limpeza devem estar onde está o contaminante e devem ser capazes de agir sobre ele. Portanto, as propriedades do solo, o nível de toxicidade e o clima devem permitir o crescimento das plantas. A fitorremediação também é limitada pela profundidade das raízes, porque as plantas precisam ser capazes de alcançar o contaminante.[22]​.

Uma forma de otimizar recursos é a utilização de biomassa já morta e pulverizada para o tratamento de água contaminada com metais pesados.[24]​.

Métodos utilizados em fitorremediação

A fitoestabilização permite que os poluentes sejam imobilizados no solo através da sua absorção e acumulação nas raízes ou por precipitação na zona da rizosfera. Este processo reduz a mobilidade dos contaminantes e evita a sua migração para as águas subterrâneas ou para o ar. A fitoestabilização é eficaz em solos de textura fina e com alto teor de matéria orgânica. É aplicado principalmente em grandes áreas onde há contaminação superficial. Esta tecnologia tem como vantagens sobre outros métodos de remediação de solo o menor custo, a facilidade de aplicação e a estética agradável. Algumas plantas utilizadas para fins de fitoestabilização são: Hyparrhenia hirta (Pb); Zygophyllum fabago (Zn); Lupinus albus (Cd, As); Anthyllis vulneraria (Zn, Pb, Cd); Deschampsia cespitosa (Pb, Cd, Zn); Cardaminopsis arenosa (Cd, Zn); Horedeum vulgare, Lupinus angustifolius e Secale cereale (As); Lolium italicum e Festuca arundinaceae (Pb, Zn); e Brassica juncea (Cd, Zn, Cu, Mn, Fe, Pb). Eichhornia crassipes é uma planta invasora utilizada em processos de fitoestabilização com resultados viáveis.[25]​.

A fitoextração ou fitoacumulação consiste na absorção de metais contaminantes pelas raízes das plantas e seu acúmulo em caules e folhas. O primeiro passo na aplicação desta técnica é a seleção das espécies vegetais mais adequadas aos metais presentes e às características do local. Concluído o desenvolvimento vegetativo da planta, o próximo passo é cortá-las e proceder à incineração e transferência das cinzas para um aterro de segurança. A fitoacumulação pode ser repetida ilimitadamente até que a concentração remanescente de metais no solo esteja dentro dos limites considerados aceitáveis ​​(dependendo da legislação vigente naquele local). Algumas plantas utilizadas para esta técnica fitocorretiva são: Thlaspi caerulescens (Cd); Sedum alfredii, Viola baoshanensis e Vertiveria zizanioides (Zn, Cd, Pb); Alyssum murale, Trifolium nigriscens, Psychotria douarrei, Geissois pruinosa, Homalium guillainii, Hybanthus floribundus, Sebertia acuminata, Stackhousia tryonii, Pimelea leptospermoides, Aeollanthus biformifolius e Haumaniastrum robertii (Ni); Brassica juncea, Helianthus annuus, Sesbania drummondii (Pb); Brassica napus (Cu, Pb, Zn); e Pistia stratiotes (Ag, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn).

A rizofiltração utiliza plantas para remover contaminantes do ambiente aquático através das raízes. Na rizofiltração essas plantas são cultivadas hidroponicamente. Quando o sistema radicular está bem desenvolvido, as plantas são introduzidas em águas contaminadas com metais, onde as raízes os absorvem e acumulam. À medida que as raízes ficam saturadas, as plantas são colhidas e descartadas para uso final. Há um grande número de estudos relacionados à capacidade de acumulação de contaminantes de diversas plantas aquáticas, alguns exemplos deles são: Scirpus lacustris (Cd, Cu, Pb, Mg, Fe, Se, Cr), Lemna gibba (Pb, As, Cu, Cd, Ni, Cr, Al, Fe, Zn, Mn), Azolla caroliniana (Hg, Cr Sr, Cu, Cd, Zn, Ni, Pb, Au, Pt), Elatine trianda (As), Wolffia papulifera (Cd), Polygonum punctatum (Cu, Cd, Pb, Se, As, Hg, Cr, Mn) e Myriophylhum aquaticum, Ludwigina palustris e Mentha aquatica (Cu, Zn, Mn, Fe, Ni).

A fitovolatilização ocorre quando as árvores e outras plantas em crescimento absorvem água junto com contaminantes orgânicos e inorgânicos. Alguns deles podem atingir as folhas e evaporar ou volatilizar na atmosfera. Através deste processo foram eliminados contaminantes como: compostos orgânicos voláteis (benzeno, nitrobenzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno), As, Se e Hg. As plantas Salicornia bigelovii, Brassica juncea, Astragalus bisulcatus e Chara canescens têm sido utilizadas para remediação de locais contaminados com Se e Arabidopsis thaliana para Hg.

Na fitoestimulação, as raízes das plantas estimulam os microrganismos presentes na área a ser tratada, e estes degradam os contaminantes.

Na fitodegradação, as plantas e os microrganismos a elas associados degradam os contaminantes orgânicos em produtos inofensivos ou os mineralizam em CO e HO. Nesse processo, os contaminantes são metabolizados nos tecidos vegetais, e as plantas produzem enzimas como a desalogenase e a oxigenase, que ajudam a catalisar a degradação. A fitodegradação tem sido utilizada para a remoção de explosivos como TNT, hidrocarbonetos halogenados, Bisfenol A, PAHs e pesticidas organoclorados e organofosforados.

A biorremediação de hidrocarbonetos é utilizada para reduzir ou eliminar a contaminação de solos contaminados com, por exemplo, petróleo, diesel, óleo e graxa de diversas fontes, incluindo derramamentos acidentais ou industriais, utilizando microrganismos.

Hidrocarbonetos são compostos formados quase exclusivamente por átomos de carbono e hidrogênio, considerados compostos básicos da química orgânica. A sua utilização tornou-se um importante motor para o desenvolvimento da humanidade, mas, no entanto, deu origem a diversos eventos catastróficos a nível ambiental devido à contaminação dos ecossistemas terrestres e aquáticos como resultado do derramamento destes compostos petrolíferos e seus derivados. No caso dos solos, as principais consequências ambientais que ocorrem após um evento de contaminação são: a redução ou inibição do desenvolvimento da cobertura vegetal, alterações na dinâmica populacional da fauna, na biota microbiana e contaminação por infiltração em corpos hídricos subterrâneos.[26]​.

Na biorremediação, a bioestimulação e o bioaumento apresentam-se como uma de suas principais estratégias, sendo a primeira definida como a adição de nutrientes, principalmente fontes de nitrogênio e fósforo, para promover o crescimento e desenvolvimento microbiano, bem como a estimulação através da adição de água, oxigênio e outros elementos que melhoram o desenvolvimento de microrganismos. A utilização de lodo residual (biossólidos) como fonte de macro e micronutrientes pode favorecer a estimulação de microrganismos nativos do solo e causar a degradação de hidrocarbonetos, que são utilizados como fonte de carbono e doadores de elétrons, acoplando a reação de oxidação-redução ao oxigênio, que desempenha o papel de aceptor de elétrons.[27]​.

La industrialización global está cumpliendo las demandas "Demanda (economía)") de la población moderna a costa de la exposición ambiental a diversos contaminantes, incluidos los metales pesados. Estos metales afectan la calidad del agua y del suelo. Además, éstos entran en la cadena alimentaria y exhiben sus efectos letales en la salud humana, incluso cuando están presentes en una concentración ligeramente más alta que la requerida para el metabolismo normal; en el peor de los casos, los metales pesados pueden volverse cancerígenos. Por esto, la extracción eficiente de metales pesados presenta una demanda creciente en todo desarrollo sustentable. El enfoque de la biorremediación presenta una alternativa espléndida para los métodos caros e ineficientes convencionales para la eliminación de metales pesados.[28]​.

Biossorção

A biossorção é uma subcategoria da adsorção, onde o sorvente é uma matriz biológica. A biossorção é um processo de ligação rápida e reversível de íons de soluções aquosas a grupos funcionais que estão presentes na superfície da biomassa. Este processo é independente do metabolismo celular. Pode ser realizado em uma ampla faixa de valores de pH 3–9 e valores de temperatura 4–90 °C. Este processo não requer um grande investimento de capital, portanto os custos operacionais são econômicos. Além disso, os materiais biológicos são frequentemente baratos e podem ser obtidos a partir de resíduos agrícolas ou industriais. As características da biossorção, comparadas às dos métodos de tratamento convencionais, incluem baixo custo, alta eficiência, minimização de lodos químicos e/ou biológicos, não requer adição adicional de nutrientes, o biossorvente é regenerável e permite a possibilidade de recuperação de metais.

Nos últimos anos, o processo de biossorção tornou-se uma tecnologia de tratamento alternativa econômica e ecologicamente correta na indústria de água e águas residuais. Como resultado, vários biossorventes foram desenvolvidos que são utilizados com sucesso para tratar diversos contaminantes, incluindo metais, corantes, fenóis, flúor e produtos farmacêuticos em soluções (aquosas e/ou oleosas). Uma ampla gama de biomateriais naturalmente disponíveis tem sido utilizada como biossorventes para a remoção desejada de contaminantes. Todos os tipos de biomassa microbiana, vegetal e animal e seus produtos derivados são de grande interesse no que diz respeito à sua relação com uma ampla variedade de substâncias. Muitos destes materiais biológicos, especialmente bactérias, cianobactérias, algas (incluindo microalgas, macroalgas, algas), leveduras, fungos e líquenes têm atraído muita atenção para a remoção e recuperação de iões de metais pesados ​​devido ao seu bom desempenho, baixo custo e disponibilidade em grandes quantidades. Devido à presença de grupos funcionais quelantes abundantes, os materiais biológicos têm maior afinidade por íons metálicos.[29]​.

Precipitação de metais

A maioria das transformações metálicas mediadas por microrganismos, incluindo oxidação-redução e alquilação-desalquilação, não têm funções biológicas conhecidas. Estas ocorrem através de processos cujas funções primárias não estão relacionadas à transformação de metais, mas alteram sua solubilidade, mobilidade e toxicidade e, portanto, podem ser utilizadas como estratégias de remediação. Basicamente podem ser distinguidos dois mecanismos de precipitação de metais: precipitação redutiva e biomineralização.

Biolixiviação

A biolixiviação envolve a aplicação de microrganismos acidófilos com metabolismo oxidativo à base de Fe/S para promover a solubilização de metais de matrizes sólidas; É uma técnica consolidada na indústria de mineração e na biohidrometalurgia, onde microrganismos medeiam a solubilização de metais e metalóides de minerais e concentrados. Também tem potencial para remediação ex situ e in situ de sedimentos aquáticos contaminados com metais, o que representa um problema ambiental chave de interesse global. Consórcios de bactérias oxidantes de Fe/S e outros microrganismos acidófilos são aplicados em plantas de grande escala para melhorar a extração de metais preciosos e não preciosos de sulfetos ou minérios contendo ferro.

Os sedimentos parecem ser matrizes muito difíceis em comparação com os minerais. Em particular, os metais contaminantes tendem a associar-se a outros componentes do sedimento além daqueles da rede cristalina mineral primária (por exemplo, adsorção em moléculas orgânicas, associação como íons trocáveis). Como consequência, o conhecimento e os princípios da biolixiviação são especificamente estabelecidos para a biomineração e a biohidrometalurgia, pelo que só podem ser aplicados parcialmente à biolixiviação de sedimentos (por exemplo, vias metabólicas, mecanismos de solubilização de metais, adaptação microbiana a minerais, etc.). As bactérias com essas capacidades pertencem às α-β- e γ-Proteobactérias (Acidithiobacillus, Acidiphilium, Acidiferrobacter, Ferrovum), Nitrospirae (Leptospirillum), Bacillota (Alicyclobacillus, Sulfobacillus) e Actinomycetota (Ferrimicrobium, Acidimicrobium, Ferritrix). Archaea pertencem principalmente à Thermoproteota (Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera, Sulfurisphaera), além de dois oxidantes de Fe(II) pertencentes à Methanobacteriota (Ferroplasma acidiphilum e Ferroplasma acidarmanus).[32]​.

Os corantes são utilizados por muitas indústrias (têxtil, curtume de couro, papel, alimentos, tinturas de cabelo, etc.). Com uma população global crescente, a produção têxtil continua a ser uma das indústrias proeminentes que requerem grandes quantidades de água e, por sua vez, produzem águas residuais altamente contaminadas que podem causar sérios impactos ecológicos se forem libertadas no ambiente sem tratamento adequado.[33] Tem sido relatado que o uso de corantes sintéticos tem aumentado rapidamente nas indústrias têxteis devido ao custo-benefício na sua síntese e à sua alta estabilidade. Além disso, várias cores podem ser sintetizadas em comparação com corantes naturais. No entanto, os corantes dissolvidos na água interferem na penetração da luz solar (o que atrasa a fotossíntese) e inibem o crescimento da flora e da fauna aquática ao interferir na solubilidade dos gases.[34]​.

Embora a maioria dos corantes permaneça estável no meio ambiente, a transformação ou redução de alguns deles foi detectada em sedimentos. Esses corantes podem ser degradados ou parcialmente transformados na água e nos sedimentos dos rios que recebem descargas de águas residuais tratadas. Além disso, alguns corantes e seus produtos de transformação produzem efeitos cancerígenos.[35] A exposição prolongada a produtos químicos cancerígenos pode afetar a biota aquática do rio e também a saúde humana através da água potável. Portanto, é importante investigar o destino de corantes residuais e compostos derivados da decomposição de corantes em rios e sedimentos fluviais.[36]​.

Embora os métodos físico-químicos tradicionais para o tratamento de corantes envolvam remediação por oxidação química, adsorção, separação por membranas, separação por troca iônica e coagulação, os tratamentos que envolvem o uso de microrganismos como método de biorremediação incluem o uso de várias bactérias, fungos e algas.[37] Na maior parte, o mecanismo pelo qual fazem isso é através da biossorção, enquanto o restante varia entre absorção, acúmulo e/ou degradação dos corantes. corantes.[38]​.

Uno de los pilares de las ciencias aplicadas como la biotecnología, es la transferencia del conocimiento gestado y obtenido en el laboratorio, a instancias reales de aplicación concreta. Este salto tecnológico es frecuentemente difícil e inusualmente promovido en la ciencia. Sin embargo, la biotecnología incluye en sus cimientos la demanda de ser aplicada tanto para generar un producto, como para brindar un servicio.

En ese sentido, la biorremediación está destinada desde sus orígenes a ser pasible de ser aplicada en una locación con el fin de lograr un servicio concreto: el de la recuperación de una matriz luego de un evento de contaminación. Obviamente, el traslado al campo de las investigaciones realizadas a escala laboratorio es muchas veces complicada y es generalmente difícil de lograr, ya que las variables no controlables en el campo pueden generar un menor control sobre los experimentos, y por ende, una mayor distorsión de los resultados obtenibles.

En esta sección, solamente se hará hincapié sobre las dos estrategias de biorremediación de suelo a campo más extensamente utilizadas en la actualidad, y que mejores resultados han otorgado.

Agricultura

Landfarming é um método de remediação de solos em campo que reduz a concentração de hidrocarbonetos derivados do petróleo, tanto por evaporação quanto por biodegradação. Envolve a disposição do solo contaminado em fina camada na superfície, favorecendo a atividade microbiana por meio da oxigenação e/ou adição de nutrientes, minerais ou aumento de sua umidade.[39] Geralmente é usado algum tipo de isolamento por baixo para evitar a migração do contaminante para o solo onde o solo é colocado. agricultura.

Esta estratégia tem-se revelado eficaz para a biorremediação do solo, mas dado que os hidrocarbonetos de cadeia leve (COV) são eliminados por evaporação, as emissões para a atmosfera devem ser controladas, para que a estratégia não consista apenas na transferência do contaminante de uma matriz (solo) para outra (ar).

A implementação e desenho desta estratégia são extremamente simples de realizar. Da mesma forma, resulta em custos muito baixos (30-60 USD por tonelada). Porém, normalmente não é muito eficiente para solos altamente contaminados, além de que as emissões de compostos voláteis devem ser coletadas e filtradas antes de serem lançadas na atmosfera, tornando o processo mais caro. Esta metodologia foi utilizada num caso de contaminação massiva no Kuwait após a Guerra do Golfo, atingindo níveis de remoção superiores a 80%,[40] embora devido à temperatura de 50 °C que pode atingir durante o dia, a maior parte da remoção tenha sido por evaporação.

Biopilhas

A biorremediação com biopilhas consiste em escavar o solo contaminado e empilhá-lo em “pilhas” em área de tratamento específica, que deve ser isolada do solo circundante para evitar lixiviação do contaminante. Nessas pilhas, a biodegradação microbiana também é favorecida por meio da aeração (que pode ser por mistura ou forçada, além da adição de agentes promotores da porosidade do solo como lascas de madeira, perlita, etc.), da adição de nutrientes ou do ajuste de umidade.[41] Essas pilhas, por sua vez, podem ser cobertas, favorecendo o aumento da temperatura do solo e mantendo a umidade estável.

Em comparação com o landfarming, esta técnica também é simples de conceber e executar, mas tem a vantagem de geralmente exigir tempos de tratamento mais curtos, exigindo uma área de tratamento muito menor. O custo médio gira em torno de US$ 30 a US$ 90 por tonelada (aproximadamente o mesmo do landfarming), mas ao permitir o projeto de sistemas fechados que capturam volatilizações, torna-se uma opção mais viável e viável. Porém, a utilização de biopilhas ainda requer o tratamento dos elementos voláteis antes de sua disposição final. Da mesma forma, é difícil que o uso desta estratégia obtenha percentuais de remoção superiores a 95%, visto que é comum (pelo menos na primeira etapa) a presença de compostos no óleo diesel recalcitrantes à biodegradação. A eficácia da biopilha dependerá em grande parte de uma combinação: i) das variáveis ​​climáticas (vento, neve, temperatura), ii) das características do solo (pH, carga microbiana, salinidade, humidade, quantidade de nutrientes) e, iii) das características do contaminante, em termos da sua volatilidade, estrutura, concentração intrínseca e toxicidade.