Apstilia II Microbiologia Aplicada

Microbiologia Ambiental - Professor Marcos de Paula Júnior 1

Utilização de microorganismos para fins ambientais

Os microorganismos são os grandes recicladores da natureza,

transformando a matéria morta ou em decomposição em Matéria que pode

ser utilizada na síntese de novas substancias pelas plantas (adubo) e

estas servem de alimento para os animais. Aproveitando essa

característica dos microorganismos podemos aproveita-los em vários

processos para fins ambientais. Veremos alguns durante nosso estudo em

Microbiologia Aplicada.

Esses seres são capazes de limpar o solo, a água e até áreas

contaminadas por radiação, através de seus processos biofisioquímicos.

Microorganismos e o aquecimento global

Um dos maiores desafios dos séculos XXI e XXII será o

aquecimento global devido a grande quantidade de gases provocantes de

efeito estufa lançado na atmosfera, principalmente CO2 ou dióxido de

carbono.

As algas podem nos ajudar a combater esse efeito devido a sua

grande produção fotossintetizante, ou seja, elas são capazes de

absorver grandes quantidades de CO2 da atmosfera além de serem

empregadas na produção de biocombustível, alimentos e outros produtos

úteis aos seres humanos.

Certas espécies de fungos podem produzir Hidrocarbonetos como se

diz na reportagem abaixo:

Cientistas americanos identificaram na Patagônia um fungo capaz de produzir hidrocarbonetos da Biomassa

O fungo poderia ser potencialmente uma nova fonte de energia limpa, segundo o artigo publicado na revista científica Microbiology. O fungo, conhecido como Gliocladium roseum, foi identificado em uma árvore ulmo (Eucryphia cordifolia) por cientistas da universidade do Estado de Montana, nos Estados Unidos. No Brasil há relatos de ocorrencia do fungo Gliocladium roseum em solos de São paulo. O Gliocladium roseum gera várias moléculas diferentes que produzem hidrogênio e carbono, e que são também encontradas no óleo diesel. Os cientistas trabalham agora em criar o que chamam de "mycodiesel", um combustível limpo a partir da nova descoberta.

"Este é o único organismo que demonstrou ser capaz de produzir esta combinação importante de substâncias combustíveis", disse o professor Gary Strobel, que conduziu a pesquisa.

"O fungo pode inclusive produzir estes combustíveis de diesel a


partir da celulose, que poderia ser uma melhor fonte de biocombustível que qualquer uma das que se usa atualmente", opina o cientista.

Hidrocarbonetos

Muitos tipos de micróbios podem produzir hidrocarbonetos, que são compostos formados de hidrogênio e carbono. Os fungos que crescem na madeira parecem produzir uma série de compostos potencialmente explosivos.

"Quando examinamos a composição do Gliocladium roseum, ficamos totalmente surpreendidos de ver que ele estava produzindo uma variedade de hidrocarbonetos e derivados de hidrocarbonetos", disse Strobel. "Os resultados foram totalmente inesperados".

Posteriormente, quando os investigadores cultivaram o fungo em laboratório, ele foi capaz de produzir um combustível que, segundo eles, é muito similar ao óleo diesel usada em automóveis e caminhões. Outra vantagem potencial do combustível, segundo Strobel, é que ele pode ser produzido diretamente da celulose, o principal composto das plantas e do papel. Quando se utiliza plantas para produzir biocombustíveis, elas precisam primeiro ser processadas para depois serem convertidas em compostos úteis, como a celulose. Mas no caso do Gliocladium roseum, ele pode produzir o "mycodiesel" diretamente da celulose."Isso significa que o fungo pode produzir combustível saltando-se um grande passo no processo de produção", diz Strobel.

Julho de 2008


Compostagem

Como compostar o lixo orgânico, mesmo em pequenos apartamentos

A compostagem é uma técnica milenar, praticada pelos chineses há

mais de cinco mil anos. Nada muito diferente do que natureza faz há

bilhões de anos desde que surgiram os primeiros microorganismos

decompositores. Seguindo o exemplo da floresta, onde observamos que

cada resíduo, seja ele de origem animal ou vegetal, é reaproveitado

pelo ecossistema como fonte de nutrientes para as plantas que, em

última análise, são o sustentáculo da vida terrestre. Pois bem, quando

procedemos com a compostagem estamos seguindo as regras da natureza e

destinando corretamente nossos resíduos.

Tradicionalmente a compostagem é vista como uma prática usual em

propriedades rurais e centrais de reciclagem de resíduos. No primeiro

caso é uma estratégia do agricultor para transformar os resíduos

agrícolas em adubos essenciais para a prática da agricultura orgânica.

No segundo é uma necessidade administrativa, que tem a intenção de

diminuir o volume do material a ser gerenciado além de estabilizar um

material poluente.

No espaço urbano existe a crença de que lixo deve ser recolhido

pela prefeitura e despejado em algum local onde possa feder e sujar a

vontade. Esta realidade perversa está sendo mudada, graças às ações

práticas de alguns municípios e pelos avanços nas leis e normas

ambientais em nosso país. Mas o que nós cidadãos podemos fazer em

nossas casas para colaborar neste processo?

Uma coisa muito boa que podemos fazer em nossas casas e

apartamentos é a compostagem. Diferentemente dos agricultores que

precisam de adubos para os seus cultivos ou das prefeituras que

precisam se livrar desse resíduos; nós em casa podemos começar

simplesmente tentando diminuir a quantidade de lixo orgânico emitido

para a prefeitura. É claro que só é possível isto em casas onde o lixo

é separado.

Entre os muitos modelos de composteira existentes, destacamos os

engradados de pvc (lembra das caixas plásticas usadas em supermercados

para o transporte das compras?). Com dois ou três engradados podemos


montar uma sistema de compostagem bem eficiente e que não ocupa muito

espaço. Vamos ver isto passo-a-passo:

Como montar a composteira em espaços mínimos (sacadas e áreas de

serviço)

1. Forre por dentro um engradado de pvc (destes que usamos para

carregar as compras no supermercado) com uma camada espessa de

jornal bem úmido, mais ou menos 6 ou 8 folhas. Depois de

acomodar estas folhas de jornal faça furos no fundo.

2. Preencha o fundo deste engradado com composto já pronto e com

minhocas. Faça uma camada de mais ou menos 10 cm de espessura.

Nos supermercados e em floriculturas encontramos um produto

genericamente chamado de húmus de minhoca. Um bom húmus sempre

tem alguns ovos e filhotes de minhoca que sobrevivem ao

peneiramento e à embalagem.

3. Escolha no seu lixo orgânico algumas porções de cascas de frutas

ou folhas de verduras, não muito.

4. Enterre este material no composto. Isto vai servir para avaliar

a quantidade de minhocas que existe neste material, já que elas

serão atraídas pela comida (lixo orgânico).

5. Cubra tudo com mais uma camada de jornal úmido. O jornal tem que

estar sempre úmido, caso contrario roubará água do material que

esta sendo compostado e este não ficará pronto em poucas

semanas.

6. Providencie uma tampa para o seu composto. Isto evitará a

proliferação de moscas e baratas além de servir de barreira para

um eventual rato.

7. Agora uma parte bem importante! Observe por alguns dias quanto

tempo as pequenas minhocas levam para comer uma determinada

quantidade de lixo orgânico. Esta é a capacidade de reciclagem

da sua composteira. À medida que as minhocas vão crescendo e se

reproduzindo o consumo de resíduo orgânico vai aumentando. Uma

minhoca vermelha do composto (Eisenia foetida) pode comer o


próprio peso em um único dia, além disso com apenas três meses

elas já estão se reproduzindo, podendo depositar um casulo a

cada semana. Cada casulo desses pode gerar de quatro a doze

pequenas minhocas que já nascem prontas para comer muito pelo

resto da vida. Uma composteira doméstica pode ser considerada

eficiente quando os resíduos orgânicos somem totalmente em menos

de duas semanas. Outra técnica muito usada por jardineiros

experientes para avaliar um composto é a quantidade de ruídos

que este pode produzir. Difícil de acreditar? Então experimente,

quando seu composto estiver produzindo um pequeno ruído que

lembra um líquido escorrendo é sinal de que as minhocas estão

trabalhando a todo vapor. Daí para a frente é um processo

contínuo e crescente.

O que fazer quando a composteira está cheia:

1. O que acontece com as composteiras domésticas é que elas sempre

têm uma quantidade de material pronto, uma parcela de material

em processo de decomposição e uma porção diária de lixo orgânico

ainda fresco. Isto dificulta bastante a coleta do material que

já está pronto para o uso. Para este problema temos uma solução.

Veja a seguir:

2. Um engradado composteira vai sendo lentamente preenchido e as

minhocas vão comendo e reciclando material de baixo para cima.

Bem, um dia nosso engradado estará completamente cheio, com

material já reciclado no fundo e lixo fresco junto à superfície.

Isto é inevitável, mas uma maneira de contornar este problema é

simplesmente forrar as laterais de um novo engradado e empilhar

sobre o primeiro. Assim, dê continuidade ao processo colocando

uma porção do composto cheio de minhocas no fundo do segundo

engradado e siga o processo normalmente. Desta forma as minhocas

continuarão trabalhando no sentido vertical e em algumas semanas

a sua primeira caixa estará completamente reciclada e você terá

mais ou menos 25 Kg de adubo orgânico de primeiríssima

qualidade.


Onde colocar a composteira

1. A composteira de engradados de pvc não deve ser colocada em

locais sem ventilação. Não devemos desperdiçar locais

ensolarados com a compostagem que dispensa a luz solar; as

plantas sim precisam dela. Os engradados de compostagem devem

ser colocados sobre um suporte que pode ser desde de um simples

e pouco eficiente jornal, até bandejas ou caixas que possam

coletar e canalizar o chorume (líquido que escorre do composto)

completamente. Um bom composto deve produzir muito pouco ou

nenhum chorume. Mas quando regamos o composto no verão isto é

inevitável. Por garantia podemos acomodar nossos engradados

sobre uma bandeja plástica, de metal ou de madeira, de pelo

menos 5 centímetros cheia de brita, cascalho ou areia bem

grossa. O importante é que o composto tenha o mínimo contato com

o chorume.

2. Sofisticando um pouco mais podemos construir um suporte de

concreto ou tijolos e cimento que tenha pelo menos 40

centímetros de altura e onde possamos encaixar os engradados.

Devemos cuidar para tenha um dreno (furo) no fundo e então

podemos preencher metade da altura com carvão vegetal (aquele

que compramos para fazer churrasco) e logo por cima despejamos a

mesma quantidade de brita, e por cima da brita acomodamos os

engradados. Desta forma o eventual chorume escorre pela brita

até a camada de carvão onde é desodorizado e ligeiramente

filtrado. Evitando sujeira na sacada ou na área de serviço. Para

composteiras feitas diretamente na terra este problema

praticamente não existe já que o solo absorve o chorume.

O que pode ser compostado e como usar o composto gerado

1. Praticamente qualquer coisa orgânica é passível de compostagem.

Preferencialmente devemos usar os resíduos orgânicos vegetais

crus gerados em nossa cozinha, os restos de comida podem e devem

ser compostados, porém devemos lembrar que o sal pode diminuir a

qualidade de nosso composto tornando-o mais salino do que o

conveniente. Pensando ecologicamente o certo é não termos restos

de comida, um pouco de organização pode evitar desperdícios e

viabilizar a prática da compostagem domiciliar de forma


totalmente eficiente. Mas quando não conseguimos comer tudo o

que preparamos o destino é os compartimentos que vão sendo

preenchidos com resíduos orgânicos um de cada vez. Assim, as

minhocas vão reciclando o material a cada compartimento

preenchido, seguindo o mesmo procedimento anterior.


Aplicação de microorganismos na recuperação de metais

Introdução

Com o crescente desenvolvimento tecnológico e industrial há uma

constante preocupação no mundo atual com a liberação de resíduos

industriais metálicos, pois podem causar danos em todo o ecossistema.

Metais como chumbo, arsênio, cromo, zinco, cádmio, cobre e mercúrio

podem causar danos significativos ao ambiente e a saúde humana graças

à facilidade de solubilização e mobilização. A escolha mais apropriada

do método de remediação para solos ou sedimentos depende das

características do local, concentração, tipos de poluentes a serem

removidos e o destino final do meio contaminado. Dentre as tecnologias

empregadas para contornar os problemas gerados pelas áreas impactadas

por metais pesados podem ser citados o isolamento do local, a

imobilização, redução de toxicidade, separação física e extração.

Barreiras físicas feitas de aço, cimento e bentonita, por exemplo,

podem ser usadas para isolar e minimizar a mobilidade dos metais. Por

outro lado, existem processos que promovem a separação das partículas

menores (mais poluídas) das maiores, empregando hidrociclones, leito

fluidizado e flotação. Todavia alguns dos processos de remoção podem

apresentar custo final elevado e/ou causar a liberação de novos

contaminantes. É nesse contexto que surge a necessidade pela busca de

novas tecnologias para a remoção de metais, baseadas no

desenvolvimento de metodologias para aplicação de microrganismos.

Entretanto, técnicas convencionais de remoção de metais tóxicos (ex:

troca iônica, precipitação, e eletroquímica), podem não ser efetivas,

especialmente quando a concentração do metal está abaixo de 100 mg L-1.

Os microorganismos são capazes de afetar a especiação dos

metais, por causa de sua capacidade efetora ou mediadora nos processos

de mobilização ou imobilização, que influenciam no equilíbrio das

espécies metálicas entre as fases solúveis e insolúveis. A capacidade

que os solos têm de atenuar os impactos, através de processos

naturais, biológicos, químicos e físicos, pode ser utilizado como

tratamento na remediação de solos contaminados, e é conhecido com o

nome de atenuação natural. Muitos microorganismos, incluindo

bactérias, algas e fungos, possuem a habilidade para remover metais

pesados do meio ambiente. A capacidade de remoção, assim como os

mecanismos de acumulação, podem variar amplamente de acordo com a


espécie microbiana, ou até mesmo com a linhagem. Tanto as células,

como os produtos excretados, parede celular e polissacarídeos têm

potencial para remover metais de soluções que os contém. Fatores

externos como pH, temperatura, ausência ou presença de nutrientes e

outros metais também influenciam no mecanismo atuante e,

conseqüentemente, na eficiência e seletividade de acumulação.

Metais, o seu emprego e as suas implicações com a saúde humana

A dissolução de metais pesados que escapam no meio ambiente pode

acarretar sérios problemas de periculosidade. O controle das descargas

de metais pesados e remoção de metais tóxicos de rejeitos líquidos tem

se convertido numa séria preocupação, especialmente para as indústrias

químicas. Os metais pesados compreendem 40 elementos com densidade

superior a 5 g/cm3. Alguns, como ferro, em pequenas quantidades, são

elementos essenciais ao crescimento tanto de organismos procariontes

quanto de eucariontes. No entanto, outros, como o cádmio, não possuem

função biológica conhecida e são extremamente tóxicos, mesmo em

concentrações muito baixas. O controle da emissão de resíduos através

de normas, definidas em Leis e Decretos, resulta da preocupação

mundial com os efeitos nocivos do uso indiscriminado de produtos

químicos tóxicos e de seu descarte para o meio ambiente. Efluentes das

indústrias do setor mineral e metal-mecânico, em particular os

efluentes de plantas de tratamento de superfície, contêm alta

concentração de metais dissolvidos. Os metais que mais preocupam e

representam um risco ambiental são, em ordem de prioridade: cádmio,

chumbo, mercúrio, cromo, cobalto, cobre, níquel, zinco e alumínio.

Remediação

O mecanismo bioquímico microbiano não é o da degradação do átomo

contaminante, mas aquele que produze uma mudança no estado de oxidação

do metal para sua detoxificação. Independente das reações ocorridas,

provavelmente o metal ainda permanecerá no local, pois sabe-se que as

bactérias possuem a capacidade para concentrar ou remover os mesmos,

seja em forma de precipitados ou de substâncias voláteis,

conseqüentemente menos tóxicos e facilmente disponíveis. Em outras

palavras, os microorganismos podem apenas alterar a especiação dos

contaminantes e convertê-los em formas não tóxicas.


Mecanismo de captação dos metais

Vários são os mecanismos pelos quais os microorganismos interagem com

os metais, conforme resumido na Figura 1:

A parede celular é considerada um complexo trocador de íons,

similar a uma resina. A capacidade de troca iônica depende da presença

de grupos funcionais e da estrutura espacial da própria parede

celular. Dentre os principais grupos funcionais responsáveis por

mecanismos de captação de metais, podemos citar a carboxila, o grupo

amino, sulfato e fosfato, que são responsáveis pela captação de

cátions metálicos, seja por atração eletrostática ou por formação de

ligações. Portanto, essa interação pode ser particularmente

pronunciada no caso de íons metálicos devido às características

aniônicas da parede celular.


Acúmulo de metais pesados por microorganismos

Materiais de origem biológica como os biossorventes possuem a

capacidade de adsorver e/ou absorver íons metálicos dissolvidos. Entre

estes materiais estão os microorganismos (bactérias, microalgas e

fungos) vegetais macroscópicos (algas, gramíneas, plantas aquáticas).

Partes ou tecidos específicos de vegetais como casca, bagaço, e

sementes também apresentam a capacidade de acumular metais pesados.

Materiais de origem mineral (zeolitas, bentonitas, caulinita,

diatomita, etc.) possuem a capacidade de remover íons metálicos do

meio aquoso podendo ser utilizados no tratamento de águas. Subprodutos

industriais de origem mineral (argilas, pirita, dolomita,

arsenopirita, etc.) também foram avaliados na remoção de íons

metálicos tóxicos de soluções aquosas. A capacidade de remoção, assim

como os mecanismos de acumulação, varia de acordo com a espécies

microbiana, ou até mesmo com a linhagem. As células microbianas têm

potencial para remover metais de soluções, empregando metabólitos

excretados, parede celular e polissacarídeos. Fatores externos como pH

temperatura, ausência ou presença de nutrientes e outros metais também

influenciam no mecanismo atuante conseqüentemente, na eficiência e

seletividade de acumulação.

Mecanismos de captação microbiana para remoção de metais pesados

Biossorção

A acumulação de metais pesados, por mecanismos independentes do

metabolismo celular se dá através de interações fisico-químicas entre

o metal e constituintes da parede celular, de exopolissacarídeos e

outros materiais associados à face externa da membrana celular. A

independência do metabolismo ocorre pelo fato de não ser necessário o

gasto energético por parte da célula microbiana, para que haja

captação dos íons metálicos. A remoção neste caso pode ocorrer tanto

em células vivas quanto em células mortas.

Bioacumulação

O transporte de íons de metais pesados através da membrana

celular e sua acumulação intracelular são dependentes do metabolismo,


ou seja, ocorrem somente em células vivas, capazes de gerar energia. A

remoção de íons metálicos por este tipo de mecanismos é usualmente

mais lento que o mecanismo de adsorção físico-químico. Em

contrapartida maiores quantidades de metal podem ser acumuladas. A

fonte de energia, presença de inibidores metabólicos, temperatura e

luminosidade são os principais fatores que afeta este tipo de

acumulação. Os mecanismos de transporte envolvidos não acumulação de

metais pesados são pouco conhecidos. Uma das suposições seria a de que

os metais pesado podem ser captados pelos sistemas de transporte de

metais essenciais para o desenvolvimento microbiano . Uma vez dentro

da célula, os íons metálicos podem se localizar em organelas, ou podem

estar ligados a proteínas, deslocando os íons adequados de suas

posições, prejudicando as funções metabólicas. Como uma tecnologia

alternativa, os biosurfactantes produzidos por bactérias e fungos

poderiam ser usadas para a remediação ambiental de metais pesados de

solos, superfícies e águas subterrâneas.

Na figura 2 mostra-se um esquema sobre os mecanismos de interação

entre metais e células microbianas.


Microorganismos no tratamento de águas residuais

Assim como a água, também o tratamento dos esgotos envolve o

trabalho de vários operários que trabalham dia e noite nas estações de

tratamento, para poder lançar a água com a qualidade no corpo

receptor.

A escolha do processo de tratamento de esgoto depende do grau de

tratamento exigido pelo corpo receptor, ou seja, rios, lagos e outros.

Entre os processos existentes de tratamento de esgoto apresentamos

alguns dos mais utilizados:

1. Pré-tratamento

2. Lagoa de Estabilização

3. Lodos ativados

4. Filtro Biológico.

1 – O pré-tratamento

O pré-tratamento é feito já no processo de coleta dos esgotos,

deixando-os livres de materiais grosseiros e areia. Mesmo assim é

comum a utilização de um sistema de grades e caixa de areia no sistema

de esgotos.

2 – Lagoas de estabilização

Processo simples e natural para tratar esgotos domésticos, tendo

como principal objetivo remover matéria orgânica. É indicado para as

condições brasileiras devido ao clima favorável, suficiente

disponibilidade de área, à operação simples e à utilização de poucos

equipamentos.

As lagoas de estabilização podem ser classificadas em três

tipos: lagoas anaeróbias, lagoas facultativas e lagoas de maturação.

Lagoas anaeróbias: São lagoas com profundidades da ordem de 3 a

5 metros, cujo objetivo é minimizar ao máximo a presença de

oxigênio para que a estabilização da matéria orgânica ocorra

estritamente em condições anaeróbias. A eficiência nesse tipo

de sistema poderá atingir até 60% na remoção de DBO (Demanda

Bioquímica de Oxigênio) dependendo da temperatura.


Lagoas facultativas: São lagoas com profundidade de 1,5 a 3

metros. Nesse tipo de lagoa ocorrem 2 processos distintos:

aeróbios e anaeróbios. Na região superficial ocorrem os

processos fotossintéticos, realizados pelas algas, onde há

liberação de oxigênio no meio, favorecendo o processo aeróbico.

No fundo, quando a matéria orgânica tende a sedimentar,

acontecem os processos anaeróbios.

Lagoas de maturação: São lagoas com profundidades de 0,8 a 1,5 m

e sua principal função é remover patogênicos devido à boa

penetração de radiação solar, elevado pH e elevada concentração

de oxigênio dissolvido.

O arranjo desses três tipos de lagoas são os seguintes:

O sistema funciona em série com uma lagoa anaeróbia seguida de

três lagoas facultativas chicanadas.

A lagoa anaeróbia possui uma superfície relativamente grande com

profundidades úteis médias de 2,60 m junto aos diques e 3,30 na área

restante e a alimentação do esgoto bruto é feita na extensão da lagoa

de um canal ou duto.

As lagoas facultativas possuem profundidade média de 1,70 m, com

cortinas para direcionamento de fluxo.

3 – Lodos ativados

É um processo biológico onde o esgoto afluente, na presença de

oxigênio dissolvido, agitação mecânica e pelo crescimento e atuação de

microorganismos específicos, forma flocos denominados lodo ativado ou

lodo biológico. Essa fase do tratamento objetiva a remoção de matéria

orgânica biodegradável presente nos esgotos. Após essa etapa, a fase

sólida é separada da fase líquida em outra unidade operacional

denominada decantador. O lodo ativado separado retorna para o processo

ou é retirado para tratamento específico ou destino final.

Esse processo de tratamento de esgotos apresenta vantagens e

desvantagens:

Vantagens

exige pouca área para implantação;

maior eficiência no tratamento;


maior flexibilidade de operação;

Desvantagens

custo operacional elevado;

controle laboratorial diário;

operação mais delicada.

4 – Filtro biológico (Leito percolador)

Filtros biológicos são unidades de tratamento de esgotos

destinados a oxidação biológica da matéria orgânica remanescente de

decantadores.

O efluente do decantador é aspergido continuamente sobre um

leito de pedras justapostas entre os quais o ar pode circular.

O ambiente ecológico desempenhado pelo filtro biológico tem como

condicionantes a matéria orgânica, luz, oxigênio temperatura e pH. O

leito de pedras, atravessado por líquido contendo matéria orgânica e

os outros fatores acima citados, propicia o desenvolvimento de

microorganismos aeróbios. A variabilidade dos fatores de oxigenação

também permite desenvolvimento anaeróbico resultando uma alternância

de condições que permite a predominância de organismos facultativos.

As populações microbianas nos leitos dos filtros biológicos são

principalmente bactérias heterotróficas, são consumidoras da matéria

orgânica predominante e por isso consideradas os principais agentes

primários da purificação.

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