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Introdução à Biorremediação

Michaye McMaster

Geosyntec Consultants [email protected]

Ms. Michaye McMaster • Michaye has more than 18 years of

experience in managing and leading complex contaminant hydrogeology investigations, including numerous full-scale enhanced in situ bioremediation projects. She holds B.Sc. And M.Sc. degrees in biology and hydrogeology, and has provided advice to the United States Air Force, USGS, DuPont, and others on bioremediation issues.

Ms. Michaye McMaster

Resumo

Definições

Fundamento da Tecnologia

• Como ocorre a Biodegradação dos Contaminantes

A importância da Decloração Redutiva Estimulada (DRE)

Guias Recentes

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Existem tanto relatórios técnicos, como relatórios de custos e guias.

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Microrganismos

Microrganimos (bactérias) estão em todo lugar.

• Para cada grama de solo existem 105 - 107 bactérias.

Como todos os organismos, as bactérias precisam comer e respirar. Elas comem doadores de elétrons e respiram aceptores de elétrons.

Bactérias também precisam de água e abrigo (superfícies minerais). Portanto, elas sobrevivem em ambientes extremos: de -25o até 120o C e de pH < 2 até pH > 12

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Terminologias e Definições

Biodegradação (ou biotransformação)

• Conversão biológica de um composto a outro

Biorremediação

• Uso de projetos de engenharia para aumentar ou estimular a biodegradação

Mineralização

• Conversão de um composto orgânico a compostos inorgânicos

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Processo de Transformação Biogeoquímica

Os contaminantes são degradados em reações abióticas com minerais formados naturalmente ou que são biogenicamente produzidos no subsolo

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Aeróbico

• Presença de oxigênio

Anaeróbico

• Ausência de oxigênio

Abiótico

• Reação exclusivamente física ou química

• Bactérias não estão envolvidas – mas podem conduzir reações redox a níveis onde ocorre o meio abiótico.

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Doador de elétron

• Um composto que doa elétrons durante a oxidação

• Compostos orgânicos simples como açúcares, álcoois, ou metano podem ser oxidados a dióxodo de carbono (CO2)

Aceptor de elétron

• Um composto que recebe elétrons durante a redução

• Compostos inorgânicos como oxigênio, nitrato, sulfato, metais oxidados, ou CO2 são reduzidos à água , nitrogênio gasoso, sulfeto de hidrogênio, metais dissolvidos, ou metano, respectivamente

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Nitrato-Redução

• Conversão do nitrato (NO3-) via nitrito (NO2-) a nitrogênio gasoso (N2)

Ferro-Redução

• Conversão do Fe3+ (ex.: óxido de ferro insolúvel) a Fe2+ (ferro dissolvido)

Sulfato-Redução

• Conversão do sulfato (SO42-)

a sulfeto de hidrogênio (H2S)

Metanogênense

• Produção do metano a partir do CO2 ou de outros compostos orgânicos

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Quais Microrganismos são Importantes na Biodegradação?

As bactérias são as mais importantes

Os fungos desempenham função no solo, mas não são tão importantes na água subterrânea

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Do quê os micróbios precisam para crescer?

Como todos os seres vivos, microrganisos precisam

Comida

• Fornecimento de carbono

• Fornecimento de energia

Substrato para respiração

• Algo para “respirar”

Nutrientes minerais

Água

Geralmente da mesma fonte

Alguns usam oxigênio

como “aceptor de

elétron,” outros podem

usar fontes alternativas,

incluindo solventes

clorados

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Comida

O2 CO2 + H2O

Crescimento Microbiano Aeróbico

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Comida

Mn2+

N2

Fe2+

S2-

CH4

O2

Mn4+

NO3-

Fe3+

SO42-

CO2 + H2

Crescimento Microbiano Anaeróbico

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CO2, Orgânicos

SO42-

Mn (IV)

Fe (III)

NO3-

O2 Re

nd

ime

nto

En

erg

étic

o Baixo

Alto

Ordem de Preferência dos Aceptores de Elétrons

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Principais Mecanismos de Biodegradação

Ambiente Aeróbico

• Oxidação aeróbica

• Co-metabolismo (co-oxidação)

Ambiente Anaeróbico

• Oxidação anaeróbica

• Decloração redutiva

Abiótico

• Mediada por condições anaeróbicas ou aeróbicas

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Oxidação Aeróbica

Os microrganismos usam os contaminantes como fonte de alimento e ganham energia e carbono da sua biodegradação

Contaminante = doador de elétrons

Oxigênio = receptor de elétrons

Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns PAHs, alguns solventes clorados (1,2-DCA, VC)

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Benzeno

O2 CO2 + H2O

Oxidação Aeróbica

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Oxidação Aeróbica- Microbiologia

Uma grande variedade de microrganismos pode realizar estes processos de oxidação

A atividade é considerada abíqua; a bioadição não é requerida

A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio

Solubilidade de oxigênio é limitada por isso as concentrações tratáveis são baixas

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Oxidação Aeróbica Considerações de design

O suprimento de ar (borbulhamento X peróxido de hidrogénio x sólidos peroxigenados)

Raio / área de influência

Solubilidade de oxigênio

Outros consumidores de oxigênio (demanda biológica de oxigênio, reações inorgânicas)

Incrustação

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Co-metabolismo Aeróbico

Oxidação fortuita de VOCs por bactérias que crescem aerobicamente em doadores de elétrons

• Metano, Etano, Propano, Butano

• Tolueno, Fenol

Microrganismos não ganham energia a partir de biodegradação fortuita do VOC

Oxigênio = receptor de elétrons

Ocorre para uma vasta gama de solventes clorados

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Comida

(CH4)

O2 CO2 + H2O

TCE CO2 + H2O + Cl-

Co-metabolismo Aeróbico

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C C Cl

H Cl

Cl

C C

Cl

H Cl

Cl

O

+ Cl- C C

Cl

Cl O

OH

H CO2 + H2O + Cl-

Bactéria Co-metabólica

Hidrólise Química

Bactérias gerais do Subsolo

TCE

TCE-Epoxide

Co-metabolismo Aeróbico - Processo

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Co-metabolismo Aeróbico - Microbiologia

Uma variedade de microrganismos podem mediar reações co-metabólicas

Os microrganisms são ubíquos

A atividade pode ser estimulada pela adição de oxigênio e de co-metabólito

As culturas foram desenvolvidas para a bioadição

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Co-metabolismo Aeróbico Considerações de Design

PCE e CT não são degradados pelo co-metabolismo aeróbico

Toxicidade de intermediários (epóxidos) para bactérias co-metabolizantes (altamente reativa na célula)

Razões molares de substrato consumido para contaminantes degradado relativamente elevadas (frequentemente> 10: 1)

Diferentes enzimas com diferentes capacidades para degradar os solventes clorados

Balanceamento de entrega do ar e de co-metabolito

Segurança (por exemplo, metano, propano)

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Oxidação Anaeróbica

Microrganismos ganham energia e carbono

O Contaminante é o doador de elétrons

Outros compostos inorgânicos além do oxigênio servem como receptores de elétrons (por exemplo, NO3, SO4)

Aplica-se a BTEX / hidrocarbonetos, alguns solventes clorados (1,2-DCA, DCM)

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Tolueno

Mn4+

NO3-

Fe3+

SO42-

CO2 + H2

Mn2+

N2

Fe2+

S2-

CH4

O2

CO2 + H2O

Oxidação Anaeróbica

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Oxidação Anaeróbica - Microbiologia

Vários microrganismos mediam processos específicos

Ocorre amplamente no ambiente e a atividade pode ser induzida por manipulação de Geoquímica

Bioadição não requerida

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Oxidação Anaeróbica Consideraçãoes de Design

Adição de compostos regulados (por exemplo, nitrato)

Manipulação das condições redox

Incrustações (embora menos preocupante que na oxidação aeróbica)

Intermediários de degradação (por exemplo, acetato e H2 a partir de DCM) podem alimentar outros processos anaeróbicos

Outros consumidores de elétrons

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Decloração Redutiva

Substituição em sequência de átomos de cloro por átomos de hidrogênio

Ocorre em condições redutoras

COVs = receptor de elétrons

Compostos orgânicos simples ou hidrogênio = doadores de elétrons

Aplica-se a maioria dos solventes clorados

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Doador de Elétrons

TCE Eteno + Cl-

O2

H2

Decloração Redutiva

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Decloração Redutiva Microbiologia

Bactérias específicas que realizam estas reações

• PCE, TCE, DCE, VC = Dehalococcoides

• TCA, DCA = Dehalobacter

Estas bactérias não estão presentes em todos os sites.

O bioadição é muitas vezes necessário.

A atividade pode ser estimulada pela adição de dadores de eletrons.

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Decloração Redutiva Considerações de Projeto

Manipulação das condições redox

Doador de elétrons meia-vida e geração de hidrogênio

Esgotamento dos receptores de elétrons concorrentes (por exemplo, NO3, SO4)

Potenciais inibidores - clorofórmio, TCA

Balanço de massas

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Tetracloroeteno

(PCE)

Condições Aeróbicas Condições Anaeróbicas

decloração redutiva

Tricloreteno

(TCE)

Dicloroeteno

(DCE)


Cloreto de Vinila

(VC)


Eteno


CO2

oxidação

CO2

CO2

CO2

co-metabolismo

co-metabolismo

co-metabolismo CO2

oxidação anaeróbica

Etano

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Caminhos da Degradação de PCE/TCE

1,1,1-Tricloroetano

(TCA)

1,1-Dicloroetano

(1,1-DCA)

Cloroetano

(CA)



Etano



CO2

co-metabolismo

(metanotrópicos)

(oxidadores de propano)

co-metabolismo

(metanotrópicos) CO2

oxidação CO2

1,1-DCE


Etanol

CO2

VC

Eteno CO2

Acetato

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Caminhos da Degradação de 1,1,1-TCA

1,2-Dicloroetano

(1,2-DCA)

Cloroetano (CA)

Etano


VC

Eteno Etanol

Cloroetanol

CO2

Cloroacetato

CO2

decloração

redutiva

decloração

redutiva

36

Caminhos da Degradação de 1,2-DCA

Cloroformio

(CF)

Diclorometano

(DCM)

Clorometano

(CM)


decloração

redutiva

Metano

(CH4)

decloração

redutiva

decloração

redutiva

CO2, CO, CSO, CS2

acetato, ácido fórmico

CO2

Metanotiol

Sulfureto de dimetilo

acetato, CO2 oxidação

Tetracloreto de Carbono

CT) CO2 denitrificação

redução/

co-metabolismo/

sulfato-redução decloração

redutiva

CO2

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Caminhos da Degradação de CT/CF/DCM

A Importância da DRE (e Dehalococcoides)

Decloração Redutiva Estimulada

Os solventes clorados estão entre os contaminates mais desafiadores do solo e água para se remediar.

Certas bactérias anaeróbicas podem usar compostos clorados (halogenados) como aceptor de elétrons e substituir uma molécula de cloro com um átomo de hidrogênio (halorespiração).

As bactérias podem obter energia para o metabolismo e crescimento por halorespiração, mas um doador de eletrons adicional é necessário para fornecer carbono.

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Dehalococcoides (Dhc)

BAV1

Strain 195 CBDB1

He, J. et al., (2003)

Nature (424), 63

From Adrians et al. From Stephen Zinder, Cornell

Únicas, organismos muito pequenos

Baixas taxas de crescimento em isolamento; maiores taxas de crescimento em cultura mista

Dhc têm diferentes capacidades metabólicas

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As relações entre Dehalococcoides e outros microrganismos

Todas as culturas mistas que produzem etileno contém

um organismo no grupo Dehalococcoides

Outras bactérias dehalorespiratórias só causam

decloração parcial, e podem competir por hidrogênio

Microrganismos Fermento/acetogênicos

desempenham papéis essenciais para os decloradores

Fornecem nutrientes essenciais

• Compostos de fermentação, hidrogênio

• Equilibram Eh, redox, controle contra outros compostos.

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Dehalococcoides in KB-1

Atomic Force Microscopy (AFM) image courtesy

of Elizabeth Edwards, University of Toronto

Mensagens para levar pra casa

Bioremediação é efetiva em áreas de plumas e áreas fontes de DNAPL

Alguns contaminantes podem inibir degradação

Nem todos os sites exigem bioadição

DHC é crítica para degradar PCE em eteno

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Obrigada!

Mais informações:

[email protected]

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