Biorremediação

Biorremediação

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36 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005

Meio ambiente

Christine Claire Gaylarde

Microbiologista, M.Sc., Ph.D., Profa. do Depto. de Biofísica, UFRGS cgaylarde@yahoo.com

Biorremediação é um processo no qual organismos vivos, normalmente plantas ou microrganismos, são utilizados tecnologicamente para remover ou reduzir (remediar) poluentes no ambiente. Este processo biotecnológico de remediação tem sido intensamente pesquisado e recomendado pela comunidade científica atual como uma alternativa viável para o tratamento de ambientes contaminados, tais como águas superficiais, subterrâneas e solos, além de resíduos e efluentes industriais em aterro ou áreas de contenção. Embora outras tecnologias que usam processos físicos e/ou químicos sejam também indicadas para descontaminar ambientes poluídos, o processo biológico de biorremediação é uma alternativa ecologicamente mais adequada e eficaz para o tratamento de ambientes contaminados com moléculas orgânicas de difícil degradação e metais tóxicos.

As moléculas orgânicas de difícil degradação, denominadas “recalcitrantes”, podem ser de origem natu- ral, sintetizadas pelo metabolismo biológico, ou sintéticas, produzidas por tecnologias industriais modernas e estranhas ao ambiente natural, por esta razão denominadas “xenobióticas” (xenos, do grego = estrangeiro). Estas moléculas xenobióticas, introduzidas no ambiente desde o início do século X, compreendem vários tipos de compostos, aplicados na industria química e de materiais, tal como agrotóxicos, corantes, fármacos, polímeros e plásticos, podendo ser tóxicas a sistemas biológicos e/ou recalcitrantes, uma vez que não fazem parte do conjunto de moléculas produzidas pelo metabolismo evolutivo que propicia a vida na Terra. Muitos dos xenobióticos e/ou seus produtos de degradação resultam em efeitos nocivos e/ou mutagênicos aos organismos vivos, podendo levar à eliminação seletiva de indivíduos e acarretar modificações na estrutura ecológica e funcional da comunidade biológica.

Por estas razões há, atualmente, uma grande preocupação em se desenvolverem biotecnologias para descontaminar ambientes poluídos por xenobióticos. Os processos biológicos de descontaminação, enquadrados na categoria de biorremediação, utilizam, geralmente, microrganismos autóctones (do próprio ambiente) ou introduzidos (em estado nativo ou geneticamente modificados) com capacidade de biodegradar xenobióticos, resultando em produtos de degradação com estrutura menos recalcitrante em relação

Maria De Lourdes Bellinaso

Bioquímica, M.Sc., Ph.D., Profa. do Depto. de Biologia e Química, UNIJUÍ malou@cpovo.net

Gilson Paulo Manfio

Biólogo, M.Sc., Ph.D., Pesquisador da Natura Inovação e Tecnologia em Produtos Ltda gilsonmanfio@natura.net à molécula original, ou na mineralização do xenobiótico, produzindo compostos químicos sim-

Biodegradação dos xenobióticos

O sistema metabólico que se tem mostrado mais apto para biodegradar moléculas xenobióticas recalcitrantes, nos processos de biorremediação, é o microbiano, uma vez que os microrganismos desempenham a tarefa de reciclar a maior parte das moléculas da biosfera, participando ativamente dos principais ciclos biogeoquímicos e, representando, portanto, o suporte de manutenção da vida na Terra. Esta extraordinária diversidade metabólica se deve à combinação do potencial genético individual das diferentes espécies microbianas em um sistema natural, com enzimas e vias metabólicas que evoluíram ao longo de bilhões de anos, e a capacidade de metabolismo integrado apresentada pela comunidade microbiana em conjunto: produtos do metabolismo de um microrganismo pode ser substrato para outros. Este intenso sinergismo metabólico entre microrganismos, praticamente ausente nos organismos mais complexos, é de fundamental importância na biodegradação de xenobióticos. Muitos fatores ambientais de natureza física, química e biológica influenciam na capacidade de um sistema microbiano de biodegradar uma

Aspéctos biológicos e técnicos da biorremediação de xenobióticos Imagens cedidas pelos autores

Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 37 molécula.

Fatores físicos e químicos

Os principais parâmetros físicos que influenciam na degradabilidade são: natureza física da matriz onde o composto é encontrado (solo, água, sedimento), temperatura e luz. Por exemplo, ambientes complexos, tais como solos e sedimentos, têm a propriedade de, através da atração de cargas opostas, adsorver moléculas, diminuindo, desta maneira, a biodisponibilidade do poluente. Nas regiões temperadas do globo, a atividade metabólica de microrganismos pode ser reduzida em função das baixas temperaturas médias anuais, reduzindo, conseqüentemente, a taxa de degradação de poluentes nestas áreas.

Diversos fatores químicos podem influenciar, acelerando ou reduzindo, a taxa de degradação de um poluente. Entre estes fatores incluem-se a composição química da matriz ambiental, que define a capacidade nutritiva, o pH, umidade, teor de oxigênio dissolvido, o potencial redox do meio e a composição e estrutura química do poluente. Metais pesados, quando presentes, podem interagir com enzimas produzidas pelos microrganismos, inibindo a sua atividade e, por conseguinte, a capacidade degradativa destes. Por outro lado, concentrações adequadas de metais que têm ação de cofatores enzimáticos podem melhorar a capacidade degradativa do meio. A presença de outros compostos xenobióticos de estrutura simples pode também dificultar o metabolismo de moléculas mais complexas, pois a comunidade microbiana se direcionaria seu metabolismo para degradar, preferencialmente, os menos complexos.

Como exemplo da influência da estrutura química na degradação de um poluente, pode-se citar a alta persistência de compostos nitroaromáticos no ambiente. Apesar de intensos esforços, ainda não foram isoladas bactérias capazes de mineralizar muitos dos nitroaromáticos produzidos pelo homem, como, por exemplo, o TNT (utilizado em explosivos) e os herbicidas orizalin e trifluralina. Os três compostos apresentam, em comum, três grupos nitro no anel aromático que dificultam sua mineralização.

Fatores biológicos

A biodegradação de um composto químico no meio ambiente depende, sobretudo, da presença de uma população de microrganismos capaz de metabolizar a molécula original e seus produtos de degradação. Não existem, na biosfera atual, rotas enzimáticas catabólicas capazes de degradar todos os compostos novos que a cultura humana sintetizou durante os últimos 100 anos. Sabe-se, entretanto, que alguns xenobióticos podem ser biodegradados por microrganismos que possuam enzimas capazes de catabolizar moléculas específicas, ou mesmo pela ação conjunta de consórcios microbianos, em que cada microrganismo atua individualmente sobre diferentes etapas do processo de biodegradação.

A biodegradação é mais provável quando a estrutura química do xenobiótico é semelhante à estrutura de moléculas naturais. Por exemplo, existe uma grande diversidade de moléculas naturais com estruturas complexas, tais como a lignina, rica em anéis benzênicos - estrutura molecular natural mais abundante na biosfera depois da glicose -, os esteróides, os terpenos e compostos halogenados naturais, que ocorrem em grande abundância e são normalmente metabolizados por microrganismos no ambiente.

As enzimas que catabolizam a degradação de compostos naturais podem apresentar baixa especificidade pelo seu substrato e, desta maneira, os xenobióticos com estrutura química semelhante a compostos naturais podem ser reconhecidos pelo sítio ativo da enzima, possibilitando, assim, que sejam quimicamente transformados. Quando o xenobiótico tem a possibilidade de percorrer todos os passos catalíticos de uma determinada rota catabólica enzimática, provavelmente ele se torna uma possibilidade nutritiva para o microrganismo, sendo os produtos de sua degradação aproveitados pelo seu metabolismo construtivo e energético. Porém, quando o composto é apenas parcialmente degradado, por ação de uma ou mais enzimas de uma rota catabólica sem que o produto resultante contribua para a sobrevivência do microrganismo, esta transformação metabólica é denominada de “co-metabolismo”.

O produto do co-metabolismo, muitas vezes, pode servir de substrato para transformações enzimáticas de outras espécies microbianas, possibilitando a degradação completa do xenobiótico (mineralização). O cometabolismo, aparentemente uma transformação fútil quando analisada sob a ótica de um microrganismo isolado, tem um papel importante nas biotecnologias de remediação de sítios contaminados, pois, geralmente, nenhum microrganismo possui todas as enzimas necessárias para a metabolização completa de um xenobiótico.

Trocas de material genético podem ocorrer entre microrganismos na natureza e constituem um outro fator que contribui para o potencial biodegradador de uma comunidade. Muitas rotas catabólicas de compostos complexos estão localizadas no genoma plasmidial. Plasmídeos podem ser trocados entre bactérias de uma mesma espécie, ou mesmo entre microrganismos de espécies diferentes, através de mecanismos de conjugação ou transformação de células naturalmente competentes (células com capacidade de assimilar DNA exógeno na natureza). Estes processos de intercâmbio de material genético favorecem a disseminação de genes, e, conseqüentemente, a disseminação potencial de enzimas relacionadas ao metabolismo catabólico de uma molécula recalcitrante.

Obviamente, as características físico-químicas e nutricionais do meio externo e o compartimento intracelular microbiano estão estritamente relacionados. Mesmo que um sistema microbiano porte todos os requisitos bioquímicos e genéticos necessários para a degradação de um xenobiótico, se as características físico-químicas e componentes nutricionais do meio não condizem

38 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 com as necessidades metabólicas do microrganismo, a biodegradação não ocorrerá.

Visão interdisciplinar

A pesquisa técnico-científica, com o objetivo de tornar os fenômenos naturais mais facilmente compreensíveis, geralmente enfoca o estudo de parâmetros físicos, químicos e biológicos relacionados à degradação de maneira separada. Como abordado anteriormente, estes parâmetros são estritamente relacio- nados em um processo de biorremediação. Por esta razão, a implementação de processos de remediação em um ambiente contaminado requer a condução de um estudo detalhado, com uma visão interdisciplinar, envolvendo profissionais de diferentes áreas de conhecimento, como microbiologia, bioquímica, biologia molecular, química orgânica e analítica e engenharia.

Por exemplo, é necessário um conhecimento aprofundado das características químicas da molécula xenobiótica que se pretende eliminar em um processo de biorremediação, uma vez que a estrutura química influencia vários aspectos do metabolismo biológico. A presença de grupos químicos na estrutura molecular, como halogênios,

-NO2, -SO3H, CN, -CH3, -CF3, -NH2 , -

OCH3, bem como arranjos específi- cos destes radicais na cadeia de carbono, que interferem na distribuição eletrônica da molécula (propriedades enantioméricas ou quirais), pode dificultar a catálise enzimática, con-

Avaliação da natureza do ambiente contaminado (p.ex., solo, sedimento, aqüífero)

Caracterização da contaminação (natureza do composto, quantidade, distribuição)

Planejamento do tipo de biorremediação (análises biológicas, geológicas, geofísicas, hidrológicas)

Decisão por biorremediação in-situ ou ex-situ

Utilização de plantas(fitorremediação)Utilização de microrganismos

Seleção e introdução deplantas GEPs

(geralmente alóctones com as propriedades de interesse)

(introdução de plantas geneticamente modificadas)

Bioestimulação

(favorecimento de populações de microrganismos autóctones degradadores)

Bioaumentação (introdução de microrganismos degradadores)

OGMs (introdução de microrganismos geneticamente modificados)

Autóctones (isolamento e seleção de microrganismos com as propriedades de interesse a partir de amostras do ambiente a ser tratado)

Alóctones (seleção de microrganismos com as propriedades de interesse a partir de material ex situ disponível em coleções de culturas ou outras fontes)

Propagação e introdução no ambiente

Monitoramento do processo e intervenções para ajuste

Figura 1. Esquema geral das etapas para definição e implementação de um processo de biorremediação

Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 39 ferindo à molécula maior recalcitrância. Por exemplo, os detergentes sintéticos alquilbenzeno sulfonados, comercializado nos anos 60-70, provocaram sérios impactos ambientais decorrentes de elevado grau de persistência no ambiente. Espessas camadas de espumas se acumulavam nos rios, acarretando grande mortandade de peixes. Pesquisas biológicas mostraram que a sua alta persistência no ambiente estava relacionada à presença de três grupos metilas na molécula. Um novo desenho químico da molécula, em que foram retirados os grupos metilas, permitiu o aumento da biodegradabilidade destes detergentes sintéticos, diminuindo, desta maneira, o impacto ambiental.

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