Biorremediação de bifenil policlorado - Bioremediation of polychlorinated biphenyl
Os bifenilos policorados , ou PCBs, são um tipo de produto químico amplamente utilizado nas décadas de 1960 e 1970 e que contamina o solo e a água. Eles são bastante estáveis e, portanto, persistentes no ambiente. A biorremediação de PCBs é o uso de microrganismos para degradar os PCBs de locais contaminados, contando com o co-metabolismo de múltiplos microrganismos. Os microrganismos anaeróbios eliminam o cloro dos PCBs primeiro, e outros microrganismos que são capazes de fazer a via do BH podem quebrar os PCBs desclorados em intermediários utilizáveis como acil-CoA ou dióxido de carbono . Se nenhum microorganismo capaz de via BH estiver presente, os PCBs desclorados podem ser mineralizados com a ajuda de fungos e plantas. No entanto, existem vários fatores limitantes para este co-metabolismo.
Visão geral
PCBs
Os bifenilos policlorados (PCBs) são vários produtos artificiais à base de bifenilos amplamente utilizados como fluido dielétrico , refrigerante industrial e lubrificantes nas décadas de 1960 e 1970. Não há evidências de que sua síntese ocorra naturalmente. Eles são classificados como poluentes orgânicos persistentes. Os PCBs compartilham a estrutura química básica do bifenil e um ou mais átomos de hidrogênio nos anéis aromáticos são substituídos por átomos de cloro.
Os PCBs estão na forma de um líquido viscoso em temperatura normal e têm baixa solubilidade em água. A estrutura do hidrocarboneto aromático dá aos PCBs uma estabilidade molecular relativamente alta. A substituição do cloro reforça ainda mais sua insolubilidade e estabilidade química. Portanto, a degradação dos PCBs no ambiente natural é muito lenta, podendo variar de 3 a 37 anos, dependendo do número de substituições de cloreto e de suas posições.
Biorremediação
A biorremediação é um método de remoção de resíduos que usa microorganismos para degradar ou remover resíduos como resíduos orgânicos e metais pesados de locais contaminados, incluindo solo e água. As vantagens da biorremediação são que ela é ecologicamente correta, econômica e pode remover vários resíduos simultaneamente em comparação com os processos químicos e físicos tradicionais.
Processo de Degradação
Vários microrganismos estão envolvidos em um processo de degradação de PCBs em duas fases, que ocorre em ambientes aeróbicos e anaeróbicos. A degradação dos PCBs é semelhante à degradação do bifenil. No entanto, os cloro dos PCBs evitam que sejam utilizados como substrato da degradação do bifenil. Devido à alta estabilidade química, os PCBs não podem ser usados como fontes de energia. No entanto, devido à cloração, os PCBs podem ser usados como aceptores de elétrons na respiração anaeróbica para armazenar energia, que também é o primeiro estágio da via de degradação, a decloração redutiva. Uma vez que os PCBs são desclorados em um certo grau, geralmente inferior a cinco clores presentes na estrutura e um anel aromático não tem cloro, eles podem sofrer a via de degradação do bifenil (via BP) para serem degradados em carbono acessível ou CO 2 no aeróbio meio Ambiente. A via BP é uma via que utiliza uma série de enzimas ( BphA , B, C, D, E, F, G) para converter bifenil em intermediários do ciclo de TCA ( piruvato e Acil-CoA ) e benzoato . No entanto, existem poucos microrganismos que podem eliminar o cloro do substrato em condições naturais. Mesmo com meios seletivos, o acúmulo de microrganismos desclorantes de PCB ainda é lento, o que é uma das razões para a lenta taxa de degradação. Como resultado, os PCBs geralmente passam por uma via de co-metabolismo que envolve diferentes espécies de microrganismos.
De um modo geral, existem quatro etapas neste processo:
- Para que os PCBs entrem na célula, eles primeiro precisam ser solubilizados.
- Os PCBs são desclorados por bactérias anaeróbias e, em seguida, transportam os metabólitos para bactérias aeróbias ou fungos por meio de um biofilme .
- A presença de metabólitos de PCBs desencadeia a expressão de enzimas na via BP.
- Os PCBs são decompostos em acetil-CoA e podem ser utilizados ou dióxido de carbono.
A Figura abaixo mostra o caminho de degradação completo.
Fatores limitantes
PCBs entrando nas células
Os PCBs têm baixa solubilidade em água, portanto, aderem firmemente ao solo e não podem ser facilmente acessados por bactérias. Especialmente, se o local de contaminação foi exposto a PCBs por um longo período, os PCBs podem ser integrados em matrizes de solo ou sedimento, diminuindo ainda mais sua biodisponibilidade. Alguns surfactantes podem ajudar a solubilizar, mas não podem aumentar a taxa de degradação dos PCBs. No entanto, se os PCBs também estiverem ligados aos surfactantes, esse processo não pode promover a absorção de PCBs e até mesmo reduzi-la. Além disso, foi comprovado que muitos surfactantes são tóxicos para as células e o alto custo dos surfactantes é outro problema.
Propriedades de PCBs
Os PCBs são tóxicos para as comunidades bacterianas acima de 1000 mg / kg. No entanto, se a concentração for muito baixa (inferior a 50 mg / kg), a degradação diminui significativamente, pois não há material suficiente para estimular a expressão dos genes necessários e apoiar o crescimento de microrganismos competentes. Os PCBs incluem vários compostos diferentes com estruturas ligeiramente diferentes. Essas pequenas diferenças fazem grandes diferenças na taxa metabólica. De modo geral, quanto mais cloro houver em uma molécula de PCB, mais difícil será sua degradação. Em particular, os microorganismos não podem degradar bem substituídos di- e tetra-orto. É possível que essas estruturas evitem que as enzimas acessem os locais de reação.
Características do solo e sedimento
Primeiro, as estruturas do solo e dos sedimentos determinarão o quão firmemente os PCBs estão aderidos a eles e afetarão a absorção dos PCBs nas células. A disponibilidade de PCBs sofre com o aumento do teor de carbono orgânico e argila, pois promovem a absorção de PCBs no solo ou em matrizes sedimentares. Em segundo lugar, o solo contém a nutrição necessária para o crescimento de micróbios e ambientes anaeróbicos e aeróbicos. Finalmente, a população microbiana local tem impactos significativos na taxa de degradação dos PCBs, que varia de acordo com as cepas microbianas e suas atividades. Então, se não houver histórico de exposição aos PCBs, pode levar meses para que os micróbios ativem sua capacidade de eliminar o cloro e quebrá-los.
Expressão gênica e efeito de gargalo de metabólitos
PCBs ou bifenil não podem fornecer energia para micróbios, então eles são fontes primárias de energia e carbono. Como afirmado antes, às vezes leva meses para que os microorganismos ativem seu gene para dicloro após a primeira exposição aos PCBs. Foi proposto o uso de análogos para promover a ativação de genes. No entanto, mesmo depois que a via metabólica é ativada, os intermediários da via criam um efeito de gargalo devido à sua toxicidade. Além disso, existe a possibilidade de que a via da BP leve à protoanemonina, que é um metabólito sem saída que não pode ser utilizado pelas células. Devido ao alto custo de energia dessa via, se não houver fonte de energia preferencial presente no sistema, as células não ativarão essa via.