Biodegradação BTEX em Microcosmos

A introdução contextualiza o problema da contaminação de aquíferos por derivados de petróleo, focando principalmente nos compostos benzeno, tolueno e xilenos (BTX), presentes na gasolina. A gravidade do problema é destacada pela importância dos aquíferos como reservatórios de água doce, essenciais para o abastecimento da população. A contaminação por BTX torna a água imprópria para consumo humano devido à alta toxicidade desses compostos. A biodegradação, processo de consumo dos contaminantes por bactérias, é apresentada como uma das principais estratégias de tratamento para a remediação dessas águas contaminadas. A escassez de água potável no planeta e a crescente contaminação de aquíferos reforçam a urgência de encontrar métodos eficazes e sustentáveis de tratamento de águas contaminadas. O texto também destaca que 30% da água doce do planeta está confinada em aquíferos, mostrando a importância da sua proteção e remediação em casos de contaminação. A solubilidade de benzeno, tolueno e o-xileno em água é apresentada, mostrando seus altos níveis de solubilidade em água, indicando maior facilidade de contaminação e movimentação pela água subterrânea.

Esta seção aborda diferentes métodos de remediação de águas subterrâneas contaminadas por petróleo e seus derivados, com ênfase nos compostos BTX. A biodegradação anaeróbica é apresentada como uma alternativa viável, destacando a utilização de receptores de elétrons como estratégia para estimular o processo. São mencionados exemplos de receptores de elétrons como nitrato, ferro (III), sulfato e dióxido de carbono, com a sulfatorredução sendo o foco principal do estudo. As condições para a ocorrência da biodegradação, incluindo a influência de parâmetros como pH, temperatura, e potencial redox são discutidas, ressaltando a importância do ambiente anóxico para a biodegradação anaeróbica. São mencionadas diferentes técnicas de remediação in situ, como bioventilação, aspersão de ar e bioestimulação com receptores de elétrons. A escolha da técnica ideal depende da demanda de contaminante e das características do local afetado. Em situações de escassez de nutrientes e receptores de elétrons, são necessárias tecnologias ativas de remediação para acelerar o processo de descontaminação. A bioestimulação anaeróbica é apontada como uma tecnologia economicamente viável, pois utiliza receptores de elétrons mais estáveis quimicamente que o oxigênio.

A metodologia descreve em detalhes o uso de microcosmos para simular um aquífero contaminado. Solo e água da Fazenda Ressacada foram utilizados na montagem dos microcosmos, aos quais foram adicionados benzeno, tolueno, o-xileno e sulfato de sódio. A criação de condições anóxicas foi obtida através da purga com nitrogênio gasoso antes do lacre dos frascos. O monitoramento ocorreu a cada 15 dias, sacrificando um microcosmo para análise. A análise dos compostos BTX foi realizada por cromatografia gasosa com detector de ionização de chama. Outras análises foram realizadas para quantificar outros íons e metabólitos, utilizando técnicas como espectrofotometria para a determinação de ferro II e sulfeto, e cromatografia líquida para a determinação de ânions como acetato, brometo, cloreto, nitrato, nitrito, fosfato e sulfato. A preparação das amostras de solo para análise de Fe(II) envolveu a extração com ácido clorídrico. A quantificação de bactérias totais, arqueas e sulfatorredutoras foi feita através da técnica de PCR quantitativo. Detalhes sobre os equipamentos e reagentes utilizados em cada etapa são fornecidos, incluindo informações sobre padrões e métodos de calibração. A concentração de sulfato de sódio utilizada foi de 10 mg L⁻¹.

A metodologia centralizou-se na construção de microcosmos para simular um aquífero contaminado. Amostras de solo (20g) e água (98mL) foram coletadas na Fazenda Ressacada e utilizadas na montagem dos microcosmos. Cada microcosmo recebeu uma concentração de 60 mg L⁻¹ de benzeno, tolueno e o-xileno (BTX), além de 10 mg L⁻¹ de sulfato de sódio, atuando como receptor de elétrons na biodegradação anaeróbica. Antes da adição dos contaminantes, os microcosmos foram purgados com nitrogênio gasoso para criar um ambiente anóxico, essencial para o desenvolvimento das bactérias sulfatorredutoras. Após a purga e a adição dos compostos, os frascos de penicilina (100mL) foram lacrados e mantidos sob controle de temperatura e luz. Um total de 20 microcosmos foram preparados, sendo que um era sacrificado a cada 15 dias para análise dos compostos BTX através de cromatografia a gás com detector de ionização de chama. O controle rigoroso de temperatura entre 23-27°C e a manutenção no escuro visavam minimizar interferências externas no processo de biodegradação. A escolha da Fazenda Ressacada como fonte de solo e água demonstra a utilização de uma amostra representativa para simulação de condições reais de aquíferos.

Além da análise dos compostos BTX, o estudo incluiu a quantificação de diversos outros parâmetros para uma avaliação completa do processo de biodegradação. A espectrofotometria foi utilizada para análise de ferro II e sulfeto. A cromatografia líquida permitiu a determinação de ânions como acetato, brometo, cloreto, nitrato, nitrito, fosfato e sulfato. A cromatografia a gás, além dos BTX, também foi utilizada para quantificar o metano, um produto metabólico importante do processo. A escolha das técnicas analíticas demonstra a abrangência do estudo, visando analisar não apenas os contaminantes, mas também o consumo de sulfato e a produção de metabólitos, fornecendo subsídios para a compreensão do processo de biodegradação. Para a quantificação dos BTX e metano, foi utilizada cromatografia gasosa, com as amostras sendo submetidas à extração por adsorção em fase sólida (SPME) com fibras revestidas com PDMS. A análise foi realizada em triplicata, minimizando erros e aumentando a confiabilidade dos resultados. Detalhes sobre os equipamentos, incluindo modelos específicos de cromatógrafos e detectores, são descritos, indicando a precisão das técnicas empregadas. A preparação das amostras, incluindo o tratamento do solo, também é minuciosamente detalhada, garantindo a reprodutibilidade dos resultados.

Para complementar a análise química, o estudo também incluiu a quantificação de diferentes grupos bacterianos. A metodologia incluiu a quantificação de bactérias totais, arqueas e bactérias sulfatorredutoras. Para isso, foi utilizada a técnica de PCR quantitativa, que permitiu amplificar pequenas quantidades de DNA e quantificar a população de cada grupo bacteriano. O método envolveu a extração de DNA do solo utilizando um kit específico (MOBIO Power soil™ Kit), seguida da filtração à vácuo com membranas Milipore de 0,22µm. A extração de DNA envolveu diversas etapas de adição de soluções químicas e centrifugações, garantindo a pureza do DNA para a posterior análise por PCR. A utilização de iniciadores e sondas específicas para cada grupo bacteriano permitiu a detecção e quantificação seletiva de cada população, fornecendo informações cruciais sobre a composição e atividade da comunidade microbiana envolvida na biodegradação. A análise foi realizada em um equipamento HT 7900 PCR Applied Biosystems, disponível no LAMEB (Laboratório Multiusuário de estudos em Biologia - MIP/UFSC). Essa parte do estudo fornece informações essenciais para correlacionar a atividade microbiana com a eficiência da biodegradação.

As análises realizadas ao longo de 200 dias não mostraram um decaimento significativo na concentração dos compostos BTX (benzeno, tolueno e o-xileno). A variação observada nos valores pode ser atribuída a erros experimentais, considerando que se trata de compostos voláteis e que as análises foram realizadas em apenas uma replicata. A possível perda durante a adição dos compostos, bolhas de ar na microseringa, ou imprecisões na calibração da mesma são apontadas como potenciais fontes de erro. A dificuldade em extrair alíquotas pequenas, repetidas vezes para completar o volume necessário para a análise também pode ter contribuído para a variabilidade dos resultados. Para avaliar a possível degradação, seria necessário realizar cálculos de taxa de biodegradação utilizando a equação de cinética de biodegradação. A ausência de um decaimento consistente na concentração dos BTX indica que o processo de sulfatorredução, sob as condições testadas, não foi eficaz na remoção desses contaminantes.

Apesar da falta de degradação significativa dos BTX, a presença de metabólitos como acetato e metano, e o crescimento bacteriano, sugerem a ocorrência de biodegradação de outros compostos presentes no meio. A alta concentração de acetato (aproximadamente 17 mg L⁻¹) observada pode estar relacionada à matéria orgânica presente naturalmente no solo, que foi preferencialmente utilizada pelas bactérias como fonte de energia. Após o consumo do oxigênio residual (hipótese levantada devido à metodologia de purga com nitrogênio), a metanogênese se tornou mais pronunciada, comprovada pelo aumento da concentração de metano e das bactérias arqueas. Essa observação sugere que, mesmo com a intenção de criar condições anóxicas, vestígios de oxigênio podem ter permanecido, favorecendo inicialmente a degradação aeróbica de compostos orgânicos com produção de acetato e, posteriormente, a metanogênese. A maior concentração de sulfeto encontrada foi de 0,041 mg L⁻¹, em 31 e 141 dias, e não corresponde à quantidade teórica esperada pela estequiometria da reação de sulfatorredução do benzeno.

Os resultados não demonstram a predominância da sulfatorredução como rota de biodegradação para os BTX nas condições experimentais. O consumo de sulfato foi inferior à quantidade teórica necessária para degradar os BTX presentes, estimada a partir do balanço estequiométrico para a degradação do benzeno (composto mais solúvel). A quantidade de sulfeto formada também não correspondeu ao esperado pela estequiometria, indicando baixa eficiência desta rota metabólica sob as condições do experimento. A concentração de sulfato utilizada (10 mg L⁻¹) foi menor do que a encontrada em solos norte-americanos (aproximadamente 100 mg L⁻¹), mas a redução se justificou para evitar a possível inibição bacteriana por alta salinidade. A ausência de adição de nutrientes ao solo e à água também pode ter influenciado na eficiência do processo. A conclusão é que a sulfatorredução, nas condições simuladas, não se mostrou uma rota eficiente para a biodegradação dos BTX.

A conclusão principal do estudo é que a bioestimulação anaeróbica com sulfato, utilizando a metodologia de microcosmos e a concentração de 10 mg L⁻¹ de sulfato de sódio, não demonstrou eficácia significativa na biodegradação dos compostos BTX. Apesar da detecção de metabólitos como sulfeto e acetato, a concentração dos BTX permaneceu praticamente inalterada durante os 200 dias do experimento. A análise estequiométrica da reação de degradação do benzeno indicou que a quantidade de sulfato consumida foi inferior ao esperado para a degradação completa dos BTX, reforçando a baixa eficiência da sulfatorredução nesse contexto. A formação de metano e o aumento da concentração de acetato sugerem que outras rotas metabólicas, possivelmente a metanogênese, foram favorecidas, provavelmente devido à presença de matéria orgânica no solo utilizado, que serviu como fonte de energia para as bactérias. A hipótese de que vestígios de oxigênio, apesar da purga com nitrogênio, podem ter influenciado na predominância dessas outras vias é considerada.

O uso de microcosmos se mostrou vantajoso para o estudo, permitindo o controle de parâmetros como temperatura e pH, facilitando a simulação de um aquífero contaminado em escala de laboratório. Essa metodologia minimiza a necessidade de estudos em larga escala, que podem ser dispendiosos e apresentar riscos de contaminação ambiental. No entanto, a utilização de solo e água sem modificação da composição original, com o intuito de simular as condições de um aquífero real, pode ter sido um fator limitante. A presença de matéria orgânica no solo in natura pode ter direcionado as bactérias a utilizar esta fonte de carbono e energia, em detrimento dos BTX adicionados. Esta observação ressalta a importância de levar em consideração as características intrínsecas do solo em estudos de biorremediação. A coleta do solo e água na Fazenda Ressacada, sem alterações em sua composição, visava simular as condições reais de um aquífero.

Apesar dos resultados, o estudo ressalta a necessidade de futuras pesquisas para otimizar a bioestimulação anaeróbica com sulfato para a remediação de aquíferos contaminados com BTX. Recomenda-se investigar a influência da concentração de sulfato, testando valores superiores aos utilizados neste trabalho, e também a adição de nutrientes para garantir condições adequadas para o crescimento e atividade das bactérias sulfatorredutoras. A otimização do processo de purga com nitrogênio para garantir condições totalmente anóxicas é crucial para que a sulfatorredução seja a rota metabólica predominante. A inclusão de análises mais abrangentes sobre a comunidade microbiana presente no solo também poderia fornecer informações valiosas para compreender melhor a interação entre as bactérias e os contaminantes. Em resumo, o estudo destaca o potencial da bioestimulação anaeróbica com sulfato, mas enfatiza a necessidade de ajustes metodológicos para maximizar a sua eficácia na remediação de aquíferos contaminados.