um artigo

BIOLOGIA MARINHA
Mirian A. C. Crapez,
Alexandre L. N. Borges,
Maria das Graças S. Bispo
e Daniella C. Pereira
Programa de Pós-Graduação
em Biologia Marinha,
Universidade Federal Fluminense
3322 •• CCIIÊÊNNCCIIAA HHOOJJEE •• vvooll.. 3300 •• nnºº 117799
BIORRE
TRATAMENTO
PARA DERRAMES
DE PETRÓLEO
Explorado comercialmente desde meados do século 19, o petróleo foi
usado, por muitas décadas, para a iluminação e, em
menor escala, como lubrificante. A invenção do motor de combustão interna e sua adoção rápida em
todas as formas de transporte ampliaram o emprego desse recurso natural, aumentando a demanda
– e com isso a produção, o transporte, a estocagem
e a distribuição tanto do óleo cru quanto de seus
derivados. Todas essas atividades envolvem riscos
de derrames acidentais, que podem ser minimizados,
mas não totalmente eliminados.
Felizmente, os grandes derrames – que contaminam oceanos e áreas costeiras de forma significativa
– não ocorrem com freqüência. São exemplos desses
desastres ambientais as 200 mil toneladas de óleo
despejadas na costa da França pelo acidente com o
navio petroleiro Amoco Cadiz (1978); as 40 mil 4
FOTO MARIO MOSCATELLI
A poluição por petróleo
e seus derivados,
em ambientes marinhos,
tem sido um dos principais
problemas ambientais
das últimas décadas.
Diversas técnicas físicas
e químicas foram
desenvolvidas para
a retirada do petróleo
derramado no mar ou para
a redução dos seus efeitos
sobre o ecossistema.
A descoberta de que certas
bactérias que vivem nos
sedimentos marinhos,
inclusive na areia das
praias, podem degradar os
componentes do petróleo
abriu a possibilidade
de usar métodos biológicos
para o tratamento
dos derrames.
Esses métodos, objeto
de pesquisas recentes
no Brasil, são chamados,
em seu conjunto,
de biorremediação.
BIOLOGIA
BIOLOGIA MARINHA
MEDIAÇÃO
j a n e i r o / f e v e r e i r o d e 2 0 0 2 • CCIIÊÊNNCCIIAA HHOOJJEE • 3 3
BIOLOGIA MARINHA
toneladas lançadas pelo Exxon Valdez no litoral do
Alasca (1989); e o incêndio do Haven, na costa da
Itália, com 140 mil toneladas de óleo a bordo (1991).
Também em 1991, a Guerra do Golfo contaminou o
Kuwait com 820 mil toneladas de óleo e, dois anos
depois, o petroleiro Braer derramou 80 mil toneladas de óleo nas águas costeiras das ilhas Shetland
(Escócia).
No Brasil, em março de 1975, um acidente rompeu o casco do navio-tanque iraquiano Tarik Ibn
Ziyad no canal central de navegação da baía de Guanabara. Várias praias foram atingidas nas cidades do
Rio de Janeiro e de Niterói, tanto no interior da baía
quanto na costa oceânica. O óleo provocou incêndios em áreas de manguezal, em torno da baía, e a
contaminação afetou seriamente as comunidades
animais da zona entremarés.
Em agosto de 1997, um vazamento nas instalações dos Dutos e Terminais do Sudeste (DTSE)
atingiu o mangue adjacente à Refinaria Duque de
Caxias (Reduc), na baía de Guanabara. Além do
mangue, o óleo espalhou-se pelas praias de Freguesia, Barão, Pitangueiras, Bandeira e Zumbi, localiza-
das na ilha do Governador. Em janeiro de 2000,
outro vazamento de óleo ocorreu no mesmo local,
atingindo inúmeras áreas de manguezal, além da
ilha de Paquetá e do norte e leste da ilha do Governador. Esse vazamento foi considerado um dos
maiores acidentes com petróleo já ocorridos na baía
de Guanabara (ver ‘500 anos de degradação’, em CH
nº 158).
Tratamento inicial das marés negras
Tais desastres mostraram como o petróleo é danoso
ao ambiente marinho, mas eles também serviram
para o desenvolvimento de técnicas para lidar com
os derrames acidentais – chamados de marés negras
– no mar e nas praias. Essas técnicas incluem em
geral métodos físicos e químicos, como barreiras de
contenção, aparelhos de sucção, uso de jatos d’água
para dispersar o óleo, absorventes, formadores de
gel, precipitantes e dispersantes químicos.
As barreiras de contenção e os aparelhos de sucção são eficientes em águas calmas, onde as ondas
não comprometem essas técnicas. Uma variedade ampla de materiais absorventes – como espuFATORES QUE AFETAM A DEGRADAÇÃO DO PETRÓLEO
mas de polietileno ou poliuretano
e palha – são empregados para
FATORES
CARACTERÍSTICAS
remoção do óleo derramado, principalmente na região de quebraComposição
Cerca de 60% a 90% são hidrocarbonetos alifáticos, passíveis
mar. A aplicação de agentes quíquímica
de biodegradação. Nessa classe, o fitano e o pristano são mais
resistentes à degradação e podem ser usados como marcadores
micos sobre o óleo, para provocar
químicos em monitoramento. Entre os aromáticos, deve-se monitorar
a formação de gel ou a coagulabenzeno, tolueno e xileno (BTX), mais tóxicos aos seres vivos; hopano
ção, diferentemente dos procespode ser usado como marcador químico, em monitoramento. Nos seres
sos anteriores, é feita na coluna
vivos, o petróleo pode ser incorporado às gorduras, causar distúrbios
d’água, distante da praia, o que
metabólicos ou interromper a quimiorrecepção.
aumenta o custo, devido aos gasEstado físico
Condiciona agregação, espalhamento, dispersão ou adsorção
tos com embarcações.
no ambiente.
Da mesma forma, a queima do
óleo
no mar não é considerada
Mudanças
A composição química e o estado físico do óleo, associados
um tratamento satisfatório. Tanquímicas
à temperatura, à radiação solar e ao batimento das ondas,
induzem mudanças químicas, evaporação e fotooxidação.
to esse método quanto o uso de
agentes químicos são danosos à
Água
É essencial à vida bacteriana, mas é excluída dos agregados,
fauna e à flora marinhas. De toporque o petróleo é hidrofóbico.
das as técnicas, apenas as de precipitação e dispersão têm sucesTemperatura
Determina a evaporação, constituindo um fator importante
no processo de degradação.
so ‘aparente’ em mar aberto. A
precipitação é realizada com o
Oxigênio
É fator decisivo para iniciar e sustentar a biodegradação.
lançamento, sobre a camada de
petróleo na superfície, de pós ou
Nutrientes
São essenciais nitrogênio (N) e fósforo (P). Teoricamente, para cada
grama de óleo degradado são necessários 150 mg de N e 30 mg de P.
Salinidade
É desconhecida a biodegradação em ambientes hipersalinos.
Microrganismos
As bactérias hidrocarbonoclásticas podem estar ausentes
ou em número insuficiente para desencadear a biodegradação.
34 • CIÊNCIA HOJE • vol. 30 • nº 179
Figura 1. A degradação
do petróleo derramado
é influenciada por inúmeros
fatores químicos,
físicos e biológicos
IMAGENS CEDIDAS PELOS AUTORES
BIOLOGIA
MARINHA
Figura 2. Colônias de três consórcios
de bactérias hidrocarbonoclásticas (A, B, C)
isoladas de sedimentos marinhos impactados
por hidrocarbonetos de petróleo
materiais de granulometria fina, mas com alta densidade. O óleo absorve essas partículas e sofre precipitação, depositando-se no sedimento. Já os
dispersantes químicos fazem com que o óleo se
espalhe de modo muito rápido, tornando-o ‘menos
visível’. Nos dois casos, porém, o material continua
no ambiente, sendo assimilado pelos organismos
marinhos e acumulado nos tecidos, em diferentes
níveis da cadeia alimentar (desde os microrganismos até os grandes peixes, além das aves e mamíferos que se alimentam no mar e dependem dele).
Tanto os métodos físicos quanto os químicos
devem levar em conta que o óleo derramado no mar
espalha-se na superfície da água, formando uma
camada fina e homogênea, semelhante a ‘mousse de
chocolate’, e que esta camada pode ser degradada
por fatores físicos, químicos e biológicos.
(A)
(B)
Preocupação com
o ambiente marinho
Em 1946, o microbiólogo marinho norte-americano
Claude E. ZoBell (1905-1989) identificou, pela primeira vez, microrganismos capazes de consumir
petróleo, isto é, de usá-lo como fonte de carbono
para a geração de biomassa. Na época, porém, os
derrames de petróleo ainda não eram vistos como
um problema ambiental sério. Apenas 21 anos depois, em 1967, o acidente com o superpetroleiro
Torrey Canyon, na Inglaterra, e o desenvolvimento
da exploração de petróleo no Ártico serviram de
alerta para o risco de outros acidentes.
A partir daí, os cientistas passaram a se preocupar em conhecer o destino do petróleo como poluente e uma atenção especial foi dada ao ambiente
marinho, o maior e último receptor das marés negras. As pesquisas desenvolvidas desde então procuravam respostas para diversas perguntas sobre:
1. os componentes biodegradáveis do petróleo;
2. os fatores ambientais que influenciariam a biodegradação dessa substância; e 3. a distribuição das
populações de microrganismos capazes de degradar
o petróleo.
O petróleo, formado por processos biogeoquímicos, é uma mistura complexa de hidrocarbonetos.
Sua composição varia em função de sua localização
geográfica e das condições físico-químicas e biológicas que o originaram. Assim, grande parte de seus
componentes (de 60% a 90%) é passível de biodegradação (figura 1). Entretanto, o restante – bruto ou
(C)
refinado – é recalcitrante, isto é, demora a desaparecer por meios naturais, após algum acidente em um
ambiente. Mesmo tratando-se de uma fração menor
(de 10% a 40%), é preciso lembrar que isso significa
toneladas de material poluente impactando o ambiente e podendo ser bioacumuladas nos seres vivos
(ver ‘Filtros biológicos’, em CH nº 58). Assim, o destino dessa substância no ambiente, após um derrame, dependerá da interação de vários fatores.
A biodegradação é um desses fatores. Pesquisas
desenvolvidas em regiões frias (como o Ártico) ou
temperadas mostraram que diversos grupos de bactérias e fungos têm habilidade para degradar os
componentes de petróleo. As bactérias, denominadas hidrocarbonoclásticas, fazem parte da microflora
presente no solo, na água e no sedimento. Quando
esses ambientes são expostos a marés negras, ocorre
um fenômeno de adaptação ou aclimatação de certas populações de bactérias, que passam a reconhecer os componentes do óleo como fonte de carbono,
iniciando o processo de degradação.
4
janeiro/fevereiro de 200 2 • CIÊNCIA HOJE • 35
BIOLOGIA MARINHA
A complexidade dos processos metabólicos necessários a essa degradação leva à formação de
consórcios, com bactérias de diferentes gêneros e
espécies, cada uma especializada em degradar uma
ou várias frações do óleo derramado (figura 2). Os
principais gêneros são Acidovorans, Acinetobacter,
Agrobacterium, Alcaligenes, Aeromonas, Arthrobacter, Beijemickia, Burkholderia, Bacillus, Comomonas, Cycloclasticus, Flavobacterium, Goordona, Moraxella, Mycobacterium, Micrococcus, Neptunomonas, Nocardia, Pasteurella, Pseudomonas, Rhodococcus, Streptomyces, Sphingomonas, Stenotrophomonas e Vibrio.
Derrames sucessivos no mesmo ambiente aceleram cada vez mais o aumento da biomassa bacteriana
hidrocarbonoclástica. A maior concentração dessas
bactérias, portanto, serve como um indicador de
ambiente impactado cronicamente por petróleo.
Uma nova tecnologia atrai interesse
Após o acidente com o petroleiro Exxon Valdez, em
que o óleo derramado no mar atingiu 15% da costa
do golfo do Alasca, e a Guerra no Golfo, que formou
330 lagos de óleo no Kuwait, os processos de degradação biológica – chamados, em conjunto, de biorremediação – receberam maior atenção. Tais processos surgiram a partir de estudos de decomposição e
detoxificação de pesticidas em solos e, mais tarde,
foram propostos como promissores para a recuperação de áreas costeiras atingidas por derrames de
petróleo.
A tecnologia de biorremediação usa, para a remoção de poluentes, o potencial fisiológico de bactérias. Estas transformam o petróleo em biomassa,
água, dióxido de carbono e outros compostos (figura 3). O objetivo principal da biorremediação é minimizar o impacto das substâncias recalcitrantes
no ambiente, criando condições favoráveis ao cres36 • CIÊNCIA HOJE • vol. 30 • nº 179
cimento e à atividade bacterianas. A ‘bioestimulação’ (adição de fertilizantes) e a ‘bioamplificação’
(semeadura de número expressivo de bactérias hidrocarbonoclásticas) podem ser consideradas abordagens gerais nessa tecnologia.
Os trabalhos de biorremediação devem ser feitos
tanto no ambiente quanto em condições controladas
de laboratório, para obter informações que permitam estimar custo, viabilidade e duração do tratamento, e para identificar os fatores limitantes do
processo e as vias possíveis de superação dos mesmos. A eficácia da tecnologia é testada, em laboratório, pela determinação da biomassa da população
bacteriana (total e hidrocarbonoclástica), o isolamento e a manutenção de consórcios das bactérias
que fazem a biodegradação, a medição da taxa de
respiração (consumo de oxigênio e/ou produção de
gás carbônico), a quantificação da atividade de
enzimas ligadas à degradação do óleo e a determinação das taxas de degradação do poluente.
É bom ressaltar que todos esses parâmetros também podem ser usados para avaliar ambientes
impactados por óleo, exceto o consumo de O2 e/ou
produção de CO2. No ambiente, mudanças quantitativas nesses fenômenos podem indicar tanto a
mineralização da matéria orgânica quanto o consumo de óleo pelas bactérias, levando a uma interpretação errônea dos resultados.
Pesquisas sobre
biorremediação no Brasil
Os estudos de biorremediação, no Brasil, ainda são
incipientes. O Laboratório de Microbiologia Marinha, da Universidade Federal Fluminense, é pioneiro nessa área e vem desenvolvendo pesquisas para
estabelecer as bases dessa tecnologia em função das
condições ambientais brasileiras.
As baías são ambientes de maior risco para acidentes com petróleo porque, além da intensa movimentação de embarcações em seu interior, em geral
apresentam em seu entorno grande densidade
demográfica e maior concentração de portos e indústrias. As baías da ilha Grande e de Guanabara, no
estado do Rio de Janeiro, são exemplos do tipo de
ambiente com alto risco para acidentes de derrames
de óleo, e em ambas foram realizadas pesquisas
sobre biorremediação.
IMAGEM CEDIDA PELOS AUTORES
Figura 3. Degradação (da esquerda para a direita)
dos hidrocarbonetos de petróleo
por consórcio bioamplificado de bactérias
hidrocarbonoclásticas e bioestimulados
com fertilizante NPK
BIOLOGIA
FOTO MARIO MOSCATELLI
Os estudos feitos na baía da ilha Grande constataram a presença de populações hidrocarbonoclásticas capazes de consumir benzeno, tolueno e naftaleno (alguns dos componentes do petróleo) na complexa comunidade bacteriana dos sedimentos de
praias. Ensaios em laboratório com bactérias desse
tipo, isoladas e introduzidas em amostras de sedimento, aumentaram em mais de 200% a produção
de CO2, tornando mais rápida e eficaz a degradação
do petróleo.
Bactérias hidrocarbonoclásticas também foram
isoladas na baía de Guanabara, em amostras de
sedimento superficial da ilha de Água, e seu rendimento na degradação do petróleo foi avaliado em
laboratório. Para isso, as bactérias foram bioamplificadas em meio de cultura contendo petróleo e
depois submetidas a diferentes formulações do
bioestimulante NPK (baseado em nitrogênio, fósforo e potássio). Outros projetos estudaram a influência da matéria orgânica na degradação de benzeno,
tolueno e xileno, hidrocarbonetos extremamente
tóxicos. Esses projetos serviram ainda para avaliar e
monitorar áreas de risco.
Avaliações desse tipo também são importantes
para verificar o potencial da microbiota hidrocarbonoclástica em áreas onde serão implantados novos projetos ligados ao petróleo. Os estudos do
Laboratório de Microbiologia Marinha têm apontado que a resposta da comunidade bacteriana a derrames depende das características do ambiente
impactado, do tipo do óleo e de sua concentração,
mas a quantidade e a qualidade da matéria orgânica
disponível nos sedimentos do local também é muito
importante para a aclimatação e a bioamplificação
da microbiota hidrocarbonoclástica presente no
ambiente. Na lagoa de Saquarema e na praia de
Jurujuba, áreas do estado do Rio de Janeiro onde
grande quantidade de esgoto e de rejeitos de fábricas
alimentícias chegam ao sedimento, não foi consta-
tada a atividade de bactérias hidrocarbonoclásticas.
Nesses locais, uma maré negra poderá acarretar sérios prejuízos para a fauna e a flora locais.
O tempo decorrido desde o derrame e o número
de exposições do local ao óleo são fatores cruciais
nos processos de biorremediação e de recuperação
ambiental. Para verificar as respostas potenciais da
microbiota aos efeitos agudo e crônico de hidrocarbonetos de petróleo, foram realizados ensaios laboratoriais em amostras de sedimento das praias da Boa
Viagem e do Forte do Rio Branco e da área da Estação
Hidroviária de Niterói (RJ).
Na Estação Hidroviária de Niterói, que recebe
considerável volume de esgoto e de óleo, as bactérias já utilizam essas substâncias como fonte de carbono, produzindo biomassa considerável. Os ensaios feitos com sedimento das praias de Boa Viagem e do Forte do Rio Branco, por sua vez, mostraram que, aumentando a freqüência de entrada de
benzeno, tolueno e xileno no sistema, as bactérias
tornam-se capazes de degradar quantidades crescentes desses poluentes.
Tal efeito depende das interações ambientais
entre os componentes do petróleo e as populações
bacterianas, que atuam em cometabolismo (alguns
componentes do petróleo não são reconhecidos
pelo sistema enzimático das bactérias, mas a repetição da disponibilidade dessas substâncias faz com
que as bactérias sintetizem novas enzimas, capazes
de degradar mesmo as mais recalcitrantes) e/ou de
forma sinérgica (degradação seqüencial de diferentes componentes do petróleo, realizada por gêneros
ou espécies diferentes do consórcio de bactérias, em
que o subproduto de cada etapa é fonte de carbono
para a outra).
Quando as bactérias estão aclimatadas, ou seja,
já sintetizaram as enzimas para degradar o óleo, sua
concentração pode atingir 10 bilhões de células por
mililitro, tanto no meio de cultura quanto no ambiente natural. Ao consumirem o óleo, as bactérias hidrocarbonoclásticas produzem biomassa, podendo aumentar em mais de 1.000% seu conteúdo de lipídios
e em 240% o de proteínas.
Os resultados desses estudos – e de inúmeros
outros, ao redor do mundo – deixam claro que as técnicas convencionais de limpeza das marés negras
podem e devem ser complementadas com a biorremediação. Em grandes acidentes, mesmo com a
aplicação adequada das técnicas mecânicas hoje
existentes, ainda resta uma fração de óleo oxidado
pela luz solar. Essa fração fica disponível para a
biota e precisa ser degradada para que o ecossistema
não fique impactado. A biorremediação, portanto,
multiplica a capacidade de depuração do ambiente,
além de permitir o restabelecimento da vida animal
e vegetal e o mapeamento de áreas de risco.
■
MARINHA
Sugestões
para leitura
BALBA, M.T.;
AL-AWADHI, N.
and AL-DAHER, R.
‘Bioremediation
of oil-contaminated
soil: microbiological
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CRAPEZ, M.A.C.;
TOSTA, Z.T.; BISPO,
M.G.S. & PEREIRA,
D.C. ‘Acute and
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by aromatic
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CRAPEZ, M.A.C.;
BORGES, A.L.N.;
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PEREIRA, D.C.;
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‘Bioremediation
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CRAPEZ, M.A.C.;
TOSTA, Z.T.; BISPO,
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& CORREA-JÚNIOR,
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janeiro/fevereiro de 2002 • CIÊNCIA HOJE • 37