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Aplicação da técnica de biocimentação para avaliação da
resistência mecânica do solo
Jaqueline Bonatto1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, [email protected]
Karla Heichek 2
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, [email protected]
Antonio Thome 3
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
Bruna DallAgnol 4
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
RESUMO: A maioria das técnicas de melhoramento de solo que são utilizadas no mundo
envolvem a adição de energia mecânica e/ou materiais sintéticos, sendo que ambos têm substancial
custos de energia associados à sua produção, no entanto, a técnica de biocimentaçao vem como
intuito de melhorar as propriedades mecânicas de forma sustentável. A biocimentação é a formação
de material particulado unido ao solo através de microrganismos presentes. Os inúmeros processos
microbiológicos têm o potencial para modificar o comportamento do solo. Muitas bactérias como as
espécies: Bacillus, Sporosarcina, Sporolactobacillus, Clostridium e Desulfotomaculum possuem
potencial de cimentação biológica. O objetivo deste trabalho é avaliar dois meios nutritivos em
laboratório a qual modifique a resistência mecânica do solo. O solo utilizado no experimento foi
areia de uma jazida do município de Osório/RS. Os meios nutritivos foram preparados com
compostos diferentes. Foram realizados ensaios de contagem de microrganismos com o solo natural
através da técnica de contagem Unidades Formadoras de Colônia (UFC/mL) com microscopia
direta, ensaio de respirometria por 28 dias em recipientes hermeticamente fechados, e ensaio de
resistência modificado para avaliar a resistência mecânica do solo. O resultado mais satisfatório foi
com a utilização do Meio A, conforme pode ser evidenciado tanto no ensaio com Evolução de CO2
quanto no ensaio de resistência, com aumento de 140 % no ganho da carga aplicada no meio A e
100% de aumento com o Meio B.
PALAVRAS-CHAVE: microrganismos, melhoramento do solo, resistencia.
1
INTRODUÇÃO
Grande parte dos países do mundo se
encontram afetados por problemas de
degradação do solo, sendo considerado um dos
problemas ambientais mais importantes nos
últimos anos, destacam-se entre eles: processos
erosivos,
contaminação
dos
solos,
contaminação das águas subterraneas e
superficiais.
A
cimentação
microbiana
ou
a
biocimentação é a formação de material
particulado unido ao solo através de
microrganismos presentes (CHU, 2012).
A maioria das técnicas de melhoramento de
solo que são utilizadas envolvem a adição de
energia mecânica e / ou materiais sintéticos para
o solo, sendo que ambos têm substancial custos
de energia associados à sua produção
(DEJONG et al., 2010).
Devido a estes fatores, há a necessidade de
desenvolvimento de uma nova alternativa para
melhoramento e remediação de solo. O uso da
biocimentação para a melhoria do solo
apresenta uma opção de melhoria relativamente
nova e ambientalmente amigável para a
engenharia geotécnica.
Os inúmeros processos microbiológicos têm
o potencial para modificar o comportamento do
solo. Vários mecanismos têm sido identificados
para produzir precipitados (tanto inorgânica ou
orgânica) ou geram gás no interior da matriz do
solo.
Muitas bactérias como as espécies: Bacillus,
Sporosarcina, Sporolactobacillus, Clostridium
e Desulfotomaculum possuem potencial de
cimentação biológica, como mostram os
estudos de DeJong et al. 2009; Ivanov e Chu
2008, Montoya 2012.
Segundo Donald Gray (2001) apud Martínez
et al. (2003), existe uma ampla variedade de
micro-organismos aptos a realizar processos
utilizando as características próprias para
secretar substâncias derivadas de seus
metabolismos, as quais possuem propriedades
cimentantes.
As bactérias ureolíticas são comumente
encontradas no subsolo, no entanto, o subsolo
possui comunidades microbiológicas que
precisam ser estimulado ou aumentada
(FUJITA et al 2008, DEJONG et al 2009). Se as
bactérias ureolíticas estão presentes no subsolo,
estimulando a dimensão da população e / ou a
atividade da urease, fornecendo nutrientes
adequados, isso se mostra ideal, pois utiliza
organismos nativos e reduz o desafio da
engenharia de controlar o transporte de células
no subsolo (DEJONG et al 2009). Porém, se
não há presença de bactérias ureolíticas no solo,
pode-se
realizar
o
bioaumento
de
microrganismos, os quais tem demonstrado
experiências satisfatórias.
Os cristais produto do processo de
biomineralização não têm a mesma estrutura,
esta depende do tipo de microrganismo e das
condições do meio onde é produzido. Hammes
e Vestraete (2002) afirmam que a bactéria tem
um papel muito importante durante o processo
de biomineralização, o qual está associado a sua
habilidade de criar ambientes alcalinos (alto
pH) e incremento da concentração da
dissolução do carbono inorgânico por meio de
várias atividades fisiológicas.
Os microrganismos cultivados para a técnica
de biocimentação deveram resistir a altas
concentrações de cálcio e pH alcalino, entre 7,5
a 10 (GIRINSKY, 2009).
Donald Gray (2001) apud Gómez (2006)
assinala que existem muitas vantagens ao usar
microrganismos em processos de melhoria de
solos, pois com eles se consegue uma maior
tolerância frente à mudanças de umidade,
ataques químicos em ambientes tóxicos,
condições anaeróbicas e temperaturas extremas.
Além disso, os microrganismos conseguem se
desenvolver em ambientes com porosidade
muito pequena.
Whiffin (2004) destaca os dois principais
processo para a biocimentação: o primeiro
sendo a fase de crescimento bacteriano e o
segundo, a fase de cimentação. Essa ordem
deve ser seguida para impedir a precipitação
prematura do CaCO3.
O CaCO3 e os minerais de fosfato de cálcio
têm energias de atração elevadas e solubilidades
baixas
e,
portanto,
são
minerais
termodinamicamente estáveis em ambientes
biológicos (MANN, 2001).
O crescente interesse pelo estudo da função
das bactérias no ecossistema e a preocupação
por obter processos tecnológicos mais
eficientes, motivaram a realização de pesquisas
sobre a aplicação de microrganismos no
desenvolvimento de novos materiais e
metodologias de produção (MUNETON, 2013).
O objetivo deste trabalho é avaliar dois
meios nutritivos em laboratório a qual
modifiquem a resistência mecânica do solo.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Solo
A areia utilizada neste estudo é proveniente
de uma jazida localizada no município de
Osório-Rio Grande do Sul. Este material
caracteriza-se por ser uma areia fina, limpa e de
granulometria uniforme. Conforme Girardello
(2013), o solo apresenta peso especifico de 26,3
KN/m³, índice de vazio mínimo de 0,6 e
máximo de 0,9.
precipitação de CaCO3. A composição para a
preparação do meio A é de 15 g de acetato de
cálcio, 4 g de extrato de levedura, 5 g de
glicose, para cada 1000 ml de água destilada,
com um pH aproximadamente de 8.
O meio B foi proposto por Siddik et al.
(2013) onde possui a seguinte composição para
a preparação: 7 g ágar, 3 g de meio nutriente
com peptona, 20 g uréia, 10 g de NH4Cl, 2,12 g
de NaHCO3 para 1000 ml de água destilada.
A figura 02 mostra os dois meios nutritivos
previamente preparados para adição no solo de
forma de umidade.
Figura 01. Areia de Osório/RS.
2.2 Contagem dos microrganismos presentes
no solo
A
contagem
dos
microrganismos
presentes naturalmente no solo foram realizadas
através da técnica de Contagem por Unidades
Formadores de Colônias (UFC) com
microscópica direta, esse método teve o uso de
câmaras de contagem especiais como a de
Petroff-Hauser, na qual uma alíquota de uma
suspensão da cultura ou de qualquer amostra é
contada e o número de células é determinado
matematicamente. O método é rápido mas não
permite discriminar células vivas de células
mortas.
Para a realização do ensaio utilizou-se o
meio PCA o qual verteu-se sobre a placa de
Petri contendo a suspensão diluída da amostra,
as amostras tiveram diluiçao até 10-4. O
material é homogeneizado girando-se a placa
através de movimentos circulares no sentido
horário e anti-horário. Após a solidificação do
meio, as placas tampadas são invertidas e
incubadas em estufas na temperatura média de
45°C e por 48 horas. Após 48 horas, as colônias
foram contadas e o resultado médio de cada
diluição é registrado e multiplicado pelo fator
da diluição, que é a recíproca da diluição.
2.3 Preparo dos meios de cultivos
O Meio A foi proposto por Lee (2003), e
empregado por Valencia (2009), Gomez (2009),
Valencia (2010) e Muneton (2013), onde foram
obtidos bons resultados com o indutor de
Meio A
Meio B
Figura 02. Preparo dos Meios Nutritivos.
2.4
Ensaios realizados
2.4.1 Teste de respirometria
O método de evolução de CO2, teste de
respirometria ou C mineralizável foi realizado
para determinar quanto de Carbono é respirado
pela microbiota do solo com os meios A e B.
Pela determinação das taxas de respiração
durante um período de incubação, pode-se
determinar a taxa máxima de respiração,
relacionado com a biomassa existente nesse
solo. Este método consiste na captura de CCO2, emitido de uma amostra de solo, em
solução de NaOH e sua dosagem por titulação
em HCL.
Em cada recipiente hermeticamente fechado,
adicionou-se um corpo de prova (proveniente
dos tratamentos em estudo), um frasco com 30
mL de solução de NaOH 0,5 mol/L -1 (para
captura de C-CO2), e outro contendo 30 mL de
H2O (para manter a umidade).
Após 24 horas de incubação, os recipientes
foram abertos e os frascos de NaOH retirados,
tomando o cuidado para deixar cada recipiente
contendo solo aberto por 15 minutos, para que
ocorra a troca de ar (esse tempo foi uniforme
para todas as amostras). Pipetou-se 10 mL da
solução de NaOH (previamente incubada com o
solo) para um erlenmeyer de 125 mL,
adicionou-se 10 mL da solução de BaCl2 0,05
mol/L e 3 gotas de fenolfetaleína1%, em
seguida titulou-se com solução de HCL 0,25
mol/L. O ponto de viragem é nítido passando de
violeta para incolor. Decorrido o tempo
necessário para a troca de ar do solo, outro
frasco com 30 mL de solução de NaOH 0,5
mol/L foi adicionado a cada sistema e este
fechado
e
incubado
novamente.
O
procedimento foi repetido por 28 dias corridos.
A Figura 03 apresenta o experimento de
Evolução de CO2 montado em recipientes
hermeticamente fechados.
presença dos meios nutritivos. O ensaio foi
realizado através da técnica de microscopia
direta, a qual obteve-se resultado médio de 9,8
x 10-5 UFC/mL da amostra.
O teste de respirometria foi acompanhada
por um período de 28 dias, tempo considerado
necessário para a estabilização das curvas de
evolução de CO2. A quantificação do CO2
pode ser analisada nos diferentes meios: A, B e
o Controle. Todos os tratamentos foram
sistematicamente comparados ao Controle.
A figura 4 apresenta a atividade
microbiológica
durante
processo
de
biocimentação.
Figura 04. Evolução de CO2 (mg/Kg)
acumulado ao longo de 28 dias, da técnica
Biocimentação.
Figura 03. Experimento de Evolução de CO2.
2.4.2 Ensaio de resistência modificado
O ensaio de resistência modificado consiste
na utilização da prensa CBR com uma agulha
corpo cilíndrico circular, com 75,43 mm2 de
área de seção. A amostra é penetrada 10 mm em
um corpo de prova com área circular de 19,6
cm², com velocidade controlada de 1,14
mm/min, e verificada a carga aplicada na
profundidade de 10 mm.
3
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A contagem dos microrganismos foi
realizada no solo natural, ou seja, sem a
Observa-se que o Meio A apresentou um
aumento significativo quando comparado ao
outro meio e ao controle. O controle teve seu
pico até o décimo dia, posteriormente a este dia,
manteve-se praticamente constante até os 28
dias de ensaio. O ensaio com o meio A teve
resultados satisfatório, pois houve a produção
de CO2 até o décimo primeiro dia,
posteriormente a isso, houve uma constância do
experimento.
O ensaio com o meio B não apresentou
resultados satisfatórios quando comparada ao
controle.
O aumento da atividade microbiológica
evidenciada no ensaio de evolução de CO2
permite verificar que o meio A teve um
aumento significativo quando comparado aos
outros experimentos, com valores acumulados
de 1939,5 mg de CO2 /Kg de solo, enquanto o
meio B obteve 1084,5 mg de CO2/Kg e o
controle 1054,5 mg de CO2/Kg de solo
ensaiado.
A tabela 01 apresenta os resultados dos
ensaios com Meio A e Meio B do ensaio do
resistência modificado.
branco de 140%, enquanto o meio B teve um
aumento de aproximadamente 100%.
Tabela 01. Resultados do ensaio de
resistência, desvio padrão e coeficiente de
variação dos experimentos realizados.
4
Carga
aplicada
(Kg)
Desvio
Padrão
Coeficiente
de
Variação
(%)
Branco
3,85
0,458
11,9
Meio A
9,23
1,069
11,5
CONCLUSÕES
O resultado mais satisfatório foi com a
utilização do Meio A, conforme pode ser
evidenciado tanto no ensaio com Evolução de
CO2 quanto no ensaio de resistência.
O meio A obteve resultados significativo
tanto na respirometria microbiológica, quanto
no ensaio de resistência mecânica do solo. O
meio S não teve resultados significativos no
teste de respirometria, porém, observou-se
ganho de resistência no ensaio realizado.
AGRADECIMENTOS
Meio B
7,8
0,519
6,6
A Figura 05 apresenta o gráfico com os
resultados do ensaio do resistência modificado,
com os experimentos estudados.
Figura 05. Gráfico dos resultados dos
ensaios de resistência modificado.
O ensaio de resistência modificada com o
Meio A teve um aumento na carga aplicada de
5,38 Kg em relação ao controle (branco), já o
meio B teve um aumento 3,95 Kg, mostrando
resultados satisfatórios quando comparado ao
controle.
O experimento com o meio A, teve um
aumento da resistência quando comparada ao
Agradecimento a CAPES pela disponibilidade
pela bolsa de pesquisa.
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