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Devido ao crescimento populacional ao longo dos séculos e, consequentemente, a expansão das cidades, cada vez mais é notável a influência das ações antrópicas no distúrbio dos ecossistemas naturais e urbanos (SPINELLI et al., 2016). Corrêa et al. (2016), elaborando uma revisão histórica do entorno da bacia hidrográfica do manancial Santa Bárbara, município de Pelotas/RS, e suas relações com a qualidade da água bruta, observou grande atividade antrópica na região responsável pela degradação e redução da qualidade da água nas regiões inferiores da bacia. Esta, é caracterizada por alta densidade populacional, baixa taxa de tratamento de esgoto, inclusive com esgoto a céu aberto e acúmulo de resíduos nos logradouros.
O arroio Santa Bárbara é um dos principais corpos hídricos do município de Pelotas, Estado do Rio Grande do Sul. Encontra-se numa área com altitude média de 7 metros em relação ao nível do mar e posição geográfica de 31°45’43” de latitude sul e 52°21’00” de longitude oeste, sendo o principal responsável pelo escoamento hídrico da sub-bacia hidrográfica do arroio Santa Bárbara, a qual aflui para o canal São Gonçalo e este até a lagoa dos Patos (SIMON et al., 2007). Segundo relato no Plano Ambiental de Pelotas (2013), a sub-bacia do arroio Santa Bárbara apresenta grande importância para o município de Pelotas e já foi submetida a uma alteração do seu leito normal de escoamento, implantação de uma barragem para abastecimento público e implantação de um sistema de proteção contra cheias. Desta forma, destaca-se como a bacia mais importante para a cidade e a que apresenta maior grau de antropização.
A expansão urbana experimentada pelo município de Pelotas a partir da década de 1980 acabou por se refletir na bacia hidrográfica formadora do Reservatório Santa Bárbara, modificando características originais, o que possivelmente pode estar contribuindo, desde então, para a degradação da qualidade das águas dos arroios contribuintes e, consequentemente, do manancial em questão (KORB; SUERTEGARAY, 2014). Os autores apontam que alguns outros fatores contribuem para um crescente comprometimento do tempo de vida útil e qualidade das águas, como por exemplo, a precariedade de planejamento de uso e ocupação do solo, pontual inexistência de um sistema de esgotamento sanitário e falta de programas de educação sanitária e ambiental que abranjam toda a população, além da multiplicidade de atividades na região, em um misto de urbana e rural. Simon (2007) também descreve que o crescente número de ocupações inadequadas às margens do arroio Santa Bárbara e o lançamento de efluentes domésticos e industriais sem tratamento contribuiu para que a região fosse impactada e possuísse vários problemas ambientais.
Outra alteração significativa na região foi a implantação do Aterro Controlado de Pelotas, desativado em 2012 pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental – FEPAM, justamente pela proximidade com a Barragem Santa Bárbara, que é responsável pelo abastecimento de água de uma parte da cidade, bem como por estar localizado dentro do perímetro urbano na área central do município (ZANINI; LESSA, 2013). Atualmente o Aterro Controlado passa por processos de manutenção obrigatório, conforme legislação específica. Estas ações englobam a vigilância 24 horas, estação de tratamento de lixiviados, manutenção de taludes, drenos de gás e de lixiviados (SANEP, 2017). Os resíduos coletados no município são encaminhados para a estação de transbordo e posteriormente para o Aterro Sanitário Metade Sul, localizado no município de Candiota/RS.
Em função da contaminação ambiental causada por atividades antrópicas, buscam-se estratégias de recuperação para essas áreas afetadas (VASCONCELLOS et al., 2012). Dependendo do tipo de contaminante presente no ambiente e das características locais, uma determinada técnica pode ser aplicada, tendo como principal objetivo fazer com que a área retorne o mais próximo possível às condições anteriores. Em alternativa aos processos físicos e químicos de tratamento, a biorremediação representa uma tecnologia que, embora demande mais tempo em resposta é mais sustentável (XENIA; REFUGIO, 2016).
A biorremediação é uma técnica que utiliza organismos para reduzir e ou remediar ambientes contaminados e a fitorremediação (fito: planta e remediar: corrigir) utiliza plantas para degradar, extrair, conter ou imobilizar contaminantes em solos e ambientes aquáticos. A fitorremediação é uma das técnicas de biorremediação com ampla utilização em ambientes contaminados e diferentes alternativas têm sido estudadas, com o intuito de avaliar o potencial que cada espécie vegetal apresenta. As pesquisas nessa área procuram entender a relação da planta com o contaminante (USEPA, 2000).
A fitorremediação apresenta uma enorme aplicabilidade tal como tratamento de solos e lodos contaminados, efluentes industriais e domésticos, drenagem ácida de minas, percolado de aterros sanitários, escoamento superficial urbano, rural e industrial, cobertura vegetal para áreas contaminadas, construção de barreiras hidráulicas, remediação de águas subterrâneas, entre outros (BARRETO, 2011).
A efetividade da fitorremediação, quando utilizada para remoção de metais pesados, depende do grau de contaminação do metal, da capacidade das plantas em acumularem esses elementos e da disponibilidade do metal para a planta (CHAVES et al., 2010). Alguns outros fatores limitantes são o clima, o tipo de solo, a estação do ano, a concentração e profundidade do contaminante e a interferência do contaminante no crescimento da planta, o que muitas vezes leva a um crescimento lento, aumentando o tempo necessário para o processo de descontaminação (VASCONCELLOS et al., 2012).
Em geral, plantas favoráveis a fitorremediação são aquelas de crescimento rápido, elevada produção de biomassa, competitivas, resistentes e tolerantes à poluição. Considerando a variedade de mecanismos pelos quais as plantas remediam os ambientes, cada um deles requer uma habilidade específica para uma remoção eficiente. Pode-se citar, por exemplo, a necessidade de altos níveis de absorção, translocação, e acúmulo em tecidos cultiváveis para a técnica de fitoextração de compostos inorgânicos. Já para a fitodegradação, há uma demanda de sistemas grandes e densos de raízes e elevados níveis de enzimas degradadoras. Para a fitoestimulação, é favorável a existência de uma grande área de superfície na raiz, a qual promoverá o crescimento microbiano (PILON-SMITS, 2005).
Entre as plantas utilizadas na fitorremediação, as macrófitas aquáticas (particularmente as livres, submersas enraizadas e emergentes) ganharam importância por apresentarem grande eficiência para remover uma variedade de poluentes (metais pesados, poluentes orgânicos e inorgânicos) de águas poluídas, ainda que o potencial de remoção varie de espécie para espécie (DHIR et al., 2009). Porém, para seu correto uso faz-se necessário ter conhecimento prévio das suas características, bem como das condições que limitam sua ocorrência e crescimento; da proliferação e manejo da espécie utilizada (THOMAZ; BINI, 2003). Assim, o conhecimento das espécies de macrófitas presentes naturalmente na região, bem como a análise da concentração dos contaminantes presentes nessa planta são essenciais para direcionar estudos no que tange a aplicação dessas plantas em técnicas de fitorremediação e criação da proposta de recuperação dos corpos hídricos.
A principal relevância do projeto, portanto, é propor uma alternativa para a remediação destes ambientes, visando o retorno às características naturais através da melhoria da qualidade da água. Com estes conhecimentos pretende-se desenvolver um biofiltro para a descontaminação destes ambientes aquáticos. A biorremediação é sem dúvida uma alternativa ambientalmente adequada e bem vista pela comunidade. Uma vez que se utiliza plantas ambientalmente adequadas para reduzir a contaminação destes ambientes e consequentemente melhorar a qualidade de vida da população local.

Coleta e identificação das macrófitas

Este projeto será realizado no município de Pelotas, Rio Grande do Sul, Brasil, e terá como ponto principal para coleta das plantas o arroio Santa Bárbara. A coleta das macrófitas será realizada por observações visuais das diferentes espécies na área selecionada. A identificação será realizada pelo Departamento de Botânica do Instituto de Biologia da Universidade Federal de Pelotas, através da análise de material fresco e de fotografias digitais, seguindo a bibliografia de IRGANG; GASTAL (1996) e POTT; POTT (2000).

Análise dos locais

Os locais serão analisados visualmente e também com a análise de imagens de satélite para identificar os pontos de coleta e de contaminação dos ambientes aquáticos da região de Pelotas, Sul do Rio Grande do Sul. Para o levantamento dos impactos ambientais nas áreas adjacentes ao Arroio Santa Bárbara e demais corpos hídricos contaminados identificados serão coletadas amostras de água e plantas como bioindicadoras. Se necessário, outras áreas e plantas serão estudadas no Estado do Rio Grande do Sul.
Para elaboração dos mapas de fragilidade ambiental primeiramente iremos realizar o tratamento dos dados através de cartas topográficas em escala 1:25000, utilizando como base a metodologia denominada “Modelo de Fragilidade Potencial com Apoio nas Classes de Declividade” (ROSS, 1994) confeccionar-se-á o mapa de Fragilidade Ambiental para a área de estudo.
Por fim iremos reunir e relacionar todas as informações obtidas através do geoprocessamento, das análises de qualidade da água e dos levantamentos de uso e ocupação do solo identificados à campo e aplicaremos métodos estatísticos para melhor explicar as variáveis em estudo, e também de modelagem para análise dos riscos ambientais da ocupação do solo e água, e riscos de contaminação ambiental.

Análise da concentração de metais pesados nas plantas

Para a análise da concentração de metais pesados nas plantas, a primeira etapa a ser realizada é a lavagem em água corrente e com água destilada, com o intuito de remover os sedimentos associados. Após a lavagem, as plantas serão cortadas na região do colo, separadas em sacos e identificadas, seguida de secagem até peso constante e digestão em ácido nítrico e perclórico de acordo com a metodologia de Tedesco et al. (1995).
Após, será feita a quantificação por plasma indutivamente acoplado - espectrometria de emissão óptica (ICP), no Laboratório de Solos da UFRGS.


Análise da concentração de metais pesados dentro das plantas e microorganismos

Após a obtenção e identificação das plantas fitorremediadoras, será realizado cortes histológicos nas plantas, e analisando os efeitos dos metais pesados dentro das células. Primeiramente serão feitas análises morfológicas em plantas com e sem o contato com metais pesados em microscópio, e posteriormente, para esta análise interna das células, serão realizadas análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV/EDS) para observar a morfologia, e a distribuição dos elementos químicos e metais na microestrutura celular. Após se identificar quais plantas são interessantes ao projeto, o isolamento e caracterização de microorganismos da rizosfera destas plantas serão caracterizados.

Análise da água

A caracterização da água, bem como a análise da concentração de metais pesados será realizada com os mesmos procedimentos experimentais adotados para a análise das plantas. Uma alíquota será digerida em ácido nítrico e ácido perclórico e a quantificação também será realizada por ICP.
Visando uma melhor caracterização do ambiente selecionado, será analisado também os seguintes parâmetros: sólidos totais, pH e nitrogênio. A análise de nitrogênio seguirá Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 21th, APHA (2005) e será realizado no Laboratório de Química ambiental do Centro de Engenharias da UFPel.

Cálculo dos índices de fitorremediação

Os índices de fitorremediação representam uma maneira de qualificar e quantificar os dados obtidos por estudos em fitorremediação, visto que um dos grandes desafios desta técnica é a determinação do nível crítico de toxidez desses metais pesados, tanto no meio quanto na planta (ANDRADE et al., 2007). Valores usuais e limites gerais de toxicidade já foram descritos por Kabata-Pendias; Pendias (2001), porém as concentrações variam de local para local, não sendo então adequado a adoção de valores universais. Os índices calculados serão o fator de translocação (TF), fator de bioconcentração (BCF), taxa de extração de metal (MER) e número de plantas eficazes (PEN).
O fator de translocação (TF) mede a habilidade de translocar metais das raízes para a parte área. É calculado, segundo Yoon et al. (2006), com a seguinte fórmula:
Fator de translocação (FT) = [metal] parte aérea / [metal] raiz
Onde, [metal] parte aérea é a concentração do metal na parte aérea da planta e [metal] raiz é a concentração do metal nas raízes da planta. O fator de bioconcentração (BCF) é utilizado para estimar a habilidade de determinada planta de acumular metais do meio (Yoon et al., 2006). É calculado pela seguinte fórmula
Fator de bioconcentração (BCF) = [metal] raiz / [metal] meio
Onde [metal] raiz é a concentração do metal alvo no tecido da raiz da planta coletada e [metal] meio é a concentração do mesmo metal no meio em questão (água ou solo).
A taxa de extração de metal (MER) é definida como a razão de acúmulo de metal na parte aérea à aquele no ambiente (MERTENS et al., 2005). Este índice expressa a capacidade de extração levando em consideração a biomassa produzida e o volume que será descontaminado (MERTENS et al., 2005).
O número de plantas eficazes (PEN) é definido como o número de plantas necessárias para extrair 1g de metal quando a biomassa da parte aérea (PENs) e do total de plantas é considerado (PENt) (SUN et al., 2008).

Proposta de biofiltro

A criação de um de biofiltro dependerá diretamente da escolha da espécie de macrófita aquática mais apta em fitorremediar o ambiente aquático selecionado. Idealiza-se um sistema onde as plantas permanecem fixas a uma rede e são retiradas após um determinado período, rizofiltrando os contaminantes até a sua capacidade limite. Propõe-se então, a substituição dessa biomassa por novas plantas, permitindo que a descontaminação se dê de maneira contínua.
Será primeiramente feito uma análise e proposição teórica em AutoCAD. Posteriormente, será construído um protótipo com análise e experimentação em laboratório e também à campo. O protótipo será desenvolvido e com as melhorias, será desenvolvido uma patente para depósito dentro da Universidade.

Isolamento e caracterização dos microorganismos da Rizosfera das plantas identificadas

O isolamento de microrganismos será feito em todas as áreas em estudo pelo método de enriquecimento, que tem como princípio selecionar microrganismos resistentes a metais pesados por meio seletivo e aumentar o número de indivíduos pelo enriquecimento do meio (CAMARGO et al., 2005).
Para o enriquecimento será utilizado 0,5 gramas de solo coletado e adicionado ao caldo nutritivo contendo 5,0 g.L-1 de peptona, 3,0 g.L-1 de extrato de carne e o metal pesado a ser estudado. Este caldo nutritivo será incubado por 24 horas a 150rpm e a 30°C. Após a primeira incubação serão realizadas mais duas transferências. Para cada transferência será retirado uma alíquota de 1 mL e adicionado para outro caldo nutritivo e incubado.
Após a terceira transferência será retirado uma alíquota de 100 µL e transferido para meio ágar nutritivo contendo a mesma composição do caldo nutritivo mais 15 g.L-1 de ágar, e incubado a 30°C por 24 horas. Após o primeiro plaqueamento serão realizadas três purificações de colônias pelo método de estrias e incubado a 30°C por 24 horas.
A identificação será dividida em duas etapas, a primeira morfológica e a segunda molecular. Para a diferenciação morfológica dos isolados será realizada uma análise quanto à característica da colônia dos diferentes indivíduos, pois esta caracterização pode diferenciar alguns indivíduos visualmente (NEDER, 1992). Já a segunda etapa será realizada a extração e sequenciamento da região 16S do DNA.

Seleção de microrganismos resistentes

Esta etapa tem o objetivo de selecionar microrganismos com melhor habilidade de crescimento e desenvolvimento em condições de alta concentração de metais pesados no meio, e saber quais as condições de pH e temperatura em que favorece o microrganismo.
Os microrganismos isolados serão submetidos a diferentes condições de concentração e metais pesados, pHs, e temperaturas.
Após o crescimento dos microrganismos será avaliado:
a) quantidade de metais pesados biossorvido;
b) metais remanescente no meio;
c) crescimento microbiano;
d) pH final do meio.

Identificação dos mecanismos de resistência relacionados aos metais pesados

Nesta etapa do projeto será verificado qual a maneira em que os organismos resistentes isolados poderão atuar:
a) complexação dos metais pesados;
b) adaptação transitória fisiológica do isolado;
c) aumento da membrana de proteínas diminuindo o transporte de metais pesados;
d) pontes em cápsulas de polissacarídeos;
e) complexos de metalotiamina-proteínas;
f) quelação de proteínas pela secreção dos organismos.

Caracterização das condições ótimas de crescimento microbiano para maximização do processo de biorremediação

Esta etapa irá ser realizada para que se possam obter os melhores crescimentos dos isolados, em uma maior escala de produção e posterior aplicação.

Identificação do mecanismo de absorção e adsorção de metais pesados

Após a identificação de quais são os principais metais imobilizados pelas plantas e microorganismos resistentes e biorremediadoras, a análise do mecanismos de absorção e adsorção será caracterizado. Para isto, testes de ingestão e contato com os metais serão feitos com a adição de diferentes concentrações de metais na solução com as plantas e microorganismos. Após, será feitos diferentes testes de condi

Os resultados pretendidos neste projeto são a identificação de espécies de macrófitas aquáticas e microorganismos ocorrendo naturalmente no ambiente selecionado, bem como a avaliação da habilidade natural de fitorremediar e biorremediar estes ambientes quanto aos metais pesados que estão ocorrendo, visando apontar uma espécie mais adequada para a elaboração de uma proposta de biofiltro. Além disso, com a análise ambiental dos locais contaminados, pretende-se identificar quais são os principais agentes poluidores destes ambientes e também quais ambientes estão sendo poluídos.
O plano de trabalho do projeto está voltado à dois grandes problemas de âmbito nacional: a) a contaminação de ambientes aquáticos pelo uso inadequado dos recursos naturais e a precariedade no saneamento básico, ambos afetando diretamente a saúde pública; b) a descontaminação desses locais é essencial para a proteção da população das proximidades, que por fatores socioeconômicos e culturais apresentam maior susceptibilidade às doenças infectocontagiosas decorrentes da falta de qualidade da água. Além disso, é de fundamental importância a manutenção desses ecossistemas para a garantia de um equilíbrio ecológico que mantenha fauna e flora preservadas e em condições sustentáveis, onde a capacidade de suporte não seja excedida.
Após a realização da primeira etapa, identificação e caracterização das espécies encontradas nestes locais poluídos, pretende-se identificar as diferentes e possíveis formas de fitorremediação e quais as causas que estes metais estão promovendo nas plantas e no ambiente. Além disso, pretende-se saber se há algum tipo de transformação celular nas plantas e nos microorganismos após a contaminação ocorrida no local, e utilização dos potenciais usos desses organismos para a biorremediação. Além disso, com a análise ambiental, pretendemos identificar os agentes da contaminação, como efluentes químicos e ou despejos de esgoto sanitário sem tratamento, para futura redução da poluição ambiental.
A análise ambiental nesta etapa é de fundamental importância para a identificação de cada elemento contaminante, em especial os metais pesados que podem alterar a ecologia e ecotoxicologia do ambiente contaminado. A identificação das possíveis causas de contaminação ambiental, dados estes, que serviram aos órgãos públicos para as futuras tomadas de decisão ambiental.
A idealização de um biofiltro utilizando macrófitas aquáticas destaca-se como uma inovação tecnológica na temática de recuperação de áreas degradadas devido ao baixo custo de implementação e manutenção. Isto se deve ao fato de que é proposta a aplicação de maneira controlada, de plantas presentes naturalmente na região para remoção de contaminantes. Destaca-se também que esta técnica de recuperação tem como benefício a mínima desestruturação da área a ser remediada, visto sua aplicabilidade in situ, ou seja, a descontaminação ocorre no local, e ou ex situ.