Degradação biológica de pesticidas: uma solução para o problema da contaminação ambiental

Por: Luísa Barreiros
REQUIMTE, Departamento de Ciências Químicas, Faculdade de Farmácia, Universidade do Porto
Área Técnico-Científica de Farmácia, Núcleo de Investigação em Farmácia, Centro de Investigação em Saúde e Ambiente (CISA), Escola Superior de Tecnologia da Saúde do Porto (ESTSP), Instituto Politécnico do Porto

Necessidade do uso de pesticidas: vantagens e desvantagens

A população mundial está em constante crescimento, estimando-se que irá aumentar de 6,9 mil milhões para mais de 9,1 mil milhões até 2050 [1, 2]. Actualmente, cerca de 40 % da população mundial depende da agricultura para a sua subsistência [1]. Como consequência do aumento da população e também devido a mudanças progressivas na dieta alimentar, é previsível que os requisitos em alimentos e nutrientes, incluindo fibras, aumentem até 35 % durante os próximos 25-30 anos [1]. Adicionalmente, o uso de produtos agrícolas para produzir substitutos dos combustíveis fósseis é uma área em forte expansão.

Torna-se portanto indispensável aumentar a produção agrícola. Considerando que a área cultivável disponível é limitada, a estratégia passa por aumentar cada vez mais o rendimento de produção. Os produtos fitofarmacêuticos, grupo que inclui os pesticidas, estão entre os compostos que mais contribuem para a obtenção de elevados rendimentos de cultivo, melhoria da qualidade de produtos agrícolas e uma gestão agrícola eficiente [3]. De facto, estima-se que, sem a utilização de pesticidas, haveria uma redução de aproximadamente 40% na produção agrícola global devido à ocorrência de pragas [4, 5]. Actualmente, são aplicadas no ambiente mais de 500 formulações diferentes de pesticidas, sendo a agricultura a área que mais utiliza estes compostos. De acordo com Gavrilescu [6], são aplicados a nível mundial 4 milhões de toneladas de pesticidas por ano para controlar a ocorrência de ervas daninhas, insectos e outras pragas nas culturas agrícolas.

Apesar dos potenciais efeitos benéficos, a produção e aplicação intensivas de pesticidas resultam frequentemente na contaminação de ambientes terrestres e aquáticos. Efectivamente, as práticas agrícolas envolvendo pesticidas, o seu derrame acidental e a libertação não controlada de águas contaminadas resultantes da lavagem de reservatórios de pesticidas ou de efluentes industriais no ambiente circundante têm conduzido à contaminação do ar, água, solo e seres vivos, pondo em risco a saúde humana e a qualidade do ambiente que nos rodeia. É ainda de salientar que, em alguns casos, o pesticida ou pelo menos parte do seu princípio activo pode ser resistente à degradação (recalcitrante), o que propicia a sua acumulação no meio ambiente, incluindo nos seres vivos, e pode provocar efeitos tóxicos a longo prazo [7]. Uma das principais questões levantadas pela contaminação ambiental com pesticidas é precisamente a sua capacidade de bioacumulação e propagação através da cadeia trófica (biomagnificação).

Comportamento e destino dos pesticidas no ambiente

Os pesticidas são contaminantes muito significativos no sistema agrícola solo-água e o seu movimento dos solos tratados para a água constitui um dos principais mecanismos de poluição [8]. A contaminação do sistema solo-água por pesticidas tem levantado questões importantes devido às sérias consequências ecológicas que pode ter e aos potenciais efeitos negativos na saúde pública. O estudo do comportamento e destino dos pesticidas no ambiente é portanto de grande relevância, a fim de se poder prever e preferencialmente evitar a contaminação dos solos e águas.

A partir do momento da sua aplicação, os pesticidas distribuem-se pelos principais compartimentos ambientais: atmosfera, água, solo e sedimentos, e plantas e animais. O comportamento dos pesticidas no ambiente é maioritariamente definido por processos físicos e químicos, embora as transformações biológicas possam também desempenhar um papel relevante. Os processos físicos, que incluem a volatilização, a adsorção e a lixiviação, envolvem o transporte físico dos pesticidas de um compartimento ambiental para outro, sem que ocorra qualquer transformação ou degradação das substâncias [6, 9, 10].

Os processos químicos como a fotodegradação, a ionização e a hidrólise química envolvem a transformação abiótica dos pesticidas provocada pela instabilidade e reactividade das moléculas no ambiente [6, 9, 10]. Através deste tipo de transformação, os pesticidas podem ser degradados ou simplesmente convertidos em formas análogas.

A biodegradação consiste na capacidade dos diferentes seres vivos - plantas, animais e microrganismos - realizarem os processos bioquímicos de oxidação, redução e hidrólise envolvidos na transformação de um composto orgânico xenobiótico [11]. A este respeito, convém referir que um composto xenobiótico é um composto químico que não é comum na natureza [12]. Os microrganismos desempenham um papel fundamental e indispensável na degradação de poluentes ambientais, incluindo os pesticidas. Os microrganismos podem ter capacidade para degradar os compostos xenobióticos enquanto os utilizam como fontes de carbono/azoto e energia para suportar seu crescimento ou, alternativamente, a degradação pode ocorrer apenas na presença de fontes de carbono adicionais e sem produção de energia.

Este segundo processo de biodegradação é designado por cometabolismo e envolve a oxidação dos compostos xenobióticos como substrato secundário durante o crescimento num substrato primário que funciona como fonte de carbono e energia [13].

Através da biodegradação, os compostos xenobióticos podem ser completamente convertidos em matéria inorgânica, nomeadamente água, dióxido de carbono e amónia (mineralização). Esta é a situação mais desejável uma vez que os produtos finais não são tóxicos. Alternativamente, os xenobióticos podem ser transformados em produtos de degradação potencialmente mais tóxicos e recalcitrantes que o composto original [14]. Existem numerosos estudos que ilustram este segundo tipo de processo. É o caso dos trabalhos que descrevem a biodegradação de pesticidas por cometabolismo ou degradação parcial, com acumulação de produtos intermediários [15, 16, 17, 18]. Em alguns casos, a degradação microbiológica pode ser o processo mais importante de dissipação e degradação de pesticidas no ambiente, sendo possível a mineralização completa de um pesticida num curto espaço de tempo [19, 20, 21]. Contudo, os organismos capazes de mineralizar compostos xenobióticos são frequentemente raros no meio ambiente, ou porque as vias metabólicas necessárias não estão disponíveis na natureza, ou quando presentes, podem estar em número muito reduzido.

A contribuição de cada tipo de processo (físico, químico, biológico) para o comportamento e transporte de pesticidas no ambiente é influenciado por diversos factores tais como o clima, a topografia do terreno, o tipo de solo, a frequência de chuvas, as práticas agrícolas e as propriedades físico-químicas de cada pesticida, como a sua solubilidade em água, a sua capacidade de retenção no solo (coeficiente de adsorção, K_oc) e a sua persistência (tempo de semi-vida, T_1/2) [7]. A título de exemplo, os pesticidas persistentes e fortemente adsorvidos ao solo (K_oc e T_1/2 elevados) como o endossulfão permanecem retidos no solo e podem contaminar facilmente águas superficiais. Já pesticidas com valores intermédios de K_oc e T_1/2 como o molinato têm potencial para contaminar águas superficiais mas também subterrâneas.

Estratégias para o tratamento de ambientes contaminados com pesticidas

Nas últimas duas décadas, a tomada de consciência de que a manutenção da qualidade dos recursos naturais é essencial para sustentar a produtividade agrícola conduziu a que a sua possível contaminação com resíduos de pesticidas se tornasse uma preocupação premente [22, 23]. De forma a proteger a qualidade da água e prevenir riscos para a saúde humana, os diversos países do globo criaram organizações que avaliam e regulam o uso de pesticidas e outros compostos potencialmente tóxicos. Por exemplo, em Portugal, os Decretos-Lei nº 243/2001 e nº 306/2007 definem que o valor paramétrico de pesticidas totais em água destinada ao consumo humano é 0,5 µg/L.

Apesar de todos os regulamentos e directivas, estudos realizados por todo o mundo têm detectado a presença de pesticidas no ambiente, por vezes acima dos valores legalmente recomendados, o que levanta questões ecológicas e pode representar uma séria ameaça para a saúde. Consequentemente, revela-se essencial desenvolver estratégias de tratamento que sejam capazes de descontaminar locais poluídos e prevenir contaminações futuras. A variedade de tecnologias actualmente disponível pode ser dividida em processos de tratamento físico-químicos e biológicos. Alguns exemplos de tratamentos físico-químicos são a incineração, a adsorção a uma matriz, a deposição em aterros, a extracção por solventes e a hidrólise por agentes químicos. Já os processos biológicos envolvem geralmente plantas, microrganismos e enzimas, isoladamente ou em combinação, e alguns exemplos deste tipo de tratamento são a biorremediação por microrganismos, fitorremediação, “land farming” e bioreactores. Dependendo da tecnologia utilizada, o processo de tratamento pode realizar-se no local da contaminação (in situ), ou pode requerer o transporte do solo ou água contaminados para uma instalação adequada (geralmente um reactor) para um tratamento ex situ [6].

Biorremediação: a alternativa mais eficaz para a descontaminação de pesticidas?

Entre os diferentes tipos de processos de tratamento, a biorremediação apresenta-se frequentemente como a alternativa mais adequada e mais vantajosa. De facto, quando se comparam as diferentes estratégias para o tratamento de ambientes poluídos, os processos de remediação químicos e físicos requerem com frequência a utilização de condições extremas. Além disso, estes mesmos processos podem ser mais dispendiosos, ineficientes e podem ainda originar problemas ambientais adicionais. A contaminação da matriz no final de um processo de adsorção ou a acumulação de produtos de degradação mais tóxicos que o composto original na incineração ou em processos químicos são alguns exemplos destas implicações ambientais [24, 25]. Em contraste, os processos de tratamento biológico são potencialmente mais eficientes, economicamente vantajosos e ambientalmente seguros uma vez que pode ser alcançada a degradação completa (mineralização) dos contaminantes. Nos últimos anos, a importância e o interesse na biodegradação de poluentes têm-se intensificado como um esforço da humanidade para encontrar formas sustentáveis de limpar ambientes contaminados [6, 19, 26, 27].

Apesar de todas as vantagens, é importante referir que o sucesso de um tratamento biológico está dependente da eficiência dos microrganismos e da estabilidade do composto xenobiótico no ambiente contaminado. A biorremediação é influenciada por diversos factores ambientais como o teor em oxigénio, o pH, a temperatura, a disponibilidade de nutrientes e, em grande parte, pela composição da comunidade microbiana e pela biodisponibilidade do xenobiótico a degradar [6, 28]. A exposição prévia das populações microbianas aos xenobióticos também é importante, uma vez que é frequentemente propiciadora da adaptação dos microrganismos. Efectivamente, quando os microrganismos são submetidos a condições de stress como a limitação de nutrientes, podem desenvolver funções genéticas codificadoras de vias metabólicas de degradação de xenobióticos [26, 29, 30, 31].

No que diz respeito ao tratamento específico de resíduos e locais contaminados com pesticidas, têm vindo a ser desenvolvidas numerosas estratégias in situ e ex situ. Os processos in situ são geralmente opções mais desejáveis uma vez que implicam custos mais reduzidos e perturbam menos o meio ambiente pois não requerem a transferência dos contaminantes [32, 33]. A atenuação natural, também designada por biorremediação intrínseca, é por definição um processo in situ e consiste na degradação de compostos tóxicos por microrganismos autóctones (indígenas/naturais daquele ambiente), sem qualquer adição, modificação ou interferência, ou seja, sem intervenção humana [34, 35]. Os custos deste tipo de processo são baixos ou praticamente inexistentes, apenas é necessária a monitorização do local contaminado para garantir que o processo de biorremediação está a funcionar [6]. No entanto, esta estratégia de tratamento é geralmente mais lenta do que qualquer outro processo de remediação, principalmente porque as condições ideais para a degradação natural podem não estar reunidas no mesmo tempo e local. Assim, este tratamento pode não resultar na redução eficaz da contaminação para valores aceitáveis. De modo a ultrapassar estas limitações, têm sido desenvolvidos vários processos de biorremediação in situ, dos quais se destacam a bioestimulação e a bioinoculação. No processo de bioestimulação, a actividade degradativa dos organismos autóctones do local poluído é estimulada e incrementada através de alterações nos factores ambientais como o arejamento, o ajuste de pH, de temperatura e humidade e através da adição de nutrientes [36]. A bioinoculação consiste na adição ao ambiente poluído de microrganismos autóctones ou alóctones (não indígenas daquele ambiente) com capacidade de degradar o contaminante alvo ou que actuam como fornecedores de genes catabólicos [28, 37]. É ainda de salientar que microrganismos geneticamente modificados com as propriedades desejáveis também podem ser utilizados em estratégias de bioinoculação [38, 39].

Os tratamentos biológicos in situ têm, no entanto, algumas limitações. Uma das principais limitações é a complexidade e heterogeneidade do ambiente poluído, que pode pôr em causa e reduzir a eficácia do processo [6, 40]. Além disso, existe por vezes dificuldade em monitorizar, controlar e prever este tipo de tratamento. Por estas razões, pode recorrer-se em alternativa a estratégias de biorremediação ex situ como “land farming”, compostagem e bioreactores [6, 41].

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