Remediação de glifosato a partir de microalgas e biochar do caroço de açaí

Orientador: Prof. Dr. Jorge Alberto Vieira Costa

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 08/08/2023

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Resumo: A produção de alimentos impulsionada pelo crescimento da população tornou a agricultura dependente do uso de agrotóxicos. Esse crescimento foi simultâneo a poluição dos recursos hídricos, principalmente devido ao uso intensivo e por vezes inadequado dos pesticidas. O glifosato é o herbicida mais utilizado no mundo, logo, faz-se necessário desenvolver tecnologias para minimizar os impactos negativos deste agrotóxico. O biochar e as microalgas apresentam potencial para remoção deste poluente. Com isso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de remediação do glifosato utilizando adsorvente de caroço de açaí e a biodegradação do herbicida por Synechococcus nidulans LEB 115 e Scenedesmus obliquus LEB 117. O biochar do caroço de açaí foi obtido por pirólise (1 h e 700 °C). Os adsorventes produzidos (biochar de caroço de açaí e biochar do caroço de açaí com Fe) foram analisados na remoção de glifosato. Ensaios de adsorção em batelada foram realizados para investigar o efeito do pH (3,0 a 9,0), dosagem de adsorvente (0,25 a 10 g L-1), concentração de glifosato (0 a 220 mg L-1), tempo de contato (0 a 90 min) e temperatura (25 a 45 °C) sobre a capacidade de adsorção, cinética, parâmetros isotérmicos e termodinâmicos. A reutilização do biochar foi avaliada por 5 ciclos. Cultivos microalgais também foram testados quanto a capacidade de remoção de glifosato. S. nidulans LEB 115 e S. obliquus LEB 117 foram analisadas com 4, 8 e 12 mg L-1 de glifosato em meio BG-11 por 15 d. Além disso, consórcios microalgais foram realizados com adição de 4 mg L-1 de glifosato. Ao final do cultivo, a biomassa foi coletada para determinação da composição bioquímica e o sobrenadante foi utilizado para determinação residual de glifosato e ácido aminometilfosfônico (AMPA). O biochar impregnado com ferro apresentou maior eficiência de adsorção (87,9%) em relação ao adsorvente puro, sendo reutilizado com boa eficiência por até 5 ciclos. O modelo de pseudoprimeira ordem foi mais apropriado para descrever a cinética de adsorção. As isotermas de equilíbrio de adsorção foram melhor ajustadas ao modelo de Langmuir. A capacidade máxima de adsorção foi 96 mg g-1 (25 °C). O estudo termodinâmico foi espontâneo, favorável e exotérmico. Os cultivos microalgais demonstraram resistência em até 12 mg L-1 de glifosato, com produção máxima de biomassa de S. nidulans LEB 115 (0,68 g L-1) e S. obliquus LEB 117 (1,11 g L-1). Entretanto, maiores eficiências de biodegradação ocorreram em 4 mg L-1 de glifosato (35,3% para S. nidulans LEB 115 e 28,5% para S. obliquus LEB 117). S. obliquus LEB 117 apresentou menor produção de AMPA (0,01 mg L-1) e maior potencial para ser utilizada na produção de biocombustíveis (41,2% carboidratos e 21,0% lipídios). A utilização de consórcios não influenciou nos processos de biodegradação. Dessa forma, os resultados deste estudo indicam que S. obliquus LEB 117 pode crescer utilizando glifosato como fonte de nutriente, realizando a biorremediação e sendo fonte sustentável para a produção de biocombustíveis e outros bioprodutos, sem gerar poluição secundária pela formação de AMPA.

Abstract: The production of food driven by population growth has made agriculture dependent on pesticide use. This growth has occurred simultaneously with water resource pollution, mainly due to the intensive and sometimes inappropriate use of pesticides. Glyphosate is the most widely used herbicide in the world, hence the need to develop technologies to minimize its negative impacts. Biochar and microalgae have the potential for removing this pollutant. Therefore, the objective of this work was to evaluate the remediation capacity of glyphosate using açai seed biochar as an adsorbent and the herbicide biodegradation by Synechococcus nidulans LEB 115 and Scenedesmus obliquus LEB 117. The açai seed biochar was obtained by pyrolysis (1 h and 700 °C). The produced adsorbents (açai seed biochar and açai seed biochar with Fe) were analyzed for glyphosate removal. Batch adsorption assays were performed to investigate the effect of pH (3.0 to 9.0), adsorbent dosage (0.25 to 10 g L-1), glyphosate concentration (0 to 220 mg L-1), contact time (0 to 90 min), and temperature (25 to 45 °C) on adsorption capacity, kinetics, isotherm, and thermodynamic parameters. Biochar reusability was evaluated for up to 5 cycles. Microalgal cultures were also tested for glyphosate removal capacity. S. nidulans LEB 115 and S. obliquus LEB 117 were analyzed with 4, 8, and 12 mg L-1 of glyphosate in BG-11 medium for 15 days. Additionally, microalgal consortia were conducted with the addition of 4 mg L-1 glyphosate. At the end of the cultivation, biomass was collected for biochemical composition determination, and the supernatant was used for residual glyphosate and aminomethylphosphonic acid (AMPA) determination. Iron-impregnated biochar showed higher adsorption efficiency (87.9%) compared to the pure adsorbent and was efficiently reused for up to 5 cycles. The pseudo-first order model was more appropriate to describe the adsorption kinetics. The adsorption equilibrium isotherms were best fitted by the Langmuir model, with a maximum adsorption capacity of 96 mg g-1 (25 °C). The thermodynamic study indicated a spontaneous, favorable, and exothermic process. Microalgal cultures showed resistance up to 12 mg L-1 of glyphosate, with the maximum biomass production for S. nidulans LEB 115 (0.68 g L-1) and S. obliquus LEB 117 (1.11 g L-1). However, higher biodegradation efficiencies occurred at 4 mg L-1 of glyphosate (35.3% for S. nidulans LEB 115 and 28.5% for S. obliquus LEB 117). S. obliquus LEB 117 exhibited lower AMPA production (0.01 mg L-1) and greater potential for use in biofuel production (41.2% carbohydrates and 21.0% lipids). The use of consortia did not influence the biodegradation processes. Thus, the results of this study indicate that S. obliquus LEB 117 can grow using glyphosate as a nutrient source, performing bioremediation and being a sustainable source for biofuel production, without generating secondary pollution through AMPA formation.