Os cientistas dizem que as comunidades bacterianas são a chave para sistemas de tratamento eficientes e de baixo custo para os efluentes da indústria de petróleo e gás.
Perfurar um poço para a extração de hidrocarbonetos por meio de fraturamento hidráulico ou “fracking” pode exigir entre 6.000 e 60.000 m3 de água. Uma vez em operação, a água produzida que retorna à superfície juntamente com os hidrocarbonetos extraídos é uma mistura da água injetada com hidrocarbonetos, produtos químicos e sais. A maior parte é eliminada por injeção subterrânea em poços e menos de 1% é reutilizado.
Imagem: baona/iStock
É possível reutilizar a água produzida durante a fratura? Sim, podemos deixar os microorganismos fazerem a descontaminação.
Uma equipe de cientistas do Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab, Departamento de Energia dos EUA) está desenvolvendo um sistema baseado em micróbios para eliminar compostos tóxicos da água produzida, para que possa ser reutilizado em outros setores intensivos em água, como agricultura ou geração de energia. O novo projeto é parte de uma onda de pesquisas recentes voltadas para o aproveitamento de sistemas biológicos em vez de equipamentos caros, de alta tecnologia ou coquetéis químicos intensos para a água limpa.
“Sabemos que os micróbios são excelentes para a limpeza da água ”, afirmou Susannah Tringe, pesquisadora em Genômica Microbiana da Divisão de Genômica Ambiental e Biologia de Sistemas, co-líder do projeto. “Os cientistas demonstraram o potencial do uso de comunidades microbianas para remover o excesso de fósforo e nitrogênio de vários outros tipos de efluentes, incluindo companhias públicas de abastecimento, e na remoção de contaminantes plásticos tóxicos da água usado nas fábricas. E quase todas as cidades têm usado o tratamento microbiológico da água de esgoto há anos. ”
“A demanda por água potável está aumentando, nossos recursos naturais estão quase no limite e as mudanças climáticas irão piorar as coisas. É urgente encontrar maneiras de reutilizar a água que já foi extraída do meio ambiente”, disse Susannah Tringe.
Uma Opção de Tratamento Comprovada
O processo para o tratamento microbiológico de água é simples, pelo menos em teoria: inicialmente descubra quais micróbios irão decompor os contaminantes em questão para cultivá-los em um biorreator. Quando você adiciona efluentes a essa comunidade, uma ou mais espécies metabolizam os compostos tóxicos em moléculas diferentes, que são ingeridas por um novo conjunto de espécies, e assim por diante. Este ciclo continua, idealmente, até que apenas subprodutos benignos, como água, gás nitrogênio e dióxido de carbono, sejam deixados. Depois de passar por um sistema simples de filtração e desinfecção, a água pode ser reintroduzida com segurança em bacias hidrográficas ou utilizada para a maioria das aplicações industriais.
Reúso, decantação e purificação de água por microrganismos em estação de tratamento água. (Imagem: antikainen / iStock)
Eficiente em termos energéticos e altamente rentável em comparação com outros métodos, o tratamento microbiano é considerado uma das melhores formas de remover constituintes orgânicos dissolvidos e nutrientes da água contaminada. Como a técnica depende da combinação de muitas espécies microbianas com habilidades metabólicas muito específicas, cada tipo de efluente requer uma receita microbiana única. Infelizmente, encontrar a receita correta pode consumir muito tempo.
A maioria das comunidades microbianas de tratamento de esgoto, conhecidas como “microbiomas de lodo”, amplamente utilizadas hoje foram montadas através de intensos experimentos de tentativa e erro que envolveram coleta de micróbios que ocorreram naturalmente em esgoto, cultivando-os em várias misturas nos tanques e esperando até que um grupo eficaz, porém estável, emergisse.
Sob uma bolsa da National Science Foundation, um grupo baseado na Colorado School of Mines passou os últimos anos trabalhando para aclimatar micróbios retirados de um microbioma de lodo e de vários ambientes naturais extremos. Os cientistas, liderados pelo engenheiro civil e ambiental Tzahi Cath, demonstraram em experimentos de pequena escala que alguns micróbios são capazes de adaptar o seu metabolismo e fisiologia para se alimentar de elementos produzidos na água e sobreviver em águas inóspitas e potencialmente tóxicas para a maioria dos organismos.
No entanto, é necessário otimizar esta comunidade de microorganismos para alcançar maior eficiência, e o grupo viu a oportunidade de trabalhar ao lado de cientistas com expertise em genômica e equipamentos para acelerar e melhorar a evolução dos micróbios. Mesmo atualmente, onde os cientistas podem facilmente modificar geneticamente os micróbios para realizar funções especializadas, inserindo genes em proteínas selecionadas, projetar um microbioma de tratamento não é uma tarefa simples. A dificuldade está em descobrir quais proteínas de ocorrência natural podem realmente desempenhar as funções de interesse e, em seguida, descobrir qual gene ou genes que codificam essas proteínas.
Agilizando a Inovação
É aqui que entra o Berkeley Lab. O conhecimento das capacidades úteis em comunidades microbianas é um dos principais pontos fortes do Laboratório. Tringe e os pesquisadores, Romy Chakraborty e William Stringfellow da Área de Ciências Ambientais e da Terra, estavam interessados em trabalhar junto com a equipe da Colorado School of Mines, porque lhes permite avançar a pesquisa microbianos para outra das prioridades do Berkeley Lab: desenvolver novas tecnologias para enfrentar desafios da energia hídrica. Esses esforços fazem parte do Water-Energy Resilience Research Institute (WERRI), do Berkeley Lab.
“Você não pode produzir petróleo sem água. Em média, 15 barris (2.370 litros) de efluentes são produzidos para cada barril (159 litros) de petróleo extraído da formação, e 130 bilhões de galões ou 492.103.256,89 m3 de efluentes são produzidos a cada ano na extração de petróleo e gás somente na Califórnia ”, explicou Chakraborty, líder da equipe do Berkeley Lab e chefe do Departamento de Ecologia. “A água é então injetada de volta em formações muito profundas, descarregadas em águas superficiais depois de algum tratamento, ou às vezes transportadas para alguma lagoa. No entanto, no mesmo estado, uma região agrícola economicamente importante, os agricultores estão enfrentando incertezas e desconforto devido a frequentes eventos de seca. Este projeto de pesquisa nos permitirá transformar um passivo ambiental em recurso ”.
Susannah Tringe e James Rosenblum em instalação de fracking hidráulico no Colorado. (Imagem: James Rosenblum)
A equipe do Berkeley Lab começou a usar suas ferramentas de análise e sequenciamento de ponta para traçar os genes e proteínas dos microbiomas adaptados do grupo de Colorado School of Mines. Os cientistas também estão trabalhando para caracterizar os diversos contaminantes que podem aparecer na água produzida, que é conhecida por variar muito entre os locais de produção de petróleo e gás e até mesmo os poços individuais no mesmo local, para que eles tenham uma visão mais clara de quais capacidades metabólicas os microbiomas exigirão. A remoção dos sais dissolvidos na água produzida, no entanto, não pode ser realizada eficientemente com micróbios e envolverá um processo adicional de dessalinização durante o tratamento.
Até 2020, a equipe espera começar a cultivar os micróbios em comunidades cuidadosamente projetadas dentro de biorreatores e testar como eles tratam a água produzida sob várias condições. Uma vez identificado um microbioma eficaz, a equipe de Colorado School of Mines usará seus conhecimentos para começar a projetar um processo completo e em grande escala.
“Nessa parceria estamos tentando adaptar um sistema com uma comunidade microbiana diversa e rica que possa lidar com essas mudanças e variabilidades”, disse James Rosenblum, professor em Colorado School of Mines e diretor do WE2ST Water Technology Hub. “Esperamos que um sistema biológico otimizado possa desempenhar um papel importante em vários processos de tratamento de águas produzidas, assim como acontece na maioria dos processos municipais e industriais ao redor do mundo, e acreditamos que essa parceria está nos ajudando a alcançar esse objetivo.”
O biorreator da Colorado School of Mines (Imagem: James Rosenblum)
Fundado em 1931, com a crença de que os maiores desafios científicos são mais bem enfrentados pelas equipes, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e seus cientistas foram reconhecidos com 13 prêmios Nobel. Hoje, os pesquisadores do Berkeley Lab desenvolvem soluções sustentáveis de energia e ambientais, criam novos materiais, avançam as fronteiras da computação e sondam os mistérios da vida, da matéria e do universo. Cientistas de todo o mundo confiam nas instalações do laboratório para sua própria ciência de descoberta. O Berkeley Lab é um laboratório nacional multiprograma, gerenciado pela Universidade da Califórnia para o Departamento de Energia dos EUA.
O Escritório de Ciência do Departamento de Energia é o maior defensor para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo. Para mais informações, visite energy.gov/science.
