A DISSEMINAÇÃO E O AUMENTO DA ACEITAÇÃO DOS CONCEITOS DA BIO-AUMENTAÇÃO Cleveland M. Jones1 Economista (Cornell University), Coordenador, Núcleo de Estudos de Engenharia de Produção (NEPRO), Departamento de Engenharia Industrial, UERJ, Rio de Janeiro – RJ; (5521) 3183-7172, e-mail:
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Encontro Técnico-Científico da 6ª Ecolatina 18 a 21 de setembro de 2006 - Belo Horizonte - MG
RESUMO: As tecnologias de manuseio genético e outras biotecnologias recentes trouxeram uma disseminação geral dos conceitos que envolvem os processos biológicos mais básicos, porém muito mais amplamente empregados na indústria e em serviços públicos. O conhecimento de ponta, em relação a melhoramentos biológicos na indústria farmacêutica, na medicina e no agronegócio, também impulsionaram a aceitação e valorização das tecnologias biológicas naturais, menos sofisticadas, em aplicações como o tratamento de efluentes sanitários e industriais, na biorremediação de solos contaminados, e na agroindústria. Dada a grande abrangência destas aplicações, o potencial das tecnologias biológicas, e especialmente o da bio-aumentação, é enorme. A disseminação e aceitação da bio-aumentação trouxe maior visibilidade para os fornecedores desta tecnologia, e gerou a diferenciação e evolução dos produtos e serviços oferecidos, através de uma maior concorrência e do estímulo ao desenvolvimento de inovações. Esta situação representa uma tendência saudável para a indústria e para a sociedade como um todo, favorecendo o desenvolvimento sustentável. PALAVRAS-CHAVE: Biotecnologia, desenvolvimento sustentável, inovação
THE SPREAD AND GROWING ACCEPTANCE OF BIO-AUGMENTATION CONCEPTS ABSTRACT: Genetic manipulation technologies and other recent biotechnologies led to a general dissemination of concepts involving more basic biological processes, yet these are much more widely used in industry and public services. Leading edge knowledge in relation to biological improvements used in the pharmaceutical industry, medical field and in agribusiness also promoted the acceptance and recognition of less sophisticated, more natural biotechnologies, in applications such as industrial and municipal wastewater treatment, the bioremediation of contaminated soils, as well as in the agribusiness sector. Given the wide range of these applications, the potential of these biological technologies, and especially that of bio-augmentation, is huge. The spread and acceptance of the technology of bio-augmentation brought more visibility to the suppliers of this technology, and resulted in the differentiation and evolution of the products and services offered, due to more competition and the incentive to develop innovations. This situation is positive for the industry and for society as a whole, helping to promote sustainable development. KEYWORDS: Biotechnology, sustainable development
INTRODUÇÃO Dentre os processos biológicos naturais, tradicionalmente adaptados e utilizados comercialmente, estão aplicações que permeiam toda a sociedade moderna, desde milênios até a atualidade. A produção de alimentos tem utilizado os processos biológicos há
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milhares de anos, na fabricação de queijo, iogurte, vinagre, vinho, cerveja, e outros. Na área de saneamento, os cuidados com o tratamento dos dejetos das residências vem, desde meados do século XIX, aplicando processos biológicos para dar destino adequado aos esgotos domésticos em fossas. Antes disso, fossas e sumidouros simples já faziam parte de orientações rotineiras na China e em outras culturas. No século XX, a partir dos anos sessenta, nos EUA, disseminou-se o uso de aditivos biológicos em estações de tratamento de efluentes (ETEs) (SEGHEZZO, 1998). Mesmo com pouca compreensão científica, há muito o funcionamento de ETEs era iniciado e mantido através da adição de esterco e outras fontes de aditivos biológicos naturais, para manter seus processos biológicos ativos. No agronegócio, a pressão para alcançar maiores produtividades levaram ao uso de probióticos na alimentação de animais, desde a década de 1970. Nas últimas décadas, os desenvolvimentos científicos na área da biologia e da bioengenharia, focados na indústria farmacêutica e na medicina, promoveram uma verdadeira revolução na forma como a sociedade percebe os processos biológicos (MENN, 2000, SCHNEEGURT, 1998, SELVARATNAM, 1997). Agora se reconhece que a natureza esconde muitos mais segredos em sua matriz mais básica, os processos biológicos realizados por microrganismos e mediados por sua codificação genética, do que jamais se pensava (FAUSTINO, 2005). Mesmo com toda a tecnologia e poder de investigação disponível, através de processos automatizados para pesquisas, estamos longe de compreender, e muito mais longe de controlar eficazmente, estes processos em sua raiz. Mudou a forma de pensar, em relação à busca por soluções para os problemas na indústria, na produção, no saneamento e no meio ambiente. Em vez de buscar soluções criadas ou inventadas pela engenharia humana, buscam-se soluções existentes na natureza, para estes mesmos problemas (PAULSEN, 2002). Descobriu-se que a natureza, através dos processos biológicos naturalmente desenvolvidos pelos microrganismos, detém soluções inéditas, incrivelmente complexas, para praticamente qualquer problema encontrado pelo homem em escala macro (SHORT, 2005. COMM TECH LAB, 2005) Além da corrida tecnológica para compreender e dominar estes processos, e desenvolver soluções dirigidas por nosso conhecimento, usando sofisticadas tecnologias de manipulação genética e conhecimento de ponta em outras disciplinas, também se abriu o caminho para encontrar soluções prontas, disponíveis na natureza, que apenas precisam ser aplicadas na prática. Este é, fundamentalmente, o estado da arte da bio-aumentação, que se apresenta hoje como fonte de solução para os mais diversos problemas (GROMMEN, 2002).
BIOTECNOLOGIAS NATURAIS É necessário, portanto, fazer uma separação entre as biotecnologias atualmente sendo desenvolvidas. Diferenciamos a biotecnologia que envolve a manipulação genética, a bioengenharia, e demais técnicas focadas no direcionamento humano dos processos biológicos, da biotecnologia natural, que envolve a aplicação de processos e microrganismos naturais, focando as técnicas de seleção e a aplicação adequada aos problemas em tela. Ainda na biotecnologia natural, cabe diferenciar a bio-estimulação da bio-aumentação. A bio-estimulação refere-se à adição de produtos químicos, não microrganismos, para estimular processos biológicos, especialmente através da adição de nutrientes e fatores críticos identificados como úteis aos microrganismos presentes, e que realizam um processo biológico desejado. Este termo também contempla medidas que visam modificar condições físicas que possam estimular a biota presente.
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A bio-estimulação reconhece o valor dos processos biológicos levados a cabo por comunidades biológicas naturais, e coloca ênfase nos organismos que realizam estas tarefas, buscando otimizar seu próprio desempenho. Como conceito, a bio-estimulação representa um avanço em relação à postura orgulhosa, em que o homem pretende fazer melhor do que a natureza, tentando desenvolver soluções inéditas, independentemente das que foram desenvolvidas pela natureza através de processos evolutivos, aprimorados durante bilhões de anos. Ainda assim, esbarra na limitação do escopo de seu alcance, pois apenas considera a otimização do desempenho da biota existente naturalmente no local. A bio-aumentação refere-se à adição de microrganismos em si, seja de uma ou de mais cepas, e, freqüentemente, em combinações que resultam em efeitos mais notáveis do que os promovidos por cepas individuais. A bio-aumentação não exclui a possibilidade da adição conjunta de produtos químicos, nutrientes e outros, conquanto o objetivo seja o de estabelecer determinados processos biológicos através da adição de populações de microrganismos especificamente selecionados, modificando a população microbiana existente para promover os processos biológicos desejados. Como o foco é no resultado, ou seja, na otimização dos processos desejados, não apenas na biota existente, a abrangência do conceito da bio-aumentação é maior. Desta forma, considera-se aqui a bio-aumentação como a biotecnologia de ponta na qual devemos empenhar esforços para seu aprimoramento e aplicação, como forma de alcançar os benefícios possíveis em diversas aplicações práticas. Entre as aplicações onde a bioaumentação apresenta maior potencial estão o tratamento de efluentes e a biorremediação de solos contaminados.
VISÃO TRADICIONAL DOS PROCESSOS BIOLÓGICOS No tratamento de efluentes, por exemplo, o processo desejado poderia ser a degradação eficaz de compostos indesejados, presentes no efluente que chega à ETE. Até recentemente, acreditava-se que, com o tempo, as populações mais adequadas ao desempenho de um determinado processo biológico assumiriam naturalmente proporções populacionais dominantes. Este raciocínio parte de duas premissas: primeiro, que a população nativa, introduzida via as diversas fontes normais possíveis, como a poeira trazida pelos ventos, a água de chuva ou o próprio efluente a ser tratado em uma ETE, sempre contêm os tipos de microrganismos mais adequados ao desempenho do processo; segundo, que estes microrganismos crescerão até atingir populações suficientes para realizar, eficientemente, os processos desejados. Na realidade, não existe nenhum mecanismo operante que garanta estas situações, e mesmo se uma ETE, por exemplo, conseguir desenvolver um mix populacional adequado, de sua biota, ainda podem existir limitações de desempenho que somente possam ser superadas através da introdução de populações superiores (mais eficazes). Outra crença intuitiva, que tem dificultado a assimilação destas tecnologias, é que a inoculação de microrganismos em uma ETE, por exemplo, deveria ser eficaz mesmo se feita uma só vez, e não continuamente. Como este efeito geralmente não perdura, e a bioaumentação precisa ocorrer continuamente para manter o mix populacional ideal, desejado para sua biota, o próprio conceito básico que fundamenta a bio-aumentação tem sido questionado. Na realidade, o conceito da bio-aumentação não se baseia apenas no fato de introduzir novos microrganismos no sistema de tratamento, mas em manter um novo equilíbrio no mix populacional da ETE, através da adição constante e suficiente de populações desejadas, para superar as tendências contrárias, resultantes dos diferentes fatores que afetam seu equilíbrio.
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A bio-aumentação tem sido aplicada desde os anos 1960, mas devido à falta de compreensão dos mecanismos biológicos básicos, operantes nesta tecnologia, e devido à dificuldade de documentar os resultados adequadamente, ela tem sido considerada pouco científica.
O RECONHECIMENTO DA COMPLEXIDADE DOS PROCESSOS BIOLÓGICOS Com relação aos fatores que afetam os processos biológicos, muitos dos mecanismos envolvidos, em nível molecular e de células, apenas agora começam a ser compreendidos, e estamos descobrindo que empiricamente são observados processos que jamais poderíamos ter imaginado, e que não podemos explicar satisfatoriamente com o conhecimento atual. Não se trata de questões metafísicas, apenas de uma tecnologia que ainda não dominamos adequadamente. Seria muita pretensão humana julgar que compreendemos perfeitamente o funcionamento de certos processos, apenas porque entendemos um modelo conceitual imensamente simplificado. Ainda assim, hoje se tem uma compreensão básica, mas fundamental dos processos envolvidos na bio-aumentação. Antes da bio-aumentação, a biota de uma ETE, por exemplo, normalmente consiste de diversos tipos de microrganismos, alguns mais eficazes do que outros, na degradação dos diversos compostos orgânicos presentes, e na produção de uma biomassa sedimentável, passível de ser removida facilmente do efluente tratado. Esta situação é descrita classicamente na Figura 1, onde a população dos tipos de microrganismos nativos desejáveis, eficazes na degradação dos compostos orgânicos presentes, é indicada como População A; a população dos demais tipos de microrganismos nativos é indicada como População B; e a população dos tipos de microrganismos selecionados para serem adicionados à ETE, por serem conhecidamente mais eficazes na degradação dos compostos orgânicos presentes, é indicada como População C. O objetivo da bio-aumentação é modificar a biota da ETE, ampliando a fatia da População A, estabelecendo a fatia da População C, e minimizando a fatia da População B.
Antes da bio-aumentação
População A
Depois da bio-aumentação
População C População B
População A
População B
População A: microrganismos nativos desejáveis População B: demais microrganismos nativos População C: microrganismos adicionados via bio-aumentação Figura 1 - Populações bacterianas antes e depois da bio-aumentação A bio-estimulação também pode fazer parte da bio-aumentação, pois diversos micronutrientes são essenciais para complementar os nutrientes básicos e preencher as
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necessidades de alimentação de uma biota, de forma a permitir o desenvolvimento saudável e seu pleno desempenho. Numa ETE, a temperatura ambiente, as condições de operação, diferentes equipamentos, e como outros fatores, podem ser suficientes para afetar o desempenho de populações críticas para o resultado desejado. Alguns fatores podem até ser imperceptíveis, por não serem objeto de monitoramento especifico, ou podem parecer individualmente insignificantes, mas no complexo funcionamento interdependente das populações microbianas da ETE, eles podem causar grandes divergências em seu desempenho (OCHIENG, 2002). Muitas ETEs nunca atingem um mix ideal de populações microbianas, ou sequer um mix satisfatório, e operam com baixo desempenho. A biota é a chave de qualquer sistema biológico, e existe em um constante equilíbrio dinâmico, que pode variar bastante. Alguns microrganismos estão morrendo e outros crescendo, fazendo com que as proporções populacionais de cada tipo variem, e diferentes tipos de microrganismos se tornem atuantes ou dominantes. Não compreendemos totalmente como as condições favoráveis podem se estabelecer, nem como elas podem desaparecer tão facilmente, mas não é difícil imaginar como inúmeros fatores, dificilmente conhecidos ou controlados, possam influenciar o desempenho final de uma ETE.
A INDÚSTRIA DA BIO-AUMENTAÇÃO A indústria de aditivos biológicos, usados como insumos na bio-aumentação, foi desenvolvida a partir dos anos 1960, justamente para atender a necessidade das ETEs de se recuperar mais rapidamente, quando ocorriam problemas operacionais relacionados à alteração de suas populações microbianas, já que a recuperação da operação de uma ETE passa pelo re-estabelecimento das populações afetadas. Gradualmente, esta indústria passou a atender os objetivos de otimização de ETEs, mesmo daquelas sem problemas pontuais de queda abrupta de seu desempenho, devido a desequilíbrios microbianos (FOSTER, 2005). Tipicamente, os produtos da indústria de aditivos biológicos consistem de várias cepas de microrganismos, geralmente bactérias e fungos, além de outros componentes (aditivos químicos, micronutrientes, etc.), para potencializar sua eficácia. Estes microrganismos são isolados de ambientes naturais, sem sofrer qualquer modificação genética, e selecionados de acordo com diversos critérios para acentuar características desejáveis, ou reduzir características indesejáveis. À medida que os principais bancos de cepas, como o American Type Culture Collection (ATCC) ou o CNCM (Institut Pasteur) se consagraram como fontes confiáveis de microrganismos com características seguras e processos metabólicos conhecidos, os fornecedores passaram a utilizar, quase que exclusivamente, estas fontes confiáveis de cepas originais para seus produtos. O conhecimento da biologia, microbiologia e química dos microrganismos e de seus processos geralmente está disponível sem restrições aos pesquisadores e técnicos que desenvolvem novos aditivos biológicos. Porém o conhecimento sobre as interações dos microrganismos e seus processos, adquirido com muito trabalho e custo, no laboratório e no campo, forma a base da inteligência competitiva dos fabricantes concorrentes, e não é livremente compartilhada, pois representa um fator crítico de vantagem competitiva entre eles. Os fornecedores fazem uso de diferentes critérios e combinações destas características, para formular seus produtos. Desta forma, a qualidade dos produtos disponíveis evoluiu, à medida que estudos em laboratórios, aliados a experiências de campo, resultaram em novos produtos com atuação específica, e outros aprimoramentos (PODELLA, 2004, QUESNEL, 2005, QURESHI, 2005, VOGELAAR, 2002).
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Hoje existem produtos disponíveis comercialmente, com capacidade de quebrar compostos orgânicos de difícil degradação, como fenóis, TCE, CFCs, HCFCs, e PAHs, em subprodutos menos complexos e mais facilmente metabolizados por outros tipos de microrganismos, assim como produtos não tradicionais, com muito melhor eficiência na redução de amônia (nitrificação/desnitrificação), por exemplo (ALDRETT, 1997, BOOPATHY, 2004). Como resultado de aprimoramentos tecnológicos, os produtos biológicos melhoraram de qualidade por conta dos ingredientes não-biológicos que os fabricantes utilizam, pois sem micronutrientes na quantidade, diversidade e características de assimilação adequadas, a biota não atingirá seu potencial de desempenho. A evolução de produtos que integram combinações otimizadas de componentes biológicos e outros ingredientes permitiu que a carcinicultura, por exemplo, alcance maior produtividade com menor impacto ambiental, ajudando no desenvolvimento sustentável desta indústria (JONES, 2003). Finalmente, os aditivos biológicos também evoluíram em relação às técnicas de acondicionamento, concentração e conservação, tratadas como fatores importantes de vantagem competitiva entre fabricantes. Os produtos geralmente são fornecidos como microrganismos liofilizados veiculados em farelo de grãos, ou em suspensões líquidas estabilizadas. Ambas as técnicas evoluíram bastante, e hoje existem produtos embalados em sacos plásticos solúveis, que potencializam seu desempenho e facilitam sua aplicação, assim como formas sólidas, que permitem um aproveitamento muito superior, em certas aplicações. As soluções líquidas também vêm apresentando melhores viabilidades dos microrganismos, e validades mais longas dos seus componentes ativos.
CONCLUSÃO – OS BENEFÍCIOS DO AMADURECIMENTO DA BIO-AUMENTAÇÃO A disseminação, amadurecimento e aceitação da bio-aumentação, e sua conseqüente evolução tecnológica, resultou em novos produtos, novas aplicações, maior qualidade e eficácia, e até melhor economicidade, proveniente de economias de escalas na produção dos principais fornecedores. Estes avanços trouxeram resultados antes impossíveis de alcançar, e transformaram não somente a indústria da bio-aumentação, como o leque de ferramentas disponíveis para solucionar muitos dos problemas enfrentados na indústria, no saneamento, e na proteção e recuperação ambiental. Uma maior concorrência e as inovações da indústria da bio-aumentação apontam para perspectivas de crescimento da indústria, e para grandes benefícios para a sociedade, através das aplicações possíveis. É um caminho para o desenvolvimento sustentável.
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