Biogeoquímica de ferro em solos impactados por rejeitos de mineração: da avaliação de risco às estratégias de biorremediação aprimoradas

Autor(es)

Amanda Duim Ferreira

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Piracicaba.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALA/BC)
• Data de defesa: 2024-03-01

Membros da banca

Tiago Osorio Ferreira; Owen William Duckworth; Dean Louis Ralph Hesterberg

• Orientador: Tiago Osorio Ferreira

Resumo

O \"Desastre de Mariana\", um dos maiores desastres ambientais do mundo, liberou na Bacia do Rio Doce mais de 50 milhões de m3 de rejeitos de mineração de ferro (Fe), que tem como destino o estuário, localizado no município de Linhares, Espírito Santo. Solos estuarinos são fortemente influenciados pelas oscilações redox, que controlam a dinâmica de Fe, um dos principais componentes do rejeito. Além disso, o Fe, tem grande influência na dinâmica de elementos potencialmente tóxicos (EPTs). Nesse sentido, este estudo teve como objetivos: i) estudar os controles biogeoquímicos da dinâmica do Fe e EPTs nos solos estuarinos; ii) determinar possíveis riscos associados ao consumo de alimentos produzidos nos solos impactados pelos rejeitos; iii) realizar o levantamento de espécies vegetais apropriadas para biorremediação de Fe e EPTs; iv) estudar estratégias para aumentar a eficiência da biorremediação. Para isso, solos e plantas do estuário do Rio Doce foram amostrados em 2019, 2020 e 2021, além da condução de quatro experimentos em laboratório e um experimento à campo. Observamos um forte controle sazonal sob a biogeoquímica de Fe nos solos do estuário do Rio Doce. A dissolução dos óxidos de Fe durante a transição das estações chuvosa para a seca resultou em uma perda substancial de Fe. Isto levou a um aumento notável na disponibilidade de elementos potencialmente tóxicos (Mn, Cr, Cu, Ni e Pb), representando riscos ambientais elevados, especialmente durante a estação seca. A modelagem dos dados coletados durante duas estações secas (2019 e 2021) e uma estação úmida (2020) revelou que o fator climático (i.e., precipitação acumulada) foi responsável por 48% da biodisponibilidade de EPTs nos solos. Quanto aos parâmetros físicos e químicos de solo, pH e teor de matéria orgânica foram os principais controladores, respondendo por 29% da biodisponibilidade de EPTs. Quanto ao fator geoquímico, óxidos de ferro de cristalinidade curta (e.g., ferridrita e lepidocrocita), foram responsáveis por 23% da biodisponibilidade de EPTs. Já a análise de riscos associados ao consumo de alimentos produzidos no estuário do Rio Doce revelou que a associação entre EPTs e óxidos de Fe, que muitas vezes atuam na redução da biodisponibilidade dos EPTs, pode não ser um mecanismo eficiente em ambientes redox-ativos, como solos estuarinos, visto que as concentrações de Cd, Cr, Cu, Ni e Pb excederam os valores limite nas partes comestíveis (i.e., frutos e tubérculos) de todas as culturas estudadas. Contudo, as taxas de ingestão diária (ADI) desses elementos permaneceram abaixo da ingestão diária tolerável estabelecida pelas organizações internacionais. Já o índice de perigo total (THI), que estima a probabilidade de efeitos adversos de EPTs à saúde, revelou potencial risco à saúde de crianças devido ao consumo de frutos de banana produzidos no estuário. Para adultos, há um baixo risco tanto para o consumo de frutos quanto para o de tubérculos das espécies cultivadas estudadas. Diante dos riscos apontados neste estudo, identificou-se a necessidade de reduzir as concentrações de Fe e EPTs do estuário, adotando-se diferentes técnicas de remediação: i) remediação química através da indução da piritização; ii) biorremediação iii) biorremediação assistida. O levantamento de espécies no estuário mostrou que a macrófita Typha domingensis foi a espécie com maior potencial para fitoextração, devido as altas extrações de Fe (3,7 ton ano-1), Mn (75,7 ton ano-1), Cr (169,7 kg ano-1) e Ni (107,8 kg ano-1). Este potencial esteve correlacionado com o menor pH do solo rizosférico (4.73), bem como a predominância de óxidos de ferro de baixa cristalinidade (i.e., ferridrita e lepidocrocita), que são mais susceptíveis a dissolução. Apesar da espécie Hibiscus tilliaceus demonstrar potencial para fitoestabilização de Cu e Pb, outras estratégias foram testadas para a auxiliar a remediação destes EPTs. O uso de gesso agrícola (CaSO4) como fonte de sulfato para remediação química resultou em maiores taxas de dissolução de óxidos de ferro, aumento nas concentrações de Fe2+ e sulfetos (HS- e H2S) na solução, o que resultou em maiores taxas de piritização de Pb (+40%), reduzindo os teores biodisponíveis de Pb no solo. Quando o uso do gesso agrícola foi combinado à aplicação de um consórcio microbiano (Azospirillum sp., Pseudomonas sp., Saccharomyces sp. e Rhizobium sp.), houve um significativo decréscimo nos teores de Fe e Mn associados a óxidos e aumento dos teores biodisponíveis desses elementos. O consórcio microbiano também diminuiu os teores pseudo-totais de Cr (-85%), Cd (-61%), Cu (-49%) e Pb (-55%) no rejeito de mineração de ferro e aumentou as concentrações de Fe, Mn, Cd, Cr e Pb na solução, o que pode ser útil para estratégias de fitorremediação assistida. Já para Cu, houve uma redução dos teores na solução, indicando um possível potencial de biossorção de Cu pela biomassa microbiana. A adubação, tanto isolada quanto aplicada em conjunto com agentes quelantes e consórcio de microrganismos, promoveu significativas mudanças geoquímicas no rejeito de mineração de ferro (diminuição do pH e Eh, aumento do carbono orgânico total e dissolvido, aumento de ferro biodisponível), o que resultou em maiores extrações de Fe pelas plantas de T. domingensis. Dessa forma, demonstramos que a biorremediação de áreas afetadas por rejeitos de mineração pode ser realizada com o uso de espécies vegetais nativas. Esse estudo traz uma nova abordagem na biorremediação de Fe e EPTs ao modular a geoquímica de Fe em rejeitos de mineração para incremento da biorremediação utilizando plantas não-hiperacumuladoras e microrganismos benéficos. (AU)

• Processo FAPESP: 19/14800-5 - Plantas estuarinas e seu controle na biogeoquímica de metais em solos impactados pelo `desastre de Mariana´
• Beneficiário: Amanda Duim Ferreira
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado