As bactérias são os mais abundantes e versáteis micro-organismos e constituem uma parte significativa de toda a biomassa viva terrestre de 10 ~ 18g (MANN, 1990). No início de 1980, alguns micro-organismos foram selecionados pela alta capacidade de acumulação de metais (VIJAYARAGHAVAN; YUN, 2008; WANG; CHEN, 2009). Micro-organismos marinhos enriquecido com Cd e Pb com fatores de 1.7 x 105 e 1,0 x 10 5, respectivamente, em relação à concentração de
soluto destes elementos nas águas do oceano (MANN, 1990 ). As bactérias foram usadas como biosorventes devido à sua pequena dimensão, a sua ubiquidade, a sua capacidade de crescer em condições controladas, e a sua resistência a uma vasta gama de condições ambientais . Espécies de bactérias dos gêneros Bacillus,
Pseudomonas, Streptomyces, Escherichia, Micrococcus, entre outros, têm sido
testadas para a captação de metais e compostos orgânicos (VIJAYARAGHAVAN; YUN, 2008; WANG; CHEN, 2009).
As bactérias possuem estrutura celular relativamente simples, não apresentando núcleo celular, porém possuindo paredes celulares (SALTON, 1964). A parede celular bacteriana proporciona integridade estrutural para a célula, mas difere de todos os outros organismos, devido à presença de peptidoglicano, formado pelos açúcares (poli- N - acetilglucosamina e ácido N - acetilmurâmico), que está localizada do lado de fora da membrana citoplasmática (ROGERS et al.,1980). O peptidoglicano é responsável pela rigidez da parede celular bacteriana, e determina a forma da célula (KOLENBRANDER; ENSIGN, 1968). Também é relativamente porosa e considerada como uma barreira de impermeabilidade aos pequenos substratos (VIJAYARAGHAVAN; YUN, 2008; WANG; CHEN, 2009).
As paredes celulares das bactérias não são todas idênticas. De fato, a composição da parede celular é um dos fatores mais importantes na análise e diferenciação de espécies bacterianas. Deste modo, há dois tipos gerais de bactérias, as bactérias Gram-positivas e Gram-negativas (Figura 1). A parede celular das bactérias Gram-positivas consiste de uma camada espessa de peptidoglicano (BEVERIDGE, 1981; DIJKSTRA; KECK, 1996) ligadas por pontes de aminoácidos. Além disso, contêm ácidos teicóicos, que consistem principalmente de álcool (como glicerol ou ribitol) e fosfato. Existem duas classes de ácidos teicóicos: ácido lipoteicoico, que
atravessa a camadas de peptideoglicana e está ligada a membrana plasmática, e ácido teicoico da parede, que está ligado à camada de peptideoglicana. Devido a sua carga negativa (proveniente do grupo fosfato), os ácidos teicoicos podem se ligar e regular o movimento dos cátions (íons positivos) para dentro e para fora da célula (TORTORA et
al., 2012). De um modo geral, 90% da parede celular de bactérias Gram-positivas é
composta de peptidoglicano.
Figura 1. Composição química das Paredes Celulares de bactérias Gram-ngativas e Gram- positivas.
Fonte (http://epidemiologiamolecular.com).
Entretanto, a parede celular das bactérias Gram-negativas (Figura 1) é composta por apenas 10-20% do peptidoglicano ( BEVERIDGE, 1999). Trata-se de uma estrutura de várias camadas, onde há uma camada de peptidoglicano entre a membrana plasmática e uma membrana externa. A membrana externa consiste em lipopolissacarídios (LPS), lipoproteínas, fosfolipídios e enzimas. O espaço entre a membrana externa e a membrana plasmática é referido como espaço periplasmático (TORTORA et al., 2012). A natureza altamente carregada dos lipopolissacarídios da membrana externa confere uma carga negativa global sobre a parede celular de bactérias Gram-negativas. Sherbert (1978), mostrou que os grupos aniônicos funcionais presentes nos ácidos peptidoglicano, e ácidos teicóico de bactérias Gram-positivas, e peptidoglicano, fosfolipídios e lipopolissacáridos de bactérias Gram-negativas foram os componentes principais responsáveis pelo caráter aniônico e capacidade de sequestro de metal pela parede celular. No entanto, a disponibilidade de lipopolissacarídios depende
Porina Lipopolissacarídeos Membrana Externa Lipoproteínas Peptideoglicana Membrana Plasmática Ácido Teicóico Peptidioglicana Ácido Lipoteicóico Membrana Plasmática
da espécie bacteriana e condições de crescimento, e podem ser facilmente removidos por simples ruptura mecânica ou lavagem química ( YEE; FEIN, 2001).
A parede celular bacteriana é o primeiro componente que entra em contato com íons metálicos, onde os solutos podem ser depositados sobre a superfície ou no interior da estrutura da parede celular (BEVERIDGE; 1999; VIJAYARAGHAVAN; YUN, 2008; WANG; CHEN, 2009). Uma vez que o modo de absorção de solutos por células inativas é extracelular, os grupos químicos funcionais da parede celular desempenham um papel vital na biossorção. Devido à natureza dos componentes celulares, vários grupos funcionais estão presentes na parede celular bacteriana, incluindo carboxila, fosfonato, amina e hidroxila (DOYLE et al., 1980; VAN DER WAL et al., 1997). Como eles são carregados negativamente e abundantemente disponíveis, os grupos carboxilas participam ativamente na ligação de cátions metálicos. Golab e Breitenbach (1995) indicaram que os grupos carboxila do peptidoglicano da parede celular de Streptomyces pilosus eram responsáveis pela ligação de cobre. Além disso, os grupos amina são muito eficazes na remoção de íons de metais, uma vez que não só os íons metálicos catiônicos quelatos, mas também absorve espécies metálicas aniônicas. Kang e colaboradores (2007) observaram que os grupos amina protonados a pH 3 atraíam íons cromato carregados negativamente através de interação eletrostática. Em geral, o aumento do pH aumenta a carga global negativa sobre a superfície das células até que todos os grupos funcionais são desprotonados, o que favorece a atração eletroquímica e adsorção de cátions. Os ânions interagem mais fortemente com as células com concentrações crescentes de cargas positivas, devido à protonação dos grupos funcionais com valores de pH mais baixos.
A solução química não só afeta a química da superfície bacteriana, mas a especiação do metal. Os íons metálicos na solução são sujeitos a hidrólise com o aumento de pH. Os diferentes valores de pH e a sequência de hidrólises à formação de espécies monoméricas hidroxilados, seguido pela formação de espécies poliméricas, e formação de óxido cristalino precipitado após envelhecimento (VIJAYARAGHAVAN; YUN, 2008; WANG; CHEN, 2009). Por exemplo, no caso da solução de níquel,(LOPEZ et al., 2000) indicaram que, dentro da faixa de pH de 1 a 7, o níquel existia na solução em forma de íons de Ni 2+ (90%), ao passo que, a pH 9, co-existiam Ni 2+ (68%), Ni4OH 4+ 4 (10% ) e Ni (OH)+ (8,6%). As diferentes espécies químicas de
um metal que ocorre com as alterações de pH terá cargas variáveis e adsorção nas interfaces líquido-sólido. Em muitos casos, as experiências conduzidas pela biossorção a elevados valores de pH alcalinos foram relatados para complicar a avaliação do potencial biossorvente como resultado da precipitação de metal ( SELENITA et al., 2004; IQBAL; SAEED, 2007).