Alexandre, Catarina Isabel Nunes. "Biodegradation treatment of petrochemical wastewaters." Master's thesis, 2015. http://hdl.handle.net/10451/23071.
Resumen
Tese de mestrado em Microbiologia Aplicada, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015<br>O petróleo é um dos elementos mais relevantes para a economia mundial, pelo que o aumento do consumo de petróleo a nível mundial tem crescido ao longo dos anos. A produção mundial de petróleo é superior a três biliões de toneladas por ano, e os stocks de petróleo são significativos em muitas regiões do globo. O petróleo não só é uma fonte de energia, mas também é usado na produção de muitos químicos, como plásticos e cosméticos. A exploração das reservas de petróleo, a transformação do petróleo nas refinarias, os derrames e as águas resultantes da limpeza de reservatórios cria volumes elevadíssimos de efluentes que, devido à grande produção mundial de petróleo, estão sempre a aumentar. Estas águas residuais, com elevadas concentrações de poluentes, necessitam de um tratamento, usualmente complexo e caro. Estes factos originaram um interesse crescente pelo estudo de efluentes contaminados da indústria petroquímica assim como dos possíveis processos de tratamento (biológicos e químicos). Um dos grupos de poluentes mais tóxicos que tem sido detectado nos efluentes de
refinaria são os hidrocarbonetos de petróleo, nomeadamente alifáticos e aromáticos. Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) são dos componentes que merecem mais destaque e preocupação, devido à sua toxicidade (nomeadamente carcinogenicidade), persistência ambiental e resistência à degradação microbiana. Os PAHs de elevada massa molecular tendem a adsorver aos sedimentos, o que diminui o seu impacto ambiental, enquanto que os PAHs de baixa massa molecular se dissolvem mais facilmente em água, sendo transportados para as águas subterrâneas ou de superfície, tendo assim um maior impacto ambiental. De entre os 16 PAHs que fazem parte da lista de poluentes considerados prioritários pela Agência de Protecção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), foi seleccionado para este estudo o acenafteno, cujas fontes principais são as refinarias de petróleo e a queima do carvão. A biodegradação apresenta vantagens do ponto de vista económico e ambiental em
relação aos processos convencionais frequentemente usados para remoção de PAHs. Devido
à presença destes compostos no meio ambiente, os microrganismos desenvolveram vias metabólicas para poder removê-los. Os microrganismos que biodegradam estes compostos na presença de oxigénio (aerobiose) são conhecidos desde o início do século XX, tendo sido feitos muitos estudos de biodegradação de PAHs em condições de aerobiose. No final dos anos 80, foram caracterizados microrganismos capazes de degradar hidrocarbonetos em condições de anaerobiose, e estudos posteriores demonstraram que estes microrganismos realizam degradação por vias metabólicas totalmente diferentes das usadas no metabolismo aeróbio. No entanto, a biodegradação em condições de anaerobiose está ainda menos explorada e o seu estudo poderá ser importante, uma vez que não há oxigénio disponível em todos os ambientes onde os PAHs estão presentes (por exemplo em sedimentos a grandes profundidades e em reservatórios de petróleo). O objectivo deste estudo é a identificação de um consórcio de bactérias nativas do efluente da refinaria da GALP, localizada em Sines, com resistência toxicológica e capacidade de biodegradação de acenafteno em condições de anaerobiose. Para tal, foram formulados e testados diferentes meios de cultura ricos em nutrientes, sais minerais, aceitadores de electrões e fontes de carbono diferentes (glucose e lactato), de modo a promover o máximo crescimento anaeróbio das bactérias presentes neste efluente. Foram seguidas duas estratégias de enriquecimento da comunidade microbiana. Numa das abordagens, o inóculo centrifugado foi adicionado ao meio de cultura num reactor, enquanto que na outra abordagem igual quantidade do efluente de refinaria e meio de cultura foram combinados no mesmo reactor. Em cada estratégia, a fonte de carbono usada foi diferente: glucose ou lactato. Em todos os reactores foi adicionado acenafteno a uma concentração de 100 μg/L. Ao longo do enriquecimento o crescimento microbiano foi seguido por medição da densidade óptica a 600 nm, enquanto que a monitorização da concentração de acenafteno foi efectuada por cromatografia em fase líquida. Foi também realizada a sequenciação do RNA ribossomal 16S para compreender a dinâmica das comunidades microbianas durante o enriquecimento nos diferentes reactores. A comparação dos diferentes reactores permitiu compreender que o crescimento da comunidade microbiana não depende da estratégia de inoculação seguida. O lactato foi seleccionado como a fonte de carbono a usar nos ensaios de resistência e biodegradação subsequentes por promover maior crescimento e biodiversidade da população microbiana. A comunidade obtida tinha como phyla maioritários Proteobacteria (68%) e Firmicutes (31%), enquanto a minoria era constituída por Actinobacteria (0.3%), Synergistetes (0.003%), Thermotogae (0.002%) e Deinococcus-Thermus (0.002%). Em termos de classes, o phylum Proteobacteria apresentou com predominância as seguintes classes: Betaproteobacteria (56%), Alphaproteobacteria (10%), Proteobacteria não classificadas (1%) e Gamaproteobacteria (0.5%). Por sua vez, o phylum Firmicutes teve como classe maioritária Clostridia (28%) e como membros menos representados Firmicutes não classificados (3%) e Bacilli (0.009%). Os phyla minoritários foram representados pelas classes Actinobacteria (0.3%), Synergistia (0.003%), Thermotogae (0.002%) e Deinococci (0.002%). Para testar a toxicidade do acenafteno para a comunidade bacteriana seleccionada após o enriquecimento, assim como a sua estabilidade, foram realizados testes de resistência, onde se testaram diferentes concentrações de acenafteno (100-1500 μg/L). Os reactores não inoculados foram usados como controlos de adsorção, para testar a estabilidade do acenafteno. Tal como no ensaio anterior, o crescimento da comunidade foi acompanhado por
medição da densidade óptica a 600 nm e a concentração de acenafteno foi monitorizada por cromatografia em fase líquida. Estes testes sugeriram que a concentração mais adequada para realizar os ensaios de biodegradação é 100 μg/L. Os ensaios de biodegradação tiveram como objectivo avaliar o potencial de remoção do acenafteno pela comunidade microbiana na ausência e na presença de lactato, de forma a compreender se o acenafteno poderia ser usado como fonte de carbono única pelas bactérias ou se a presença de lactato seria necessária. Tal como no ensaio anterior, o crescimento da comunidade e a concentração de acenafteno foram monitorizadas. Para caracterizar e comparar as comunidades microbianas na presença e ausência de lactato, no início e no final do ensaio de biodegradação nos dois reactores, foi também efectuada sequenciação do RNA ribossomal 16S. Verificou-se que o lactato é necessário para o crescimento da população microbiana e que a remoção do composto é maior na sua presença, sugerindo que a existência de uma fonte de carbono extra é necessária para a remoção do composto pela comunidade microbiana seleccionada após o enriquecimento. Na ausência de lactato obteve-se maioritariamente Proteobacteria (79%) e Firmicutes (15%), sendo que o phylum Proteobacteria teve como classes predominantes Gamaproteobacteria (46%) e Betaprotebacteria (27%), enquanto o phylum Firmicutes foi principalmente representado por Clostridia (14%) e Bacilli (0.08%). Na presença de lactato os phyla maioritários foram os mesmos, sendo que Proteobacteria foi ligeiramente mais abundante (84%) e Firmicutes ligeiramente menos abundante (6.4%). A principal diferença foi que a classe Betaproteobacteria passou a ser maioritária (66%), seguido da classe Alphaproteobacteria (14%) e por último Gamaproteobacteria (0.04%), enquanto o phylum Firmicutes foi principalmente representado por Clostridia (3.2%) e Bacilli (0.5%). A instabilidade do acenafteno verificada através da sua remoção na ausência da biomassa em todos os ensaios realizados sugere que a sua remoção na presença da biomassa resultou não só de uma acção biológica, mas provavelmente também da adsorção ao vidro, o que poderá estar relacionado com a instabilidade que caracteriza os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos de baixa massa molecular e a sua hidrofobicidade. Os resultados obtidos e descritos nesta tese indicam que o acenafteno é um composto instável e que a sua remoção por biodegradação só será uma vantagem se os tempos de residência nas estações de tratamento para os processos biológicos forem curtos.<br>The demand for petroleum is always increasing. Therefore, refineries also face an increasing problem: to treat large volumes of oily wastewater containing hazardous compounds such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Acenaphthene, a polycyclic aromatic hydrocarbon, is among the 16 PAHs considered priority by the United States Environmental Protection Agency due to its environmental persistence and toxicity. Biodegradation treatment offers advantages in terms of environmental protection and costs over conventional treatments to remove PAHs from these oily wastewaters. Biodegradation of PAHs is not only possible under aerobic conditions, but also under anaerobic conditions. Oxygen is not present in all the environments containing PAHs and there are not a lot of studies addressing the biodegradation of acenaphthene under anaerobic conditions by microbial communities from refinery wastewaters. Therefore, further assessment in terms of the removal of this compound was carried out in the scope of the present thesis. The aim of this thesis was to identify a consortium of bacteria, from a refinery wastewater, that could be able to remove acenaphthene under anaerobic conditions. The refinery wastewater used to enrich the microbial community was obtained from the GALP refinery, located in Sines. Two different approaches were followed during the enrichment in terms of inoculation and carbon source (lactate and glucose). Since the microbial community growing in the presence of lactate presented higher growth and diversity, it was further addressed in resistance and biodegradation assays. The most abundant phyla of the community obtained were Proteobacteria (68%) and Firmicutes (31%). Betaproteobacteria (56%) and Alphaproteobacteria (10%) were the classes most represented of phylum Proteobacteria, whereas Clostridia (28%) was the most abundant class of phylum Firmicutes. Resistance assays were carried out to assess the toxicity of acenaphthene to the microbial community as well as its stability by spiking acenaphthene in the reactors at different concentrations (100-1500 μg/L). This assay showed that the compound has less toxicity for the community at the lowest concentrations and presents some instability. Based on these results, it was decided to carry out subsequent biodegradation assays using acenaphthene at 100 μg/L. The biodegradation assay was performed to assess the ability of the microbial community to degrade acenaphthene with and without lactate as an additional carbon source. It was observed that acenaphthene is mainly removed in the presence of lactate and that the taxonomic profile of the microbial community is different depending on the presence of lactate. In its absence, Proteobacteria (79%) and Firmicutes (15%) were the most abundant phyla. The major classes of phylum Proteobacteria were Gammaproteobacteria (46%) and Betaprotebacteria (27%), whereas phylum Firmicutes was mainly represented by Clostridia (14%) and Bacilli (0.08%). In the presence of lactate, the most abundant phyla were similar, although Proteobacteria were slightly more abundant (84%) and Firmicutes were slightly less abundant (6.4%). The main difference was that Betaproteobacteria became the most abundant class (66%), followed by Alphaproteobacteria (14%) and Gammaproteobacteria (0.04%), whereas phylum Firmicutes was mainly represented by Clostridia (3.2%) and Bacilli (0.5%).The instability of acenaphthene observed through its removal in the absence of bacteria in all the assays suggests that acenaphthene removal is not only due to bacterial metabolism, but probably also due to its adsorption to the glass of reactors, which can be related with the instability and hydrophobicity of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) of low molecular weight like acenaphthene. The results obtained and described in this thesis allow concluding that acenaphthene is an unstable compound and that its removal by biodegradation will be advantageous only if short residence times are used in biological treatments in wastewater treatment plants.