Bioremoval and biodegradation of organic solvents in aqueous solutions

Abstract

The interest in environmental technologies has been increasing during the past few decades, due to the continuous and growing degradation of this crucial and indispensable natural resource. With this in mind, and because the detection of organic compounds in water has increased, the study and development of ecological, low-cost alternative technologies of easy operation and maintenance able to remove volatile organic compounds from complex water bodies is the main objective of the research work described in this thesis. The ability of two contaminating fungi from a bioreactor containing diethylketone and Streptococcus equisimilis, posteriorly identified as belonging to the genera Penicillium, and Alternaria, to degrade diethylketone solutions (0.5 g/L to 4 g/L) was described in Chapter 2. Both fungi proved to be capable of biodegrading high concentrations of diethylketone, reaching biodegradation percentages higher than 95 %. Although both fungi present similar performances, Penicillium sp. is capable of degrading diethylketone faster than Alternaria sp. In Chapter 3 the ability of two fungi (Penicillium sp., Alternaria sp.) and a gram-positive bacteria (Streptococcus equisimilis) to decontaminating tertiary solutions composed of diethylketone (4 g/L), nickel (1 mg/L to 20 mg/L) and cadmium (1 mg/L to 20 mg/L) was assessed. Previous studies stablished the toxicity of each metal (5 mg/L to 100 mg/L) towards each microorganism was conducted. It was possible to observe on those experiments that the growth of both fungi is positively stimulated by nickel and adversely affected by cadmium, when present in initial concentrations higher than 40 mg/L. The growth of the bacterium S. equisimilis is inhibited by the presence of both metals when in concentrations above 5 mg/L. Despite this behavior, the bacterium S. equisimilis presents the best results in terms of removal and uptake, thus justifying its selection for subsequent experiments. The ability of a biofilm of S. equisimilis supported on different masses of clay (vermiculite, bentonite, kaolinite, or sepiolite) to remove diethylketone from aqueous solutions, as well as the interactions between the microbial culture and the clays were evaluated in Chapter 4. The results showed that all the systems tested show similar performances in terms of removal efficiency (> 98%) and in terms of uptake (1.67 mg/g to 0.11 mg/g), differing only in the minimum time required to reach similar removal percentages. The system using S. equisimilis supported on vermiculite proved to be the most efficient. During these experiments the formation of several metabolites was detected and they disappeared at the end of the tests, proving not only the ability of the system to remove diethylketone from aqueous solutions but also the metabolites formed during the biodegradation process. This ability is an advantage since it is known that the degradation of certain chemical compounds may lead to the formation of intermediate compounds (metabolites) more toxic than the parent compound and more difficult to biodegrade. After selecting the microorganism and the clay that present the best performance, several set of different experiments were described in Chapter 5. Different masses of vermiculite were exposed to singular and binary solutions composed by diethylketone, diethylketone and nickel and diethylketone and cadmium. These experiments indicated that when vermiculite is used as the only sorbent it is capable of efficiently sorb those two metals. However, when exposed to binary solutions composed by nickel and diethylketone, the sorption of these two pollutants increases revealing a synergistic interaction between the two of them, as opposite to what happens when vermiculite is exposed to binary solutions composed by diethylketone and cadmium. In a second stage, a S. equisimilis biofilm supported in different masses of vermiculite was exposed to binary solutions of diethylketone and nickel and diethylketone and cadmium. The use of biofilm supported into vermiculite has proven, as expected, to be an advantage, since it increased the removal efficiency for both pollutants. Such behavior can be explained by the occurrence of two distinct processes: one dependent on cellular metabolism, responsible for the pollutants biodegradation and intracellular accumulation, and the other independent on cellular metabolism and responsible for the sorption processes accomplished either by the microbial surface or by the clay surface. In Chapter 6, the effect of the pH on the sorption capacity of vermiculite when exposed to aqueous solutions containing nickel and cadmium was determined. These experiments showed that the sorption of both metals increases with increasing mass of vermiculite and with increasing initial pH. The maximum sorption values, 86.5 % for cadmium and 86.1 % for nickel were obtained for assays conducted with an initial pH of 8 and 4 g of vermiculite. These results, associated with the optimum pH for S. equisimilis growth (pH of 7.4) established a range of optimum pH (6 to 8) for the biodegradation and/or sorption of diethylketone, nickel and cadmium through the combined use of S. equisimilis and vermiculite. In this chapter, the system developed at laboratory scale and used in batch mode was applied at pilot scale and in close loop and aimed to treat big volumes of diethylketone and metal (nickel or cadmium) solutions. The results demonstrated not only the excellent ability of this joint system to biodegrade the diethylketone while sorbing metals, but also that the removal of both pollutants is continuous and tends to increase along time, even after successive replacements of the initial solution by new solutions with identical composition. In Chapter 7 the capacity of the joint system, S. equisimilis –vermiculite, studied in Chapter 6 at pilot-scale, to treat solutions composed by diethylketone, aluminium, nickel, cadmium and manganese was studied. The results obtained corroborate once again the ability of this joint system to completely biodegrade high concentrations of diethylketone in the presence of high concentrations of metals and reveal that, with the exception of aluminium, the sorption of the remaining metals increases over time, even after replacing the initial solution by new solutions with identical composition. The main conclusions concerning the results achieved in this thesis are described in Chapter 8. Briefly, the systems applied either at laboratory and pilot-scale have proven to be able not only to efficiently remove diethylketone from singular and complex aqueous solutions, but also to sorb nickel, cadmium and manganese. In Chapter 8 is also presented some future perspectives concerning the biodegradation or organic compounds.

Nas últimas décadas, a tecnologia ambiental aplicada aos sistemas aquáticos, tem sido alvo de crescente interesse, dada a contínua e crescente degradação deste muito importante e indispensável recurso natural. Neste sentido, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese de doutoramento apresenta uma abordagem alternativa, ecológica, de custo reduzido e de fácil operação e manutenção que permite o tratamento simultâneo de águas contaminadas com dietilcetona e metais, através da ação combinada de microrganismos e argilas. No Capítulo 2 foi estudada a capacidade de dois fungos contaminantes e identificados como pertencentes ao género Penicillium e Alternaria, em degradar soluções de dietilcetona (0.5 g/L a 4 g/L). Ambos os fungos demonstraram ser capazes de degradar elevadas concentrações de dietilcetona, apresentando percentagens de biodegradação superiores a 95 %. O fungo Penicillium sp. é capaz de degradar a dietilcetona de forma mais rápida, tornando mais vantajosa e atrativa a sua utilização, em detrimento da utilização de outras culturas microbianas, que apesar de apresentaram capacidades de degradação similares, apresentam um tempo necessário superior. No Capítulo 3 comparou-se a capacidade de dois fungos (Penicillium sp. e Alternaria sp.) e duma bactéria gram-positiva (Streptococcus equisimilis) em descontaminar soluções compostas por dietilcetona (4 g/L), níquel (1 mg/L a 20 mg/L) e cádmio (1 mg/L a 20 mg/L). Nesse sentido foram previamente realizados ensaios de toxicidade com os três microrganismos relativamente a cada metal, cuja concentração inicial variou entre 5 mg/L e 100 mg/L. Foi possível concluir que o crescimento de ambos os fungos é positivamente estimulado pela presença de níquel e negativamente afetado pela presença de cádmio, quando em concentrações iniciais superiores a 40 mg/L, enquanto que o crescimento da bactéria S. equisimilis é inibido pela presença de ambos os metais quando em concentrações superiores a 5 mg/L. Apesar deste comportamento, a bactéria S. equisimilis apresenta os melhores resultados em termos de remoção e uptake, justificando assim a sua seleção para os ensaios posteriores. No Capítulo 4, é descrita a capacidade de um sistema composto por uma cultura de S. equisimilis suportada em diferentes massas de argila (vermiculite, bentonite, caulino ou sepiolita) em descontaminar soluções de dietilcetona, bem como as interações entre a cultura microbiana e as argilas. Os resultados obtidos revelaram que todas as combinações de sistemas utilizadas apresentam performances semelhantes, quer em termos de remoção (> 98 %) quer em termos de uptake (1.67 mg/g a 0.11 mg/g), diferindo apenas no tempo mínimo necessário para alcançar as mesmas percentagens de remoção. O sistema composto por um biofilme de S. equisimilis suportado em vermiculite revelou-se mais eficiente. No decurso destes ensaios verificou-se a formação de vários metabolitos que desapareceram no final dos mesmos, demonstrando não só a capacidade do sistema em remover elevadas concentrações de dietilcetona, mas também os seus metabolitos. Esta capacidade constitui uma vantagem, uma vez que a degradação de certos compostos químicos pode levar à formação de compostos intermediários (metabolitos) com propriedades tóxicas e de difícil degradação. No Capitulo 5, após a seleção do microrganismo e da argila que apresentam melhores resultados, foram realizados diversos ensaios com diferentes massas de vermiculite expostas a soluções singulares e binárias, compostas por dietilcetona, dietilcetona e níquel ou dietilcetona e cádmio. Estes ensaios permitiram inferir que, quando a vermiculite é utilizada como único sorbente é capaz de reter de forma eficiente aqueles dois metais. Quando exposta a soluções binárias compostas por dietilcetona e níquel a sorção destes dois poluentes aumenta de forma significava, revelando uma interação sinérgica entre os dois sorbatos, ao contrário do que acontece quando a vermiculite é exposta a soluções de dietilcetona e cádmio. Numa segunda fase, foram realizados ensaios nos quais um biofilme de S. equisimilis suportado em diferentes massas de vermiculite foi exposto a soluções binários de dietilcetona e níquel e de dietilcetona e cádmio. A utilização do biofilme associado à argila, constitui como esperado uma mais-valia, uma vez que aumentou a eficiência do processo de descontaminação das soluções a tratar. Tal comportamento pode ser explicado pela ocorrência de dois processos distintos, um dependente do metabolismo celular e responsável pelo processo de biodegradação e acumulação intracelular dos poluentes e outro independente do metabolismo celular, responsável pelos processos de sorção realizados quer pela cultura microbiana quer pela argila. No Capítulo 6, foi estudado o efeito do pH na capacidade de sorção da vermiculite relativamente a soluções aquosas contendo níquel e cádmio. Estes ensaios permitiram concluir que a sorção de ambos os metais aumenta com o aumento da massa de vermiculite utilizada e com o aumento do pH inicial. Os valores máximos de sorção, 86.5 % para o cádmio e 86.1 % para o níquel, foram obtidos para os ensaios realizados com um pH inicial de 8 e com 4 g de vermiculite. Estes resultados, associados ao valor de pH ótimo para o crescimento da bactéria S. equisimilis (7.4) permitiram estabelecer uma gama de pH ótima (6 a 8) para a realização de processos de biodegradação e sorção de dietilcetona, níquel e cádmio recorrendo à utilização combinada de S. equisimilis e vermiculite. Neste capítulo, o sistema desenvolvido à escala laboratorial e utilizado em modo batch foi testado à escala-piloto e em circuito fechado visando assim a descontaminação de volumes elevados de soluções binárias de dietilcetona e metal (níquel ou cádmio). Os resultados obtidos nestes ensaios demonstraram não só a excelente capacidade deste sistema conjunto em biodegradar a dietilcetona ao mesmo tempo que retém os metais, mas também que a remoção dos poluentes é contínua e crescente ao longo do tempo e após sucessivas reposições da solução contaminante por novas soluções. No Capítulo 7 foi avaliada a capacidade do sistema conjunto S. equisimilis-vermiculita à escala-piloto definido no Capítulo 6, em degradar de forma contínua e eficiente soluções de dietilcetona, alumínio, níquel, cádmio e manganês. Estes ensaios têm como objetivo estudar o comportamento do biofilme S. equisimilis quando exposto a soluções de maior complexidade, como serão os efluentes reais. Estes resultados comprovaram a capacidade do sistema conjunto S. equisimilis-vermiculite em biodegradar totalmente, concentrações relevantes de dietilcetona na presença de concentrações elevadas de diferentes metais (alumínio, níquel, cádmio e manganês). Foi também demonstrado que, com exceção do alumínio a sorção dos metais aumentou ao longo do tempo e após substituição da solução inicial por novas soluções de igual composição. As principais conclusões obtidas a partir dos ensaios desenvolvidos no âmbito desta tese de doutoramento encontram-se descritas no Capítulo 8. De forma sucinta, os sistemas desenvolvidos, quer à escala laboratorial quer à escala-piloto, demonstraram ser capazes não só de remover de forma eficaz e eficiente, concentrações elevadas de dietilcetona a partir de soluções aquosas simples ou complexas, mas também de reter de forma contínua e crescente níquel, cádmio e manganês. Neste capítulo são apresentadas algumas perspetivas futuras relativamente à biodegradação de compostos orgânicos.