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dc.contributor.advisorAlves, M. M.-
dc.contributor.advisorStams, Alfons Johannes Maria-
dc.contributor.advisorSmidt, Hauke-
dc.contributor.authorSousa, D. Z.-
dc.date.accessioned2007-04-12T20:29:02Z-
dc.date.available2007-04-12T20:29:02Z-
dc.date.issued2007-02-23-
dc.date.submitted2006-12-29-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1822/6287-
dc.descriptionDoutoramento em Engenharia Química e Biológicaeng
dc.description.abstractWastewaters, particularly those from food processing industries, contain considerable amounts of long chain fatty acids (LCFA). These polluting compounds, resulting from the hydrolysis of oils and fats, can be used for the production of biogas, a renewable source of energy. Energetic valorization of LCFA-rich wastewaters in anaerobic bioreactors is, in its essence, a biological process, and therefore strongly linked to the performance and efficiency of the different microorganisms interacting in the process. Insight into the phylogenetic and functional diversity of microbial communities present in anaerobic bioreactors treating LCFA-containing wastewaters is necessary to understand and enable the effective performance of these bioreactors. Hence, this thesis describes the application of culture-dependent and culture-independent strategies to study microbiological aspects of the degradation of LCFA in anaerobic environments. Two LCFA were used as model substrates: oleate, a mono-unsaturated LCFA, and palmitate, a saturated LCFA, both abundant in LCFA-rich wastewaters. The capability of anaerobic bioreactor sludge to degrade LCFA in cycles of continuous feeding (LCFA accumulation, loading) followed by batch incubation (LCFA degradation) was shown, first by incubating loaded sludge in batch assays and afterwards by simply interrupting the reactor’s feeding after sludge loading. The methanation kinetics of biomass-associated LCFA after continuous sludge loading with oleate was established in batch assays, according to an inhibition model based on Haldane’s enzymatic inhibition kinetics. An optimal value of about 1000 mgCOD-LCFA gVSS-1 was determined for the amount of accumulated LCFA that could be converted to methane at the maximal rate of 250 mgCOD-CH4 gVSS-1 day-1. The determination of this value is critical for the operation of a cyclic reactor treating LCFA-rich wastewaters. 16S rRNA gene analysis of sludge samples submitted to continuous oleate- and palmitate-feeding followed by batch degradation of the accumulated LCFA demonstrated that bacterial communities were dominated by members of the Clostridiaceae and Syntrophomonadaceae families. Archaeal communities, previously reported as very sensitive to contact with LCFA, could endure cycles of continuous/batch LCFA degradation, as shown by the relative high archaeal abundance measured by FISH and real-time PCR at the end of the cycle (38 to 75% of relative archaeal abundance). Archaeal populations were mainly comprised of hydrogen-consuming microorganisms belonging to the genus Methanobacterium, and acetate-utilizers from the genera Methanosaeta and Methanosarcina. Enrichment cultures growing on oleate and palmitate (as sole carbon and energy source) gave more insight into the major players involved in the degradation of unsaturated and saturated LCFA. Syntrophomonas-related species were identified as predominant microorganisms in different enrichment cultures, degrading both oleate and palmitate. Different microbial consortia were enriched with oleate and palmitate, evidencing a dependence on the saturation level of the LCFA. A new obligately syntrophic bacterium, Syntrophomonas zehnderi, was isolated from an oleate-degrading culture. Changes in the microbial composition of oleate- and palmitate-enrichment cultures submitted to a substrate swap were followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), allowing the correlation between the appearance of a DGGE band corresponding to a Syntrophomonas-like microorganism (later on specified as related to S. zehnderi) with the capability to degrade unsaturated LCFA. Microorganisms clustering within the family Syntrophobacteraceae were also identified in the palmitate-enrichment cultures, though none of the thus far characterized bacteria from this family can utilize this compound. Competition between acetogenic and methanogenic microorganisms and sulfate-reducing bacteria (SRB) was also studied. Acetogenic bacteria were not out-competed by LCFA-degrading SRB and microorganisms belonging to the Syntrophomonadaceae and Syntrophobacteraceae families were present after successive culture transfers in the presence of sulfate. On the other hand, hydrogenotrophic archaea were rapidly out-competed by hydrogen-consuming SRB belonging to the Desulfovibrionales order. In conclusion, an increased understanding of the active microbial communities in LCFA-degrading bioreactors has been provided in this study. Further work on the genomics and proteomics of LCFA-degrading microorganisms might give more insight into the degradation of LCFA, including substrate-specific differences in the degradation of unsaturated and saturated LCFA.eng
dc.description.abstractAs águas residuais, particularmente as geradas pela indústria alimentar, contêm quantidades consideráveis de ácidos gordos de cadeia longa (AGCL). Estes compostos poluentes, resultantes da hidrólise de óleos e gorduras, podem ser utilizados na produção de biogás, uma fonte de energia renovável. A valorização energética de águas residuais ricas em AGCL em bioreactores anaeróbios é, na sua essência, um processo biológico e, por isso, fortemente relacionado com o desempenho e eficiência dos diferentes microrganismos que intervêm no processo. Nesse sentido, para o tratamento de águas residuais com elevados teores de AGCL em bioreactores anaeróbios, é importante ter conhecimento sobre a diversidade filogenética e funcional das comunidades microbianas presentes nesses bioreactores. Esta tese descreve a aplicação de métodos moleculares e de cultura para estudar aspectos microbiológicos da degradação de AGCL em ambientes anaeróbios. Foram usados dois AGCL como substratos modelo: oleato, um AGCL mono-insaturado, e palmitato, um AGCL saturado, ambos abundantes em águas residuais ricas em AGCL. A capacidade da biomassa anaeróbia degradar AGCL em ciclos sequenciais de alimentação contínua (promoção da acumulação de AGCL) seguida de incubação em “batch” (degradação dos AGCL acumulados) foi demonstrada, primeiro através da incubação em ensaios “batch” de biomassa contendo AGCL associados e, depois, simplesmente através da interrupção da alimentação contínua de um bioreactor laboratorial. Estabeleceu-se a cinética de mineralização dos AGCL associados à biomassa, de acordo com um modelo de inibição baseado na cinética de inibição enzimática de Haldane. Determinou-se um valor óptimo de aproximadamente 1000 mgCQO-AGCL gSSV-1 como a quantidade de AGCL que podem ser acumulados e posteriormente degradados a uma taxa máxima de 250 mgCQO-CH4 gSSV-1 dia-1. Este valor é crítico para a operação de um reactor cíclico para o tratamento de águas residuais ricas em AGCL. A análise do gene 16S rRNA presente em amostras de biomassa submetidas a alimentação contínua de oleato e palmitato, seguida de degradação “batch” dos AGCL acumulados, demonstrou que as comunidades bacterianas eram dominadas por membros das famílias Clostridiaceae e Syntrophomonadaceae. As comunidades arquea, consideradas como muito sensíveis ao contacto com AGCL, demonstraram suportar ciclos de alimentação contínua e degradação batch, tal como indicado pela elevada abundância relativa de arquea medidas através de FISH e PCR em tempo real. As populações arquea eram compostas essencialmente por microrganismos utilizadores de hidrogénio pertencentes ao género Methanobacterium, e utilizadores de acetato dos géneros Methanosaeta e Methanosarcina. Culturas enriquecidas em oleato e palmitato (fornecidos como única fonte de carbono e energia) permitiram um maior conhecimento dos microrganismos envolvidos na degradação de AGCL saturados e insaturados. Foram identificadas espécies relacionadas com Syntrophomonas como predominantes em vários enriquecimentos diferentes, degradando ambos oleato e palmitato. Os consórcios microbianos desenvolvidos durante o enriquecimento com oleato ou com palmitato eram diferentes, evidenciando uma especialização dependente do nível de saturação da cadeia do AGCL. Foi isolada uma nova bactéria sintrófica, Syntrophomonas zehnderi, de uma cultura que degradava oleato. Foram monitorizadas alterações na composição microbiana de culturas enriquecidas com oleato e palmitato submetidas a troca de substrato através da utilização de electroforese em gel desnaturante, permitindo a correlação do aparecimento de uma banda, correspondente a um microrganismo relacionado com Syntrophomonas (posteriormente especificado como relacionado com S. zehnderi), com a capacidade de degradar AGCL insaturados. Foram também identificados microrganismos relacionados com a família Syntrophobacteraceae, nas culturas enriquecidas com palmitato, embora nenhuma das bactérias caracterizadas pertencentes a esta família possam utilizar este composto. Foi também estudada a competição de microrganismos acetogénicos e metanogénicos por bactérias redutoras de sulfato (BRS). Verificou-se a presença de microrganismos pertencentes às famílias Syntrophomonadaceae e Syntrophobacteraceae, depois de transferências sucessivas em meio contendo sulfato, indicando que as bactérias acetogénicas não foram suprimidas por BRS capazes de degradar AGCL. Contrariamente, os microrganismos hidrogenotróficos foram rapidamente substituídos por BRS pertencentes à ordem Desulfovibrionales. Em conclusão, este estudo permitiu uma melhor compreensão das comunidades microbianas activas em bioreactores a degradar AGCL. Estudos adicionais ao nível do genoma e proteoma de microrganismos que degradam AGCL permitirão um melhor entendimento da degradação dos AGCL, especificamente das diferenças na degradação de AGCL saturados e insaturados.eng
dc.language.isoengeng
dc.rightsopenAccesseng
dc.titleEcology and physiology of anaerobic microbial communities that degrade long chain fatty acidseng
dc.typedoctoralThesispor
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses

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