Implementation and optimization of downstream strategies to manipulate Microcystis aeruginosa growth and toxicity

Abstract

Microcystis aeruginosa is a microorganism that belongs to the group of cyanobacteria, which includes more than 2000 prokaryotic species. Despite being often called blue-green algae, cyanobacteria are classified as Gram negative bacteria. The microrganisms of this species possess an intracellular cyanotoxin– microcystin (MC) – that presents a great potential in therapeutic terms, both as an antimicrobial and as anticancer/antitumor agent. On the other hand, this toxin is dangerous to humans and animals, when present in high concentrations in water. These two factors, along with the high price of the cyanotoxin (above 28 000 €.mg-1), make the study of M. aeruginosa extremely interesting, specifically when it comes to its production and removal processes. In order to contribute to a decrease in the cost of MC production, this work studied the downstream processing of M. aeruginosa, particularly its harvesting process, which is responsible for 20 – 30 % of the total costs at industrial scale. The focus of this work was the optimization and comparison of the harvesting efficiency of M. aeruginosa using flocculation induced by pH and by different flocculant agents, namely: aluminium chloride (AlCl3), ferric chloride (FeCl3), and chitosan (Ch). The results obtained showed a harvesting efficiency (HE) above 90 % after 8 hours of treatment using pH 3 and 4 to induce flocculation of M. aeruginosa. Regarding the floculation induced by flocculant agents, it was possible to observe a HE of 92 % after just 4 hours using 3.75 mg.L-1 of FeCl3. Among the methods tested, this was the highest HE and was achieved at a ZP value of -8.98 mV. The optimization performed with ZP alteration allowed not only to reach higher HEs for all flocculation types, but also to decrease the used dosage of flocculant agents. Moreover, the optimal conditions of flocculation were found for a ZP in the range of -6.7 and -20.7 mV.

A Microcystis aeruginosa é um microrganismo pertencente ao grupo das cianobactérias, que inclui mais de 2000 espécies procariontes. As cianobactérias, apesar de serem comummente designadas de algas verde-azuladas, são classificadas como sendo bactérias gram-negativas. Os microorganismos deste espécie produzem uma cianotoxina, a microcistina (MC), que apresenta um enorme potencial terapêutico, quer como agente anticancerígeno/antitumoral e antimicrobiano. Por outro lado, esta toxina apresenta um elevado risco para os humanos e animais quando presente em elevadas concentrações na água. Estes dois fatores, juntamente com o elevado preço desta cianotoxina (mais de 28000 € por mg), tornam o estudo da M. aeruginosa de extremo interesse, especialmente no que toca ao seu processo de produção e recolha. Com a finalidade de contribuir para a diminuição do custo de produção da MC, este trabalho foi realizado de forma a estudar o processo de recolha da M. aeruginosa, que é frequentemente responsável por 20 a 30 % dos custos totais de produção à escala industrial. Deu-se um especial enfoque à otimização e comparação da eficiência de recolha da M. aeruginosa para processos de floculação induzida por uma gama de pH de 2 a 12 e pela utilização de diferentes concentrações de três agentes floculantes: o cloreto de alumínio (AlCl3) a 15, 7.5, 3.75 e 1.88 mg.L- 1, o cloreto de ferro (FeCl3) a 30, 7.5, 3.75 e 1.88 mg.L-1 e o quitosano (Ch) a 7.31, 2, 0.5 e 0.25 mg.L-1. Os resultados revelaram que as maiores eficiências de recolha na floculação induzida por pH, acima de 90 %, foram obtidas após 8 horas de tratamento usando pH 3 e 4. Relativamente à floculação promovida por agentes floculantes, através da modificação do potencial zeta foi possível obter uma eficiência de 92 % após 4h utilizando 3.75 mg.L-1 de FeCl3. De entre os métodos testados, esta foi a melhor eficiência de recolha alcançada, sendo obtida para um valor de potencial zeta de -8.98 mV. A optimização dos processos, levada a cabo pela alteração do potencial zeta, permitiu verificar que as melhores eficiências foram obtidas para um intervalo de potenciais zeta entre -6.7 e -20.7 mV, e possibilitou também a utilização de menores dosagens de agentes floculantes.