Micro-aeration as a strategy to enhance bioconversion of long-chain fatty acids to methane

Abstract

Waste lipids have high energy value, but the amount of lipids effectively converted into methane is still limited, because high lipid loads lead to long-chain fatty acids (LCFA) accumulation, hindering bioconversion. Micro-aeration can improve methane production in AD, and facultative anaerobic bacteria (FAB) or aerobic bacteria (AB) seem to be key microorganisms in the process. In this work, micro-aeration was applied, targeting the intensification of lipids/LCFA biodegradation to methane. Two experiments were performed in batch assays, to study micro-aeration's impact on syntrophic communities' activity. In the first experiment, anaerobic sludge was incubated with ethanol, in the presence of oxygen concentrations up to 5 % (Chapter 3). In the second experiment, two synthetic consortia composed by syntrophic fatty acid degrading bacteria and hydrogenotrophic methanogenic partners were constructed in the laboratory and supplemented with two Pseudomonas strains (Chapter 4). The cultures were subjected to 0-10% O2, and the conversion of palmitate (C16:0), caprylate (C8:0), and butyrate (C4:0) to methane was monitored. The results from the two experiments show that the activity of FAB/AB in general, and Pseudomonas spp. in particular, were crucial for maintaining the syntrophic relationships under micro-aerobic conditions, providing a shielding effect towards the syntrophic communities and limiting the inhibitory effect of oxygen. Indirect micro-aeration was then studied in the degradation of glucose (Chapter 5) or oleate (Chapter 6). Anaerobic bioreactors were compared with bioreactors that received aerated feeding. Organic loading rates of 2 g L-1 d-1 (in COD) were applied in both experiments. The results from the study with glucose indicate that aerated feeding enhances methane production, without interfering with the microbial community composition. However, with oleate, aeration in the feeding acted as a pre-treatment, contributing to oleate to palmitate conversion by AB/FAB even before entering the bioreactor. The reactors that received aerated feeding were able to operate in continuous for longer periods, with higher stability than the anaerobic reactors, and required shorter batch periods for degradation of the palmitate and acetate that accumulated during the continuous phases. In conclusion, this thesis shows that FAB/AB/Pseudomonas spp. have a crucial role in protecting and maintaining functional and resilient syntrophic communities. Moreover, in LCFA biodegradation, micro-aeration can trigger a first aerobic treatment that converts oleate to palmitate, and may facilitate further conversion to methane, relatively to strict anaerobic process.

Os lípidos residuais possuem um alto valor energético, mas a quantidade de lípidos convertidos efetivamente a metano ainda é limitada, pois cargas elevadas de lípidos resultam na acumulação de ácidos gordos de cadeia longa (AGCL), dificultando a sua bioconversão. O microarejamento pode melhorar a produção de metano em digestores anaeróbios (DA), e as bactérias anaeróbias facultativas (BAF) ou aeróbias (BA) parecem ser microrganismos com um papel-chave no processo. Neste trabalho, foi aplicado microarejamento com o objetivo de intensificar a biodegradação de lípidos/AGCL a metano. Foram realizados dois ensaios em batch, para estudar o impacto do microarejamento na atividade de comunidades sintróficas. No primeiro ensaio, uma lama anaeróbia foi incubada com etanol, na presença de concentrações de oxigénio até 5 % (Capítulo 3). No segundo ensaio, foram construídos dois consórcios sintéticos compostos por bactérias sintróficas que degradam ácidos gordos e os parceiros metanogénicos hidrogenotróficos, suplementados com duas estirpes de Pseudomonas (Capítulo 4). As culturas foram submetidas a 0-10 % de O2, e a conversão de palmitato (C16:0), caprilato (C8:0) e butirato (C4:0) a metano foi monitorizada. Os resultados dos dois ensaios mostram que em geral a atividade das BAF/BA, e em particular das Pseudomonas spp., foi crucial para a manutenção das relações sintróficas em condições microaeróbias, proporcionando um efeito protetor para as comunidades sintróficas e limitando o efeito inibidor do oxigénio. O microarejamento indireto foi então aplicado na degradação de glucose (Capítulo 5) e oleato (Capítulo 6). Nestes trabalhos, reatores anaeróbios foram comparados com reatores que receberam alimentação arejada. Foi aplicada aos dois ensaios, uma carga orgânica de 2 g L-1 d-1 (em CQO). Os resultados do ensaio com glucose indicam que a alimentação arejada aumenta a produção de metano, sem interferir na composição da comunidade microbiana. No entanto, com o oleato, o arejamento da alimentação atuou como um pré-tratamento, contribuindo para a conversão do oleato a palmitato por BA/BAF antes da entrada no reator. Os reatores que receberam alimentação arejada foram capazes de operar em contínuo por períodos mais longos, com maior estabilidade do que os reatores anaeróbios, e necessitaram de períodos em batch mais curtos para a degradação do palmitato e acetato que acumularam durante as fases em contínuo. Em conclusão, esta tese demonstra que BAF/BA/Pseudomonas spp. têm um papel crucial na proteção e manutenção de comunidades sintróficas funcionais e resilientes. Além disso, na biodegradação de AGCL, o microarejamento pode estimular um primeiro tratamento aeróbio em que se converte o oleato em palmitato e pode facilitar a posterior conversão deste a metano, em comparação com o processo estritamente anaeróbio.