The role of extracellular polymeric substances during biodegradation of contaminants

Abstract

In this thesis, a sequencing batch reactor (SBR) inoculated with activated sludge (AS) was operated initially in the absence of micropollutants, and later with ibuprofen (IBU), desloratadine (DESL), and atrazine (ATZ). The system performance, the production and composition of extracellular polymeric substances (EPS), as well as the morphology of the biomass using quantitative image analysis (QIA) techniques were evaluated. The three-dimensional fluorescence spectroscopy (3D-EEM) technique was used enlightening the changes in functional groups of EPS affected by the addition of DESL and ATZ. Different chemometric techniques were also applied, mainly principal component analysis (PCA) and partial least squares (PLS), to the system operational parameters, EPS results and morphological parameters of the biomass. The activity of both heterotrophic and autotrophic microrganisms was impacted by the micropollutants decreasing the chemical oxygen demand removal and interfering with the nitrification process. After adding the selected compounds, a significant change in biomass properties was observed, demonstrating that EPS, more specifically TB-EPS forms, played a crucial role in the aggregates morphology. Also, the LB-EPS influenced the biomass properties, especially during experiments with DESL and ATZ, lowering the biomass's capacity to settle despite the lower contents of filamentous bacteria. Morphological parameters were extremely helpful, demonstrating that the dysfunctions in the biomass settling ability were caused by filamentous content or by viscous bulking related to the overproduction of LB-EPS. The PCA carried out allowed identifying the clusters corresponding to the experimental periods with the addition of DESL and ATZ and evaluating the interrelationships of the studied parameters. Finally, this study also provided an alternative approach to estimate the different forms of EPS, saving time in the operation and monitoring of AS systems.

Nesta tese foi operado um reator descontínuo sequencial (SBR) inoculado com lamas ativadas (AS), inicialmente sem a adição de micropoluentes e posteriormente adicionando ibuprofeno (IBU), desloratadina (DESL) e atrazina (ATZ). Avaliou-se o desempenho do sistema, a produção e composição das substâncias poliméricas extracelulares (EPS), bem como a morfologia da biomassa por técnicas de análise quantitativa de imagens (QIA). Foi utilizada a técnica de espectroscopia de fluorescência tridimensional (3D-EEM) para esclarecer as alterações nos grupos funcionais de EPS causadas pela adição dos micropoluentes. Foram ainda utilizadas diferentes técnicas quimiométricas, incluindo análise de componentes principais (PCA) e mínimos quadrados parciais (PLS), aos parâmetros operacionais do sistema, resultados globais de EPS e parâmetros morfológicos da biomassa. A atividade dos microrganismos heterotróficos e autotróficos foi impactada pelos micropoluentes diminuindo a remoção da carência química de oxigénio e interferindo no processo de nitrificação. Após a adição dos compostos selecionados, observou-se uma mudança significativa nas propriedades da biomassa, demonstrando que os EPS, mais especificamente a forma tighly bound (TB-EPS), tiveram um papel crucial na morfologia dos agregados. Além disso, a forma loosely bound (LB-EPS) influenciou as propriedades da biomassa, principalmente durante os experimentos com DESL e ATZ, diminuindo a sua capacidade de sedimentação apesar da menor incidência de bactérias filamentosas. Os resultados morfológicos obtidos foram extremamente úteis e demonstraram que as disfunções na capacidade de sedimentação da biomassa foram causadas pela proliferação de bactérias filamentosas ou pelo bulking viscoso relacionado com a superprodução de LB-EPS. O PCA realizado permitiu identificar os clusters correspondentes aos períodos experimentais com adição de DESL e ATZ e avaliar as inter-relações dos parâmetros estudados. Este estudo forneceu ainda uma abordagem alternativa para estimar as diferentes formas de EPS, economizando tempo na operação e monitorização de sistemas AS.