Effect of different cultivation conditions of photosynthetic microorganisms on methane consumption

Abstract

O metano (CH4), é o segundo gás com maior efeito de estufa na atmosfera, depois do dióxido de carbono (CO2). Atualmente, o balanço global de CH4 envolve diferentes fontes de emissão, equilibradas por um número inferior de fontes de absorção. Durante a COP26 foi lançado o "Global Methane Pledge" com o intuito de reduzir as emissões de CH4 em 30% até 2030, o que torna necessário o desenvolvimento de novas e eficientes medidas de mitigação do CH4. Neste trabalho, o principal objetivo consistiu no desenvolvimento de um sistema inovador e sustentável de mitigação de CH4 com base em microrganismos fotossintéticos, reduzindo, assim, o efeito de estufa deste gás. Neste sentido, foi estudado o impacto de diferentes métodos de cultivo no consumo de CH4 por parte de cianobactérias. Numa primeira fase, foi avaliado o efeito de diferentes concentrações de CO2+CH4 – de 0.5 %; 1 %; 2.5 % - e apenas CH4 - de 1 %; 2 %; 5 %; 20 % - no crescimento de Synechocystis sp. LEGE 07211 a 2 bar. Posteriormente, foi também realizado o estudo do efeito de diferentes variáveis – concentrações iniciais de O2, CO2 e CH4 e a proporção de cianobactéria – em parâmetros cinéticos, consumo de gases, remoção de nitratos e fosfatos e teor de azoto total em co culturas de Synechocystis sp. LEGE 07211 e Methylococcus sp., recorrendo à metodologia de desenho de composto central (DCC). No cultivo de Synechocystis sp. LEGE 07211 com diferentes concentrações de CO2+CH4 e apenas CH4 não se verificou consumo de CH4. Considerando os ensaios do desenho experimental, notou se que o maior consumo de CH4 por parte da co-cultura ocorre sob concentrações que tendem para 5% de CH4 e uma proporção de cianobactérias de 25%. Além disso, também foi observado que concentrações que tendem para 5% de CO2, proporções mais elevadas de cianobactérias (75%) e concentrações mais baixas de CH4 (5%) resultam em maiores consumos de CO2. Para uma maior remoção de nitratos, tendem a ser necessárias concentrações mais baixas de CO2 (5%). No caso da concentração total de azoto, esta aumenta quando estão presentes concentrações mais baixas de O2 e CO2, assim como menores proporções de cianobactérias. Por outro lado, concentrações mais elevadas de CH4 (45%) também demonstraram possuir o mesmo efeito. Com base nestes resultados, é possível concluir que o co-cultivo de bactérias metanotróficas e cianobactérias promoveu a mitigação de CH4 num sistema pressurizado. No entanto, o mesmo não se verificou para o consumo de CO2.

Methane (CH4) is the second most prevalent GHG in the atmosphere, after CO2. Currently, the global budget of CH4 consists of a diverse mix of sources balanced by a much lower number of sinks. During COP26 it was launched the “Global Methane Pledge” to reduce CH4 emissions by at least 30 % by 2030, presenting a need for new and efficient CH4 mitigation measures to be developed. Therefore, the main goal of this thesis was to develop an innovative and sustainable CH4 mitigation system based on photosynthetic microorganisms, thus reducing its greenhouse effect. In this work, the effect of different cultivation methods on the consumption of CH4 by cyanobacteria were studied. Synechocystis sp. LEGE 07211 was tested under 2 bar with different concentrations of CO2 + CH4 – from 0.5 % to 2.5 % - and with CH4 – from 1 % to 20 %. In addition, an experimental design (using central composite design methodology) was performed in order to evaluate the effect of different variables (initial concentration of O2, CO2, and CH4 and ratio of cyanobacteria) on growth kinetics, gas consumption, nitrates and phosphates removal, and total nitrogen content of co-cultures of Synechocystis sp. LEGE 07211 and Methylococcus sp. The cultivation of Synechocystis sp. LEGE 07211 with different concentrations of CO2 + CH4 and CH4 alone showed no CH4 consumption. Considering the experimental design performed, it was observed that the CH4 consumption by the co-culture tends to be higher under concentrations of approximately 5% of CH4 and a ratio of 25% cyanobacteria. It was also observed that concentrations tending towards 5% CH4, 5% CO2 concentrations, and higher ratios of cyanobacteria (75%) result in higher consumptions of CO2. For higher removal of nitrates, lower concentrations of CO2 (5%) should be applied. On the other hand, the total nitrogen concentration tends to increase when lower initial concentrations of O2 and CO2 are used and lower ratios of cyanobacteria are present. Higher concentrations of CH4 also demonstrated to have the same effect. With these results it is possible to conclude that co-cultivation of the tested methanotrophic bacteria and cyanobacteria promoted the mitigation of CH4 under a pressurized system. However, the same effect was not observed on the consumption of CO2.