Use of yeasts as bioremediation agents: application to hydrocarbons and phenolic compounds degradation

Abstract

Liquid effluents of petrochemical industry and olive oil processing (olive mill wastewater, OMW) are two examples of effluents contaminated with pollutant compounds, respectively hydrocarbons and phenolic compounds. Biodegradation strategies involving microorganisms to simultaneously degrade these pollutants and obtain high added-value products have become an interesting and environment friendly approach. This work address the study of the ability of ten yeast species to grow on hydrocarbons (hexadecane) and phenolic compounds (tyrosol, phenol and catechol) as sole carbon and energy source. After a preliminary screening in Petri plates and 96-well microplate, two yeast species demonstrated an extraordinary ability to grow on hexadecane 1 g·L-1 (Yarrowia lipolytica W29) and phenolic compounds 1 g·L-1 (Candida tropicalis ATCC 250). In Erlenmeyer flask experiments, it was observed that Y. lipolytica W29 was able to grow on hexadecane 10 g·L-1, hexadecene 7.5 g·L-1 and in a mixture with both hydrocarbons (5 g·L-1 of each one). The increase of oxygen transfer, by raising the ratio of the volumes of headspace and liquid medium in flasks, had a positive effect on cellular growth and metabolites production. In hexadecane-based medium, for example, yeast cells produced lipase (up to 1260 U·L-1) and accumulated microbial lipids (up to 15 %, w/w), demonstrating its ability to valorize effluents contaminated with hydrocarbons. As C. tropicalis shown high potential to grow in phenolic compounds, its ability to grow on undiluted OMW (supplemented and non-supplemented with YNB) and produce added-value compounds was tested in Erlenmeyer flasks. The increase of flask headspace clearly enhanced the cellular growth, but did not favor the intracellular lipids accumulation. By contrast, it was observed that nitrogen limitation led to an enhancement of microbial lipids content: 39 % (w/w) and 24 % (w/w) of lipids were accumulated, respectively, in non-supplemented OMW medium and in repeated batch culture (pulses of OMW without YNB). Microbial lipids accumulated both by Y. lipolytica and C. tropicalis were mainly composed by oleic and linoleic acids and the unsaturated fraction exceeded the saturated one. The composition of these lipids, similar to that of common vegetable oils, makes them a potential feedstock for biodiesel production.

Os efluentes líquidos da indústria petroquímica e do processamento do azeite (águas ruças) são dois exemplos de efluentes contaminados com compostos poluentes, respetivamente hidrocarbonetos e compostos fenólicos. A biodegradação destes por microrganismos, obtendo simultaneamente compostos de alto valor acrescentado, tem-se tornado uma abordagem interessante e amiga do ambiente. Este trabalho aborda o estudo da capacidade de 10 espécies de leveduras para crescerem em hidrocarbonetos (hexadecano) e compostos fenólicos (tirosol, fenol e catecol) como única fonte de carbono e energia. Os ensaios preliminares em placa de Petri e microplaca demonstraram que Yarrowia lipolytica W29 crescia bem em 1 g·L-1 de hexadecano e Candida tropicalis ATCC 250 era capaz de crescer em 1 g·L-1 de cada composto fenólico. Nos ensaios realizados em frascos Erlenmeyer, Y. lipolytica W29 conseguiu crescer na presença de 10 g·L-1 de hexadecano, 7.5 g·L-1 de hexadeceno e numa mistura dos dois (5 g·L-1 de cada hidrocarboneto). O aumento da transferência de oxigénio, por aumento da razão do volume de headspace e do meio líquido dos frascos, teve um efeito positivo no crescimento e na produção de metabolitos. No meio com hexadecano, as células produziram lipase (1260 U·L-1) e acumularam lípidos intracelularmente (15 %, p/p), demonstrando o seu potencial para valorizar efluentes contaminados com hidrocarbonetos. Como a levedura C. tropicalis demonstrou potencial para crescer em compostos fenólicos, foi testada em frascos Erlenmeyer a sua capacidade para crescer em águas ruças não diluídas (com e sem suplementação com YNB) e produzir metabolitos de interesse. O aumento do volume do frasco levou ao aumento do crescimento celular, mas não favoreceu a acumulação de lípidos. Foi também observado que a limitação de azoto favorecia a acumulação de lípidos: no meio não suplementado com YNB obteve-se um conteúdo de lípidos igual a 39 % (p/p) e nos ensaios realizados em culturas descontínuas repetidas (pulsos de águas ruças sem YNB) obteve-se 24 % (p/p) de lípidos microbianos. Os lípidos microbianos acumulados por Y. lipolytica e C. tropicalis eram compostos maioritariamente por ácidos oleico e linoleico, e a fração insaturada era maior que a saturada. A composição destes lípidos microbianos, semelhante à dos óleos vegetais comuns, torna-os uma potencial matéria-prima para a produção de biodiesel.