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Publication
Multi-strain immobilization in extracellular polymeric substances for improving recalcitrant pollutants removal from wastewater
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Authors
Abstract(s)
The increasing discharge of industrial and household waste into wastewater collection systems introduces recalcitrant pollutants that resist treatment by indigenous microbial communities present in wastewater treatment plants (WWTP). These recalcitrant pollutants, such as endocrine disrupting compounds, fluorinated and chlorinated chemicals, and pharmaceuticals can adversely affect human health and aquatic life. A possible solution to eliminate the recalcitrant pollutants and protect humans and ecosystems could be the use specialized degrading microorganisms to bioaugment wastewater treatment system. In this study, extracellular polymeric substances (EPS) extracted from aerobic granular sludge (AGS) were used as a natural carrier material for the immobilization of three bacterial strains Labrys portucalensis F11, Rhodococcus sp. ED55, and Rhodococcus sp. S2, known for degrading fluorobenzene (FB), 17β-estradiol (E2), and 4-fluorocinnamic acid (4-FCA) respectively. Batch assays were performed to assess the efficiency of the multi-immobilized bacteria granules to remove a combination of FB (1 mM), 4-FCA (0.5 mM), and E2 (0.018 mM), and compare their performance with the ones obtained by using bacterial suspensions of the same strains. Gas chromatography and high-performance liquid chromatography were used to quantify the toxics. The co-immobilized bacterial granules were able to completely degrade E2 within 42.5 h, while 4-FCA and FB were completely degraded by the end of 66.2 h and 90 h, respectively. Although the toxics adsorbed onto the multi-immobilized bacteria granules to some extent (FB 3.16 ± 2.49 mM / g granules, 4-FCA 0.640 ± 0.073 mM / g granules, and E2 0.0048 ± 0.0003 mM / g granules), stoichiometric fluoride release was observed, which is indicative of complete biodegradation of fluorinated compounds. Bacterial suspensions exhibited a faster degradation of E2 (<20 h), but 4-FCA and FB required longer removal times of 90.1h and 231.5 h, respectively. These results highlight that the co-immobilization of strains in an EPS matrix can enhance the removal efficiency of fluorinated compounds in comparison to the bacterial suspensions. It also supports the potential use of extracted EPS as an immobilizing agent of degrading strains for bioaugmentation purposes, possibly improving wastewater treatment systems’ efficiency.
A descarga de resíduos industriais e domésticos em sistemas coletores de águas residuais leva a introdução de poluentes recalcitrantes que resistem ao tratamento pelas comunidades microbianas indígenas presentes nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR). Esses poluentes recalcitrantes, tais como desreguladores endócrinos, compostos fluorados e clorados e produtos farmacêuticos podem afetar negativamente a saúde humana e a vida aquática. Uma possível solução para eliminar os poluentes recalcitrantes é através do uso de microrganismos degradadores especializados para bioaumentar sistemas de tratamento de águas residuais. Neste estudo, substâncias poliméricas extracelulares (EPS) extraídas de grânulos aeróbico (AGS) foram usadas como material de imobilização de origem natural para três estirpes bacterianas Labrys portucalensis F11, Rhodococcus sp. ED55 e Rhodococcus sp. S2, conhecidas por degradar fluorobenzeno (FB), 17β-estradiol (E2) e ácido 4- fluorocinámico (4-FCA), respetivamente. Foram realizados ensaios para avaliar a eficiência dos grânulos de bactérias imobilizadas para remover uma combinação de FB (1 mM), 4-FCA (0,5 mM) e E2 (0,018 mM) e comparar o desempenho destes relativamente aquele obtido pelas suspensões bacterianas das mesmas estirpes. Técnicas de cromatografia gasosa e cromatografia líquida de alta eficiência foram usadas para quantificar os tóxicos. Os grânulos de bactérias imobilizadas degradaram completamente E2 em 42,5 h, 4-FCA em 66,2 h e FB em 90 h. Embora os tóxicos sejam parcialmente adsorvidos pelos grânulos (FB 3,16 ± 2,49 mM/g grânulos, 4-FCA 0,640 ± 0,073 mM/g grânulos e E2 0,0048 ± 0,0003 mM/g grânulos), foi observada libertação estequiométrica de fluoreto, indicando a biodegradação completa de compostos fluorados. As suspensões bacterianas exibiram uma degradação mais rápida de E2 (<20 h), mas foram necessários tempos de remoção mais longos para remover 4-FCA e FB de 90,1 h e 231,5 h, respetivamente. Os resultados destacam que a co-imobilização de estirpes numa matriz de EPS pode aumentar a eficiência de remoção de compostos fluorados em comparação com as suspensões bacterianas. Adicionalmente, os resultados realçam o potencial uso de EPS extraído como um agente imobilizador de estirpes degradadoras para bioaumento, possivelmente melhorando a eficiência dos sistemas de tratamento de águas residuais.
A descarga de resíduos industriais e domésticos em sistemas coletores de águas residuais leva a introdução de poluentes recalcitrantes que resistem ao tratamento pelas comunidades microbianas indígenas presentes nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR). Esses poluentes recalcitrantes, tais como desreguladores endócrinos, compostos fluorados e clorados e produtos farmacêuticos podem afetar negativamente a saúde humana e a vida aquática. Uma possível solução para eliminar os poluentes recalcitrantes é através do uso de microrganismos degradadores especializados para bioaumentar sistemas de tratamento de águas residuais. Neste estudo, substâncias poliméricas extracelulares (EPS) extraídas de grânulos aeróbico (AGS) foram usadas como material de imobilização de origem natural para três estirpes bacterianas Labrys portucalensis F11, Rhodococcus sp. ED55 e Rhodococcus sp. S2, conhecidas por degradar fluorobenzeno (FB), 17β-estradiol (E2) e ácido 4- fluorocinámico (4-FCA), respetivamente. Foram realizados ensaios para avaliar a eficiência dos grânulos de bactérias imobilizadas para remover uma combinação de FB (1 mM), 4-FCA (0,5 mM) e E2 (0,018 mM) e comparar o desempenho destes relativamente aquele obtido pelas suspensões bacterianas das mesmas estirpes. Técnicas de cromatografia gasosa e cromatografia líquida de alta eficiência foram usadas para quantificar os tóxicos. Os grânulos de bactérias imobilizadas degradaram completamente E2 em 42,5 h, 4-FCA em 66,2 h e FB em 90 h. Embora os tóxicos sejam parcialmente adsorvidos pelos grânulos (FB 3,16 ± 2,49 mM/g grânulos, 4-FCA 0,640 ± 0,073 mM/g grânulos e E2 0,0048 ± 0,0003 mM/g grânulos), foi observada libertação estequiométrica de fluoreto, indicando a biodegradação completa de compostos fluorados. As suspensões bacterianas exibiram uma degradação mais rápida de E2 (<20 h), mas foram necessários tempos de remoção mais longos para remover 4-FCA e FB de 90,1 h e 231,5 h, respetivamente. Os resultados destacam que a co-imobilização de estirpes numa matriz de EPS pode aumentar a eficiência de remoção de compostos fluorados em comparação com as suspensões bacterianas. Adicionalmente, os resultados realçam o potencial uso de EPS extraído como um agente imobilizador de estirpes degradadoras para bioaumento, possivelmente melhorando a eficiência dos sistemas de tratamento de águas residuais.
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Keywords
Aerobic granular sludge Extracellular polymeric substances Multi-immobilized bacteria Recalcitrant compounds Grânulos aeróbios Substâncias poliméricas extracelulares Multi-imobilização de bactérias Compostos recalcitrantes
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