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Authors
Abstract(s)
A variety of organic pollutants reach wastewater treatment plants (WWTP), often associated with high salinity levels, making their treatment challenging. Aerobic granular sludge (AGS) technology is thought to protect the microbial communities from stress due to the high content of extracellular polymeric substances (EPS). There is an increasing need to turn WWTP more efficient, with a range of opportunities for resource recovery to integrate them into the circular economy concept. The work described in this thesis aimed to explore AGS biomass as a source of EPS and to understand the variations of EPS production facing different stressors, namely 2-fluorophenol (2-FP) and salinity. Particular attention was given to the microbial communities, diversity and function, of the investigated systems. The recovery of EPS from AGS represents an opportunity for valorization of surplus biomass. AGS from a full-scale WWTP treating urban wastewater was regularly collected for 4 months to assess variability in EPS composition and in granular morphology. Variations in the EPS composition occurred with time, with proteins and humic acids as the main EPS components and polysaccharides and DNA as minor constituents. An extra purification step led to the recovery of a purer EPS form with a rather homogeneous composition however the yield of each EPS component decreased, especially for polysaccharides. Yield and product homogeneity are key features for downstream application of the recovered EPS. The effect of intermittent short-term loadings of 2-FP and low to moderate salinity wastewater on the performance and EPS production of an AGS system was studied. Ammonium removal was highly inhibited by stressors, recovering when 2-FP feeding ceased. Phosphate removal, initially disturbed by exposure to stress conditions, recovered when stressors were still present. EPS composition and concentration in the granules decreased from 133.3 to 33.7 mg/g VSS of AGS during the first phases of stress but its production recovered to 176.1 mg/g VSS of AGS even in the stressor’s presence. The nutrient removal recovery after exposure to stressors and the increased EPS production response support the robustness of AGS systems to deal with intermittent stressful conditions. EPS recovered from AGS were used as an immobilizing agent for Rhodococcus sp. FP1, a 2-FP degrading strain. The produced EPS granules exhibited 2-FP degrading ability of 100%, retaining its original activity up to 2 months storage. Moreover, the EPS granules were used to bioaugment an AGS reactor intermittently fed with low to moderate saline wastewater amended with 2-FP. After bioaugmentation, complete 2-FP removal occurred and phosphate and ammonium removal (previously impaired by 2-FP load) improved from 14 to 46% and from 25 to 42%, respectively. After bioaugmentation, strain FP1 was detected up to 3 days in the reactor effluent by qPCR and eleven bacterial isolates able to degrade 2-FP were retrieved from the AGS. Maintenance of cell viability through storage and improvement of bioreactor.
Uma grande variedade de poluentes orgânicos chega às estações de tratamento de águas residuais (ETARs), muitas vezes associados a altos níveis de salinidade, tornando o seu tratamento um desafio. Na tecnologia de grânulos aeróbios (AGS), as comunidades microbianas tendem a estar protegidas do stress ambiental pela presença de substâncias poliméricas extracelulares (EPS). Há uma necessidade crescente de tornar as ETARs mais eficientes, integrando-as no conceito de economia circular recorrendo à recuperação de recursos. O trabalho descrito nesta tese pretende explorar a biomassa AGS como fonte de EPS e compreender as variações da sua produção face a diferentes fatores de stress, nomeadamente, de 2-fluorofenol (2-FP) e salinidade. Além disso, foram investigadas as comunidades microbianas dos sistemas AGS, tendo em conta a diversidade e função das mesmas. A recuperação do EPS representa uma oportunidade de valorização do excedente de biomassa. O AGS de uma ETAR urbana foi coletado regularmente ao longo de 4 meses para avaliar a variabilidade da composição do EPS e da morfologia granular. Ao longo do tempo ocorreram variações na composição do EPS, sendo as proteínas e ácidos húmicos os principais componentes e polissacarídeos e DNA constituintes secundários do EPS. Uma etapa extra de purificação conduziu à recuperação de uma forma de EPS mais pura com uma composição mais homogénea, contudo, o rendimento de cada componente diminuiu, especialmente dos polissacarídeos. O rendimento e a homogeneidade do produto são essenciais para a futura aplicação do EPS recuperado. Foi estudado o efeito da presença intermitente e de curta duração de 2-FP e de baixa a moderada salinidade no desempenho e na produção de EPS num sistema AGS. A remoção de ião amónio foi inibida pelos fatores de stress, recuperando quando a alimentação com 2- FP cessou. A remoção do ião fosfato, inicialmente perturbada, recuperou quando os fatores de stress ainda estavam presentes na alimentação. A composição e a concentração de EPS nos grânulos diminuiu de 133,3 para 33,7 mg/g VSS de AGS durante as primeiras fases de stress mas, a sua produção recuperou para 176,1 mg/g VSS de AGS, mesmo na presença dos fatores de stress. A recuperação da remoção de nutrientes após a exposição a fatores de stress e o aumento da produção de EPS comprovam a robustez dos sistemas AGS para lidar com condições de stress intermitentes. EPS recuperado de AGS foi usado como um agente imobilizador para Rhodococcus sp. FP1, uma estirpe degradadora de 2-FP. Os grânulos de EPS produzidos foram capazes de degradar 2-FP a 100%, mantendo sua atividade original até 2 meses de armazenamento. Além disso, os grânulos de EPS foram usados para o bioaumento de um reator AGS alimentado de forma intermitente com 2-FP e salinidade baixa a moderada. Após o bioaumento, ocorreu a remoção completa de 2-FP e, a remoção dos iões fosfato e amónio (previamente afetada pela presença de 2-FP) aumentou de 14 para 46% e de 25 para 42%, respetivamente. A estirpe FP1 foi detetada por qPCR até 3 dias após o bioaumento no efluente do reator e, 11 isolados bacterianos degradadores de 2-FP foram recuperados do AGS. A manutenção da viabilidade celular durante o armazenamento e a melhoria do desempenho do reator sem alterar os seus parâmetros operacionais são as principais vantagens desta estratégia alternativa de bioaumento. As variações nos padrões taxonómicos e funcionais dos microbiomas dos dois reatores AGS, sob diferentes regimes de alimentação, foram avaliadas e associadas ao desempenho do reator e à produção de EPS. Estiveram presentes em cada reator comunidades dinâmicas e adaptáveis, com uma sucessão de diferentes espécies, garantindo a resiliência dos principais processos de remoção e produção de EPS. No fim do período de operação, o reator não bioaumentado e exposto a fatores de stress por períodos mais curtos mostrou uma comunidade com maior riqueza, com um claro domínio de membros da classe Flavobacteriia e um microbioma core que representa ca. 13,8% de todas as sequências, enquanto que o reator bioaumentado exposto a fatores de stress por períodos mais longos, mostrou uma distribuição mais uniforme das classes bacterianas. No reator bioaumentado, o género Rhodococcus persistiu nos grânulos ao longo das fases de alimentação com 2-FP. A inferência funcional in silico sugere que diferentes mecanismos de adaptação ao ambiente externo foram ativados em cada reator. A redundância funcional e a diversidade microbiana, juntamente com uma sucessão de espécies, são provavelmente responsáveis pela recuperação dos processos de remoção de nutrientes e produção de EPS, especialmente quando as condições de alimentação mudam em ambos os reatores.
Uma grande variedade de poluentes orgânicos chega às estações de tratamento de águas residuais (ETARs), muitas vezes associados a altos níveis de salinidade, tornando o seu tratamento um desafio. Na tecnologia de grânulos aeróbios (AGS), as comunidades microbianas tendem a estar protegidas do stress ambiental pela presença de substâncias poliméricas extracelulares (EPS). Há uma necessidade crescente de tornar as ETARs mais eficientes, integrando-as no conceito de economia circular recorrendo à recuperação de recursos. O trabalho descrito nesta tese pretende explorar a biomassa AGS como fonte de EPS e compreender as variações da sua produção face a diferentes fatores de stress, nomeadamente, de 2-fluorofenol (2-FP) e salinidade. Além disso, foram investigadas as comunidades microbianas dos sistemas AGS, tendo em conta a diversidade e função das mesmas. A recuperação do EPS representa uma oportunidade de valorização do excedente de biomassa. O AGS de uma ETAR urbana foi coletado regularmente ao longo de 4 meses para avaliar a variabilidade da composição do EPS e da morfologia granular. Ao longo do tempo ocorreram variações na composição do EPS, sendo as proteínas e ácidos húmicos os principais componentes e polissacarídeos e DNA constituintes secundários do EPS. Uma etapa extra de purificação conduziu à recuperação de uma forma de EPS mais pura com uma composição mais homogénea, contudo, o rendimento de cada componente diminuiu, especialmente dos polissacarídeos. O rendimento e a homogeneidade do produto são essenciais para a futura aplicação do EPS recuperado. Foi estudado o efeito da presença intermitente e de curta duração de 2-FP e de baixa a moderada salinidade no desempenho e na produção de EPS num sistema AGS. A remoção de ião amónio foi inibida pelos fatores de stress, recuperando quando a alimentação com 2- FP cessou. A remoção do ião fosfato, inicialmente perturbada, recuperou quando os fatores de stress ainda estavam presentes na alimentação. A composição e a concentração de EPS nos grânulos diminuiu de 133,3 para 33,7 mg/g VSS de AGS durante as primeiras fases de stress mas, a sua produção recuperou para 176,1 mg/g VSS de AGS, mesmo na presença dos fatores de stress. A recuperação da remoção de nutrientes após a exposição a fatores de stress e o aumento da produção de EPS comprovam a robustez dos sistemas AGS para lidar com condições de stress intermitentes. EPS recuperado de AGS foi usado como um agente imobilizador para Rhodococcus sp. FP1, uma estirpe degradadora de 2-FP. Os grânulos de EPS produzidos foram capazes de degradar 2-FP a 100%, mantendo sua atividade original até 2 meses de armazenamento. Além disso, os grânulos de EPS foram usados para o bioaumento de um reator AGS alimentado de forma intermitente com 2-FP e salinidade baixa a moderada. Após o bioaumento, ocorreu a remoção completa de 2-FP e, a remoção dos iões fosfato e amónio (previamente afetada pela presença de 2-FP) aumentou de 14 para 46% e de 25 para 42%, respetivamente. A estirpe FP1 foi detetada por qPCR até 3 dias após o bioaumento no efluente do reator e, 11 isolados bacterianos degradadores de 2-FP foram recuperados do AGS. A manutenção da viabilidade celular durante o armazenamento e a melhoria do desempenho do reator sem alterar os seus parâmetros operacionais são as principais vantagens desta estratégia alternativa de bioaumento. As variações nos padrões taxonómicos e funcionais dos microbiomas dos dois reatores AGS, sob diferentes regimes de alimentação, foram avaliadas e associadas ao desempenho do reator e à produção de EPS. Estiveram presentes em cada reator comunidades dinâmicas e adaptáveis, com uma sucessão de diferentes espécies, garantindo a resiliência dos principais processos de remoção e produção de EPS. No fim do período de operação, o reator não bioaumentado e exposto a fatores de stress por períodos mais curtos mostrou uma comunidade com maior riqueza, com um claro domínio de membros da classe Flavobacteriia e um microbioma core que representa ca. 13,8% de todas as sequências, enquanto que o reator bioaumentado exposto a fatores de stress por períodos mais longos, mostrou uma distribuição mais uniforme das classes bacterianas. No reator bioaumentado, o género Rhodococcus persistiu nos grânulos ao longo das fases de alimentação com 2-FP. A inferência funcional in silico sugere que diferentes mecanismos de adaptação ao ambiente externo foram ativados em cada reator. A redundância funcional e a diversidade microbiana, juntamente com uma sucessão de espécies, são provavelmente responsáveis pela recuperação dos processos de remoção de nutrientes e produção de EPS, especialmente quando as condições de alimentação mudam em ambos os reatores.
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Aerobic granular sludge Bioaugmentation Extracellular polymeric substances Industrial wastewater Microbiome Grânulos aeróbios Bioaumento Substâncias poliméricas extracelulares Água residual industrial Microbioma