Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-09-21T13:55:12Z No. of bitstreams: 1 TeseLRNC.pdf: 4120056 bytes, checksum: 645b13af2a6cbf13a9e882cd3809d9e6 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-21T18:15:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseLRNC.pdf: 4120056 bytes, checksum: 645b13af2a6cbf13a9e882cd3809d9e6 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-21T18:15:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseLRNC.pdf: 4120056 bytes, checksum: 645b13af2a6cbf13a9e882cd3809d9e6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-21T18:15:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseLRNC.pdf: 4120056 bytes, checksum: 645b13af2a6cbf13a9e882cd3809d9e6 (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The monoaromatic hydrocarbons composed by benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes isomers (BTEX), are commonly found near local oil refineries, filling stations, or around pipelines, as a result ofleaks and/or spills. In such places, a microbial activity not only promotes the transformation of these compounds into products such as CO2 or methane, but also convert them into highly toxic and/or carcinogenic compounds. Some of the metabolites resulting from biotransformation process are benzylsuccinic acid, 2-methylbenzylsuccinic acid, isomers of toluic acid and benzoic acid. The aim of this study is to increase knowledge about the biodegradation of monoaromatic hydrocarbons in soils, by investigating their removal under three different conditions, and to evaluate the formation products associated with their degradation. This work was carried out with series of anaerobic microcosms with three different electron acceptors acting as oxidants: sulfate, nitrate and iron (III). The individual effect of each in a soil contaminated with BTEX and another set containing a mixture of these electron acceptors with soil contaminated with conventional diesel were investigated. The concentrations of BTEX and metabolites were monitored for 90 days. Previously, it was necessary to develop suitable analytical methods for monitoring BTEX through gas chromatography coupled with flame ionization detection (GC/FID) while high-performance liquid chromatography coupled to a mass spectrometer (LC-MS/MS) was used for determining the metabolites. A preliminary microbiological characterization of groups of bacteria was carried out, showing a prevalence of nitrate-reducing bacteria in the soil utilized. Evidence that the BTEX compounds may be removed in anaerobic conditions linked to nitrate and sulfate reduction were found. Using iron (III) like electron receptor was not observed a significant decrease in the concentration of contaminants during the three months of incubation, except for toluene. Results also show that toluene was the compound quite easily degraded in anaerobic conditions in soil, enriched with different electron acceptors. On the other hand the appearance of metabolites was quickly detected in the series of experiments employing nitrate, due to the higher content of native nitrate reducing bacteria in the soil, associated with the fact that nitrate has a higher oxidizing power from the electron receptors studied. In case of iron (III), metabolites were slow to appear, however higher concentrations were detected mainly of benzylsuccinic acid from toluene degradation. To establish a scenario more realistic of contamination, a soil was artificially contaminated with diesel. However, due to the large number of compounds present in the fuel, the toxicity of the medium was increased, causing inhibition of the biological activity and thus affecting the efficiency of BTEX removal. / Os hidrocarbonetos benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos, conhecidos como BTEX são comumente encontrados em locais próximos a refinarias de petróleo e derivados, postos de abastecimento, ou ao redor de oleodutos, quando oriundos de vazamentos e/ou derramamentos. Nestes locais, a atividade microbiana pode promover a transformação desses produtos em compostos como CO2 ou metano, como também convertê-los em compostos altamente tóxicos e/ou cancerígenos. Alguns dos metabólitos resultantes do processo de biotransformaçãodos BTEX são benzilsuccinato, 2-metilbenzilsuccinato, isômeros do ácido toluico e o ácido benzóico. Nesse contexto, o objetivo deste estudo é ampliar o conhecimento acerca da biodegradação de hidrocarbonetos monoaromáticos em solos, mediante a investigação da remoção sob três diferentes condições (SO42-, NO3- e Fe(III)), e a avaliação da formação de produtos associados à biodegradação. Para observar o que acontece em um solo onde diferentes receptores de elétrons atuam como oxidantes, foram montadas séries de experimentos em microcosmos com sulfato, nitrato e ferro (III) atuando de forma individual em solo contaminado com BTEX. Visando simular um cenário mais realista de contaminação, foi montada também uma série de experimentos em microcosmos com solo artificialmente contaminado com óleo diesel convencional e uma mistura dos receptores de elétrons previamente mencionados. As concentrações de BTEX e dos metabólitos foram monitoradas durante 90 dias. Previamente ao monitoramento foi necessário o desenvolvimento dos métodos analíticos para este fim, empregando cromatografia gasosa acoplada ao detector de ionização em chama (GC/FID) para a determinação dos BTEX e a cromatografia líquida de alta eficiência acoplada a um espectrômetro de massas triplo quadrupolo (LC-MS/MS), para a determinação dos metabólitos. Uma caracterização microbiológica preliminar dos grupos de bactérias investigadas foi realizada, mostrando uma predominância das bactérias redutoras de nitrato no solo utilizado. Foram encontradas evidências de que os compostos BTEX podem ser removidos sob condições anaeróbias em presença de nitrato e sulfato. O uso de ferro (III) não propiciou uma diminuição significativa na concentração dos contaminantes durante os três meses de incubação, exceto para tolueno. Os resultados também mostraram que o tolueno foi o composto mais facilmente degradado em meio anaeróbio, em solos enriquecidos com diferentes receptores de elétrons. Por outro lado o aparecimento de metabólitos foi mais rapidamente detectado na série empregando nitrato, devido ao maior conteúdo de bactérias redutoras de nitrato nativas no solo, associado ao fato de que o nitrato possui um maior poder oxidante dentre os receptores de elétrons estudados. No caso do ferro (III) o aparecimento dos metabólitos foi mais lento, sendo, no entanto, detectadas altas concentrações principalmente para o ácido benzilsuccínico proveniente da degradação de tolueno. Já no solo artificialmente contaminado com óleo diesel o grande número de compostos presentes neste combustível provocou um aumento na toxicidade do meio, inibindo a atividade biológica e afetando a eficiência de remoção dos BTEX.

Hidrocarbonetos aromáticos conhecidos como BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos) estão entre os maiores problemas de poluição ambiental. Estes compostos são reconhecidos por sua recalcitrância em ambientes anóxicos, e a remoção destes hidrocarbonetos, de sítios anaeróbios contaminados é dependente da atividade de uma população de microrganismos adaptados capazes de promover a biodegradação destes compostos, nestas condições. Neste sentido, o presente trabalho buscou purificar, caracterizar e utilizar cultura desnitrificante, como inóculo para desenvolvimento de biofilme, em reator anaeróbio de leito fixo preenchido com espumas de poliuretano, além de avaliar o potencial deste biofilme em promover a biodegradação dos compostos de BTEX. Células da cultura apresentaram coloração Gram negativa, com morfologia de cocos (diplococos e cocobacilos). A cultura foi capaz de crescer, sob condições desnitrificantes, utilizando diferentes substratos. A cultura não apresentou capacidade de crescer sob condições sulfetogênicas. Velocidades de crescimento ('mü') de 0,046/h e 0,050/h e tempos de geração (Tg) de 15,1 horas e 13,9 horas foram obtidos para as células crescidas em benzeno e etilbenzeno, respectivamente. A cultura purificada foi utilizada para formar biofilme em RAHLF. Em todas as condições de alimentação as quais os reatores foram submetidos houve remoção da matéria orgânica, nitrato e dos hidrocarbonetos. A menor eficiência de remoção de hidrocarbonetos foi de 89,4%, obtida durante a alimentação dos reatores com benzeno. A matéria orgânica (DQO) foi removida com eficiência média de 87,1%. A eficiência média de remoção de nitrato foi de 94%. O sequenciamento das amostras revelou que o biofilme do RAHLF1 foi formado, principalmente, por espécies de Paracoccus, Pseudomonas e Bacteroides, enquanto que no RAHLF2, alimentado com etilbenzeno, observou-se espécies dos gêneros: Paracoccus, Pseudomonas, Xanthomonas e Variovorax / The monoaromatic hydrocarbons known as BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) are among the greatest environmental pollution problems. These compounds are known by their recalcitrance in anoxic environments, and the removal of these toxics from anaerobic contaminated sites depends on the presence of an adapted microbial population capable of to promote the biodegradation of these compounds under such condition. Thus, in the current study a denitrifying culture was purified, characterized and used as inoculum to form a biofilm in a horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactor filled with polyurethane foam, and to assess the potential of this biofilm to promote BTEX compounds biodegradation. Culture cells were Gram negative, with coccus (diplococcus and cocobacilli) morphology. The culture was able to grow, under denitrifying conditions, using different substrates. No growth was seen in sulfate-reducing conditions. Growth velocity('mü') of 0.046/h and 0.050/h, and generation time of 15.1 and 13.9 hours were obtained for cultures isolated in the presence of benzene and ethylbenzene, respectively. The purified culture was used to form a biofilm inside RAHLF. At all feeding conditions the reactors were submitted the organic matter, nitrate and hydrocarbons were removed. The smallest hydrocarbons removal efficiency was 89.4%, obtained during benzene feeding. The organic matter (COD) was removed with mean efficiency of 87.1%. The mean efficiency of nitrate removal was 94.0%. Sequencing of samples showed that the RAHLF1 biofilm was composed specially for Paracoccus, Pseudomonas and Bacteroides species. Biofilm of RAHLF2 reactor, obtained from ethylbenzene feeding, was composed by Paracoccus, Pseudomonas, Xanthomonas and Variovorax species

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daniela E G Trigueros.pdf: 1658351 bytes, checksum: 7fbea29ba41e37a5bf51e05f405fc287 (MD5) Previous issue date: 2008-02-12 / Universidade Estadual do Oeste do Paraná. Campus de Toledo / The aromatics hydrocarbons usually known as BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes isomers) are toxics compounds presented in many petroleum products, such as gasoline, and are also widely used in chemical and petrochemical industries. When these compounds are released in the environment a contamination of the soil and the groundwater took place. As a result, the use of the aquifers becomes impossible. Groundwaters nowadays represent an alternative potable water source in many countries. Therefore, it s crucially important to study the biodegradation process, in particular when multiple substrates are presented in the system. In this work, the kinetics of BTEX biodegradation was studied, individually and as in mixture. Hence, the performance of the different microbial growth unstructured models, based on the population level kinetics were investigated by using experimental data from literature. The equations of the material balances, for batch operation mode, were numerically solved (RKF45 method) applying the Monod and Andrews models to describe an individual substrates biodegradation kinetics. Similarly, the applied equations describing mixture substrates biodegradation kinetics were solved by using the competitive, noncompetitive and uncompetitive inhibitions models as well as the sum kinetic interactions parameters (SKIP) model. Moreover, in order to understand the mechanisms involved in the biodegradation process of the BTP toxics compounds (benzene, toluene, and phenol), individually and as the binary and ternary mixtures, were investigated. In this case, some inhibition models modifications were proposed in order to describe the biodegradation kinetics of the benzene-toluene and benzene-phenol mixtures. The kinetic parameters were estimated by using Particle Swarm global optimization method. The experimental data were taken from the literature and the programs were coded in Maple software. The least square method was used as a statistical criterion of the search. The evaluated kinetic parameters values obtained in the present study were found to describe very well experimental data and to be in accordance with the values reported in the literature. The simple Monod and Andrews models accurately predict the BTEX individual biodegradation kinetics. The SKIP model provided the best description of BTEX biodegradation kinetics, showing the existence of non specific interactions between the BTEX substrates. The other models behavior indicated a presence of a competitive and a noncompetitive inhibition in the mixtures, agreeing with the reality that a mixture culture used in the biodegradation can have multiples metabolic pathways to the BTEX biodegradation. By applying the SKIP model, the interactions between BTEX substrates was estimated, where the ethylbenzene expressed a higher inhibitory effect in the mixtures, whereas the xylene shown a smaller one. The competitive inhibition model adequately described the BTP binary and ternary mixtures biodegradation process, because substrates biodegradation is catabolized via the same enzymatic pathway of Pseudomonas putida F1. Moreover, the inhibition models modifications proposed described better the biodegradation kinetics of benzene-toluene and benzene-phenol mixtures. Finally, the obtained results in this work have shown that the best models can be successfully applied for optimization of toxics compounds biodegradation process by applying different bioreactors types and operational conditions. / Os hidrocarbonetos aromáticos benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos, coletivamente conhecidos como BTEX são compostos tóxicos presentes em derivados de petróleo, como a gasolina, e utilizados em larga escala nas indústrias químicas e petroquímicas. Estes compostos quando liberados no meio ambiente contaminam o solo e as águas subterrâneas, podendo inviabilizar a exploração de aqüíferos, que atualmente representam uma fonte alternativa de água potável. Portanto, é fundamental a pesquisa de processos de biodegradação, particularmente quando múltiplos substratos estão presentes no sistema. Neste trabalho investigou-se a cinética de biodegradação dos compostos BTEX, individualmente e em mistura. Para tanto, o desempenho de diversos modelos não-estruturados de crescimento microbiano, baseado na cinética no nível da população, foi avaliado utilizando-se dados experimentais obtidos da literatura. As equações do balanço material em operação batelada foram numericamente resolvidas (método RKF45) aplicando os modelos de Monod e Andrews à cinética de biodegradação individual dos substratos. Igualmente, as equações aplicadas à cinética de biodegradação da mistura BTEX foram resolvidas considerando os modelos de inibição competitiva, acompetitiva e não-competitiva, bem como o modelo soma cinética dos parâmetros de interação (sum kinetic interactions parameters SKIP). Para o entendimento dos mecanismos envolvidos na biodegradação de múltiplos substratos tóxicos, também foram investigadas a cinética de biodegradação dos compostos BTF (benzeno, tolueno e fenol), individualmente e em misturas binárias e ternária. Neste caso, algumas modificações nos modelos de inibição foram propostas para descrever a cinética de biodegradação das misturas benzeno-tolueno e benzeno-fenol. Os parâmetros cinéticos foram estimados por meio de um método de otimização global conhecido como Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization PSO), implementado no software Maple®, utilizando a função dos mínimos quadrados como critério estatístico. Os parâmetros obtidos no presente trabalho mostraram-se coerentes com valores relatados na literatura. A biodegradação individual dos substratos BTEX foi adequadamente representada pelos modelos de Andrews e Monod. O modelo SKIP proporcionou a melhor representação da cinética de biodegradação da mistura BTEX, e conseguiu mostrar a existência de interações não específicas entre os substratos BTEX. Além do ótimo ajuste do modelo SKIP, inferências sobre o comportamento dos demais modelos avaliados indicam uma mistura de inibições competitiva e não-competitiva, concordando com o fato de que, a mistura de culturas microbianas utilizada na biodegradação, pode apresentar múltiplos caminhos metabólicos para a biodegradação dos compostos BTEX. Por meio do modelo SKIP estimou-se as interações entre os substratos BTEX, onde o etilbenzeno apresentou o maior efeito de inibição sobre os demais compostos, ao passo que o xileno mostrou o menor efeito. O modelo de inibição competitiva representou adequadamente a cinética de biodegradação dos substratos BTF, em misturas binárias e ternária, concordando com o fato de que estes compostos são catabolizados pelo mesmo caminho enzimático da Pseudomonas putida F1 utilizada na biodegradação. Além disso, as modificações propostas para os modelos de inibição, representaram melhor a cinética de biodegradação das misturas benzeno-tolueno e benzeno-fenol. Os resultados alcançados neste trabalho mostram que os melhores modelos podem ser aplicados com sucesso na otimização dos processos de biodegradação de compostos tóxicos em diferentes tipos de biorreatores e condições operacionais.