Stuttgart, Uiv., Diss., 2004.

Düsseldorf, Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Düsseldorf, Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Düsseldorf, Universiẗat, Diss., 2002.

Bioremediation tends to be an effective technology, used to remove pollutants and it involves relatively little capital. Microorganisms, especially bacteria, evolving into many types with exceedingly diverse metabolic capabilities, which can be applied in bioremediation. The two bacterial strains, Nocardioides simplex FJ2-1A and Rhodococcus opacus HL PM-1 are capable of biodegradation of 2,4,6-trinitrophenol (TNP, picric acid). In N. simplex, the biodegradation pathway is inducible while in R. opacus is constitutive. Some enzymes were identified in both strains and shown to be isofunctional. In this work, a molecular characterisation of the orfB from the npd gene cluster was achieved. The mutant R. opacus AR1 strain deficient in the orfB gene was constructed by a gene replacement method using the expression of sacB as the selectable marker. The gene was also cloned as the His tag fusion protein and expressed in E. coli. Theoretical pI / Mw predictions for the protein sequence were 5.47 / 42536.23 Da. SDS-PAGE analysis showed the size of the purified fusion protein, which was calculated to be 42.5 kDa. The protein was purified by Ni-NTA metal affinity chromatography. This study furthermore identified a DNA fragment, which encodes the nitrite-eliminating enzyme (NEE) activity. This was achieved by enriching the activity using the fast performance liquid chromatography (FPLC) and protein sequencing. The two internal peptide sequences were obtained: L P G D Y T D Q L L R and S G A I V G L G H A Q V D R. These were used to design the degenerate primers in order to pool a clone from nocardioform genome. Two different genomic libraries were constructed and screened using R. opacus HL PM-1 and N. simplex FJ2-1A total DNA, since the activity in crude extracts was reported with both strains. The partial DNA sequence of NEE was obtained (252 bp). The similarity with fatty acid hydroxylase from Nocardioides sp. JS6614 was detected.

Proveniente das atividades de mineração, a drenagem ácida de minas (DAM) é uma solução aquosa caracterizada por valores de pH menores que 3 e diversidade de metais dissolvidos com concentrações que variam de 100 a 300mg.L-1, representa riscos ambientais, em especial, impactos hídricos, em conseqüência da solubilização e mobilização de metais pesados. A pesquisa por novos processos de tratamento de efluentes contaminados com metais tem focado sua atenção na capacidade que certos materiais biológicos têm de fixar íons metálicos. A biossorção é um processo vantajoso quando comparado aos tratamentos convencionais porque não requer custos de investimento e operação, é um processo rápido e pode ser seletivo, além disso, o metal pode ser recuperado e o biossorvente reutilizado. Rhodococcus opacus é uma bactéria, gram-positiva, não patogênica, de fácil aquisição que apresenta em sua parede celular compostos que lhe conferem hidrofobicidade, características que tornam esta espécie microbiana um potencial agente de sorção. O objetivo deste trabalho é avaliar a capacidade do Rhodococcus opacus como biossorvente destinado ao tratamento da drenagem ácida de minas proveniente da mineração de carvão. As características da superfície do microrganismo e os possíveis mecanismos de interação envolvidos na sorção dos metais pelo Rhodococcus opacus foram avaliados através da medida de potencial zeta, análise de espectroscopia de infravermelho e análise de imagens obtidas no icroscópio eletrônico de varredura (MEV). A porcentagem de metais presentes na composição das células de Rhodococcus opacus foi obtida através do ensaio de erda ao fogo e é de aproximadamente 1,8%. O equilíbrio do processo biossortivo em sistema multimetálico foi atingido em cerca de 1minuto, captando 48,2mg.g-¹ o que correspondo a aproximadamente 11,7% de remoção. O PIE da Rhodococcus opacus ocorreu em pH próximo a 2,6. / Originating from mining and mineral industry activities, the acid mine drainage (AMD) is an aqueous solution with pH lower than 3 and diversity of dissolved metals, with concentrations about 100 to 300mg.L-1, leads to serious environmental problems, specially on acquatic ecosystems, due to the solubilization of heavy metals. The search for new technologies on the treatment of effluents contaminated with metals is focused on some biological materials capacity of binding metallic ions. Treatment by biosorption is worthwhile when compared with conventional processes because it does not require high investiments, it is faster, metals can be recovered and biosorbent can be regenerated. Rhodococcus opacus is a gram-positive, nonpathogenic bacteria, that is easily obtained. Its hydrophobicity is due to compounds present in its surface. Such characteristics turn these microorganisms into a potential sorption agent. This paper aims to evaluate the Rhodococcus opacus capacity as a biosorbent in AMD treatment by batch experiments. The characteristics of the microorganism surface and the involved interaction mechanisms in the heavy metals sorption by Rhodococcus opacus, was evaluated based in the potential zeta measurements, infrared spectroscopy and electron microscopy scanning analysis. The metals percentage present in the composition of Rhodococcus opacus cells was obtained by loss on ignation technique, and was approximately 1.8%. The equilibrium of biosorptive process in the multi-metallic system was achieved at about 1 minute, uptake 48.2mg.g-1 corresponding to approximately 11.7% of removal. The Rhodococcus opacus IEP occurred at pH around 2.6.

Proveniente das atividades de mineração, a drenagem ácida de minas (DAM) é uma solução aquosa caracterizada por valores de pH menores que 3 e diversidade de metais dissolvidos com concentrações que variam de 100 a 300mg.L-1, representa riscos ambientais, em especial, impactos hídricos, em conseqüência da solubilização e mobilização de metais pesados. A pesquisa por novos processos de tratamento de efluentes contaminados com metais tem focado sua atenção na capacidade que certos materiais biológicos têm de fixar íons metálicos. A biossorção é um processo vantajoso quando comparado aos tratamentos convencionais porque não requer custos de investimento e operação, é um processo rápido e pode ser seletivo, além disso, o metal pode ser recuperado e o biossorvente reutilizado. Rhodococcus opacus é uma bactéria, gram-positiva, não patogênica, de fácil aquisição que apresenta em sua parede celular compostos que lhe conferem hidrofobicidade, características que tornam esta espécie microbiana um potencial agente de sorção. O objetivo deste trabalho é avaliar a capacidade do Rhodococcus opacus como biossorvente destinado ao tratamento da drenagem ácida de minas proveniente da mineração de carvão. As características da superfície do microrganismo e os possíveis mecanismos de interação envolvidos na sorção dos metais pelo Rhodococcus opacus foram avaliados através da medida de potencial zeta, análise de espectroscopia de infravermelho e análise de imagens obtidas no icroscópio eletrônico de varredura (MEV). A porcentagem de metais presentes na composição das células de Rhodococcus opacus foi obtida através do ensaio de erda ao fogo e é de aproximadamente 1,8%. O equilíbrio do processo biossortivo em sistema multimetálico foi atingido em cerca de 1minuto, captando 48,2mg.g-¹ o que correspondo a aproximadamente 11,7% de remoção. O PIE da Rhodococcus opacus ocorreu em pH próximo a 2,6. / Originating from mining and mineral industry activities, the acid mine drainage (AMD) is an aqueous solution with pH lower than 3 and diversity of dissolved metals, with concentrations about 100 to 300mg.L-1, leads to serious environmental problems, specially on acquatic ecosystems, due to the solubilization of heavy metals. The search for new technologies on the treatment of effluents contaminated with metals is focused on some biological materials capacity of binding metallic ions. Treatment by biosorption is worthwhile when compared with conventional processes because it does not require high investiments, it is faster, metals can be recovered and biosorbent can be regenerated. Rhodococcus opacus is a gram-positive, nonpathogenic bacteria, that is easily obtained. Its hydrophobicity is due to compounds present in its surface. Such characteristics turn these microorganisms into a potential sorption agent. This paper aims to evaluate the Rhodococcus opacus capacity as a biosorbent in AMD treatment by batch experiments. The characteristics of the microorganism surface and the involved interaction mechanisms in the heavy metals sorption by Rhodococcus opacus, was evaluated based in the potential zeta measurements, infrared spectroscopy and electron microscopy scanning analysis. The metals percentage present in the composition of Rhodococcus opacus cells was obtained by loss on ignation technique, and was approximately 1.8%. The equilibrium of biosorptive process in the multi-metallic system was achieved at about 1 minute, uptake 48.2mg.g-1 corresponding to approximately 11.7% of removal. The Rhodococcus opacus IEP occurred at pH around 2.6.

[pt] A bioflotação é definida como um processo de separação, através do qual o mineral de interesse é flotado ou deprimido seletivamente, utilizando os reagentes de origem biológica, também conhecidos como bioreagentes. Estas substâncias são caracterizadas por possuírem uma química verde, seletividade e potencial para tratar a partículas finas. Neste sentido, o objetivo principal da pesquisa é a avaliação de um biosurfactante não refinado extraído da bactéria Rhodococcus opacus na flotação de hematita. Na primeira fase, foi desenvolvido um protocolo para a extração dos biosurfactantes intracelulares e aqueles associados a parede celular da bactéria. Mediante extração com etanol a 121 graus celsius e 2 atm, as substâncias anfifílicas foram liberadas e solubilizadas. A recuperação média de biosurfactante não refinado foi de 0,3 g por dm cubico. A caracterização por FTIR identificou grupos álcool (menos OH), cetona (C igual O) e cadeias de carbono saturadas e insaturadas. Que podem compor os mycolatas e trehalolipideos que são encontrados na parede celular da bacteria. Por estudos eletroforéticos encontrou-se umPIE de 7,5 e um PZC em torno de 7,6. Aplicando o modelo Gouy-Chapman e o modelo misto de Gouy Chapman e o capacitor de placas, foi possível estudar o efeito do biosurfactante no comportamento eletrostático das partículas de hematita. Predizendo como elas foram se tornando hidrofóbicas em valores de pH ácido e como sua flotabilidade diminuía em pH básicos, após interação com o biosurfactante. Finalmente, foi testado o biosurfactante e a própria bactéria em ensaios de microflotação de hematita, resultando o primeiro na melhora na flotabilidade de hematita. Os resultados mostraram uma boa afinidade e baixo consumo de reagente. / [en] Bioflotation is defined as a separation process by which the mineral of interest is floated or depressed selectively, using reagents of biologic origin also known as bioreagents. These substances are characterized by their green chemistry, selectivity and potential to treat fine particles. Currently they are been studied with the expectative of substitute the synthetic reagents used in the mineral flotation processes. Between the diverse microorganisms, the hydrophobic bacteria Rhodococcus opacus has been studied as biofrother and biocollector in hematite flotation. In that sense, the research s principal objective is the assessment of the hematite floatability using a crude biosurfactant extracted from the bacteria Rhodococcus opacus and consequently determine its potential as an alternative against synthetic reagents or the bacteria itself. In a first stage, it was developed a protocol for the extraction of cell associated and intracellular biosurfactants from the bacteria. Throughout ethanol extraction at 121 degrees centigrade and 2 atm, the cell associated substances where released and solubilized. The average crude biosurfactant recovery was around 0.3 g per L of broth. Characterization by FTIR identified alcohol (minus OH) and ketone (C equal O) groups as well as saturated and unsaturated carbon chains. Which may compose the mycolates and trehalolopids that are found in the cellular wall of the genera Rhodococci. Electrophoretic studies of the hematite sample, before BS interaction, found an IEP around a pH of 7.5 and a PZC at pH 7.6. Applying the Guoy-Chapman model and the mixed model of Guoy Chapman and the plate capacitor, it was possible to study the effect of the biosurfactant onto the electrostatic behavior of the hematite particles. The model predicted the hydrophobicity of the modified hematite at acid pH. Finally it was tested the crude biosurfactant against the bacteria itself in microflotation tests, resulting the first one in an improved hematite floatability. The results showed a high affinity of the crude biosurfactant for hematite particles and relatively low reagent consumption.

[pt] Neste estudo foi avaliada a capacidade de adsorção do poluente orgânico tolueno em contato com a cepa Rhodococcus opacus. O tolueno foi selecionando por fazer parte do grupo de compostos BTEX (Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xileno), que possui elevada toxicidade, causando impacto ambiental em corpos hídricos, solo e ar, além de possuir características mutagênica e carcinogênica em humanos. A determinação e quantificação do tolueno na solução aquosa foram realizadas em um cromatógrafo a gás, acoplado ao espectrômetro de massas com amostrador automático headspace. A cepa Rhodococcus opacus foi caracterizada por análise de espectrometria no infravermelho e medição de potencial zeta, sendo a última realizada antes e após o contato com o tolueno. Os modelos de isotermas lineares de Langmuir, Freundlich e Temkin foram aplicados aos dados experimentais para descrever o processo de adsorção. Tendo o modelo de Langmuir se adaptado melhor ao processo em análise. As variáveis estudadas para otimizar as condições máximas de adsorção foram: tempo de contato, variação do pH, variação da biomassa. Este estudo mostrou que a cepa bacteriana R. opacus apresentou uma boa capacidade de biossorção, principalmente para concentrações baixas, onde removeu 95,99 porcento e 85,69 porcento das respectivas concentrações de 0,6 e 0,8 mg/L de tolueno, atendendo a resolução do CONAMA 357/2005 para águas salobras de Classe I. / [en] In this study was evaluated the adsorption capacity of the organic pollutant toluene by the Rhodococcus opacus strain. Toluene was chosen by being part of the group of BTEX compounds (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene), which has high toxicity, causing environmental impact on water bodies, soil and air, and also are mutagenic and carcinogenic to humans. The determination and quantification of toluene in aqueous solution were performed on a gas chromatograph, coupled with a mass spectrometer with headspace autosampler. The strain Rhodococcus opacus was characterized by infrared spectrometry analysis and zeta potential measurement, the last done before and after the sorption. The isotherm linear models of Langmuir, Freundlich and Temkin were applied to the experimental data to describe the adsorption process. Having the Langmuir model better adapted to process analysed. The variables studied to optimize the maximum adsorption conditions were: contact time, pH variation, biomass variation. This study showed that the bacterial strain R. opacus has good biosorption capabilities, particularly at low concentrations, where it removed 95.99 percent and 85.69 percent of the respective concentrations of 0.6 and 0.8 mg/L of toluene, attending the CONAMA resolution 357/2005 for salt waters of Class I.

[pt] Neste trabalho foi avaliado o potencial do microorganismo R. opacus como biossorvente para a remoção de Pb(II), Cr (III) e Cu(II) de soluções aquosas pelo processo de biossorção/bioflotação, através de ensaios experimentais em batelada. Os parâmetros operacionais investigados na etapa de biossorção foram: o pH da solução, a concentração de biomassa, o tempo de contato e a concentração inicial do metal. Na separação da biomassa carregada mediante a bioflotação por ar disperso se avaliou o tempo de flotação, e as características da espuma. As características da superfície do micro-organismo e os possíveis mecanismos de interação envolvidos na sorção dos metais tóxicos por R. opacus, foram avaliadas com base em medições de potencial zeta, análise por espectrometria no infravermelho e análise de micrografias obtidas no microscópio eletrônico de varredura (MEV). O valor inicial do pH da solução afetou a sorção dos metais, os valores de pH adequados na etapa de sorção e na flotação foram de 5,0 para o Pb(II) e pH igual a 6,0 para o Cr(III) e Cu(II). Os ensaios da cinética de biossorção mostraram que o processo é rápido e em 60 minutos de contato entre a biomassa e a solução de metal foi atingida a máxima captação das espécies metálicas em estudo. Os dados correspondentes à capacidade de captação do R. opacus em função da concentração dos íons metálicos foram bem ajustados ao modelo da isoterma de Langmuir para as três espécies em estudo, onde as capacidades máximas de captação obtidas foram: 94,3; 72,9 e 32,2 mg.g-1 para Pb(II), Cr(III) e Cu(II), respectivamente. A cinética da sorção para o Pb(II), Cr(III) e Cu(II) foram modeladas usando a equação de pseudo segunda ordem. A ordem de afinidade do R. opacus obtida em sistemas individuais foi estabelecida como: Pb(II) >Cr(III)>Cu(II). Essa diferença na afinidade do R. opacus pode ser atribuída às propriedades físico-químicas destes metais, dentre elas peso atômico, raio iônico e eletronegatividade. A capacidade de captação dos íons Pb (II) pela biomassa foi reduzida pela presença de outras espécies metálicas no sistema, apresentando o Cr(III) maior afinidade pelos sítios da biomassa do que os outros íons. Na bioflotação, verificou-se que o micro-organismo apresenta resultados muito promissores como coletor e espumante, obtendo-se percentagens de remoção de Pb(II), Cr(III) e Cu(II) de 94%, 54% e 43% , respectivamente, partindo de uma concentração de 20 mg.l-1. Os resultados apresentados mostram que R. opacus apresenta características adequadas no que tange a biossorção e bioflotação para a remoção de metais pesados. / [en] This work evaluated the potential of the Rhodococcus opacus strain as a biosorbent for the removal of Pb(II), Cr(III) and Cu(II) from aqueous solutions by Biosorption/bioflotation process, through experimental batch tests. The operational parameters investigated in the biosorption´s stage were: pH of the solution, biomass concentration, contact time and initial metal concentration. In the separation of the loaded biomass by bioflotation process for dispersed air were evaluated the flotation time and the foam characteristics. The characteristics of the microorganism surface and the involved interaction mechanisms in the heavy metals sorption by R. opacus, were evaluated based in the potential zeta measurements, infrared spectroscopy and electron microscopy scanning analysis. The solution initial pH value affected metals sorption, the adjusted pH values in the sorption and the flotation stage were 5.0 for the Pb(II) and pH value of 6.0 for the Cr(III) and Cu(II). The experiments of biosorption kinetics showed that the process is relatively fast and in sixty minutes of contact between the biomass and the metal solution were reached the maximum metal uptake capacities. The data pertaining to the uptake capacity of the R. opacus in function of the metal ion concentration fitted to the Langmuir isotherm model for the tree species in study, where the maximum uptake capacities obtained were: 94.3; 72.9 and 32.2 mg.g-1 for Pb (II), Cr(III) and Cu(II), respectively. The kinetics of sorption of Pb(II), Cr(III) and Cu(II) were modeled using a pseudo second order rate equation. The affinity order of R. opacus for the three metals under study has been established as: Pb(II)>Cr(III)>Cu(II). The selectivity of the biomass for the Pb(II) over the other two metals was well exhibited by the results obtained in the biosorption and bioflotation. This difference in the affinity of the R. opacus can be attributed to the physiochemical properties of these metals, amongst them atomic weight, ionic radio and electronegativity. The uptake capacity of ions Pb(II) for the biomass was reduced by the presence of other metallic species in the system, and the results showed that the Cr(III) has greater affinity for the biomass than the others ions. In the bioflotation, it was found that the microorganism presents excellent characteristics as collector and foaming agent, reaching 94%, 54% and 43% removal of lead, chromium and copper, respectively, to 20 mg.l-1 of concentration. The results of this study showed that R. opacus has important features for the heavy metal removal; moreover, the results also showed that R. opacus is especially effective biosorbent for the removal of Pb(II).