Evaluation of Microcystis aeruginosa inactivation and Microcystin-LR degradation by photo-Fenton process

Cyanobacterial blooms have become a global concern, pointing out the need to develop new treatment technologies capable of inactivating the cells and degrade the cyanobacteria toxins. Advanced Oxidation Processes (AOP), such as photo-Fenton, have shown to be an attractive option in cyanotoxin degradation (as microcystins) although its potential to inactivate cyanobacteria has not been studied. In this context, this work aimed to evaluate the inactivation of Microcystis aeruginosa species and microcystin-LR (MC-LR) reduction. The process was conducted in a photochemical reactor with artificial radiation promoted by mercury lamp. Initially, the microalgae Desmodesmus subspicatus was adopted as an experimental model to evaluate the isolated effects of the variables involved in photo-Fenton, for further evaluation with the combined process. After this step, different combined conditions of Fe2+ and H2O2 were studied in M. aeruginosa cells. In both cases, the effects were evaluated by directly cell concentration reduction during the process and growth inhibition. The MC-LR analysis were conducted in a high performance liquid chromatography system with PDA detector. Cell viability assays showed significant effects of Fe2 + (10 and 15 mg.L-1) and H2O2 (50 mg.L-1), combined with radiation, in the cell D. subspicatus, while the process mediated by ferrioxalate complex was able to induce 100% inhibition of growth in just 30 minutes of reaction. In the process applied in M. aeruginosa cells, cellular concentration reductions of 40% (0.6 mg.L-1 of Fe2+ and 10 mg.L-1 of H2O2), 50% (5 mg.L-1 of Fe2+ and 50 mg.L-1 of H2O2) and 47% (20 mg.L-1 of Fe2+ and 100 mg.L-1 of H2O2) were observed, while cell viability assays showed the absence of growth after 45 minutes of reaction at all conditions. Additionally, when evaluated the conditions of 5 mg.L-1 of Fe2+ and 50 mg.L-1 of H2O2 20 mg.L-1 of Fe2+ and 100 mg.L-1 of H2O2, significant reductions in the MC-LR concentration of were observed, which are below the limit set by WHO.CNPq; CAPESEpisódios de floração de cianobactérias produtoras de toxinas têm se tornado uma preocupação mundial, apontando a necessidade do desenvolvimento de novas tecnologias de tratamento (capazes de inativar as células e degradar suas toxinas). Neste sentido, os Processos Avançados de Oxidação (AOPs), tais como o processo foto-Fenton, têm se mostrado uma opção atrativa na degradação de cianotoxinas como as microcistinas, no entanto, o seu potencial de inativação de cianobactérias ainda não foi explorado. Neste contexto, o presente estudo teve por objetivo avaliar a inativação da espécie Microcystis aeruginosa e redução da concentração de microcistina-LR (toxina produzida pelas cianobactérias) por meio do processo foto-Fenton, o qual foi conduzido em reator fotoquímico de bancada, com radiação artificial promovida por lâmpada de alta pressão de mercúrio. Inicialmente, a microalga Desmodesmus subspicatus foi adotada como modelo experimental para avaliação do processo foto-Fenton mediado pelo complexo Fe-oxalato, sendo testadas os efeitos isolados das variáveis envolvidas no processo (ferro e peróxido de hidrogênio) para posterior avaliação do processo combinado. Em um segundo momento, diferentes condições (no que tange às concentrações de Fe2+ e H2O2) do processo foto-Fenton foram estudadas nas células de M. aeruginosa. Neste segundo momento, o processo foi aplicado sem mediação por complexos ferro-orgânicos. Em ambos os casos, os efeitos foram avaliados através da redução da concentração celular imediata ao processo (em microscópio óptico e de epifluorescência) e por inibição do crescimento. As análises de MC-LR foram realizadas em um sistema de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência com detector DAD. Os ensaios de viabilidade celular apontaram efeitos significativos de Fe2+ (10 e 15 mg.L-1) e de H2O2 (50 mg.L-1), combinados à radiação, nas células de D. subspicatus, ao passo que o processo foto-Fenton mediado por complexo ferroxalato foi capaz de provocar 100% de inibição do crescimento em apenas 30 minutos de reação. No processo aplicado às células de M. aeruginosa em diferentes condições, foram constatadas reduções médias na concentração celular de 40% (0,6 mg.L-1 de Fe2+ + 10 mg.L-1 de H2O2), 50% (5 mg.L-1 de Fe2+ + 50 mg.L-1 de H2O2) e 47% (20 mg.L-1 de Fe2+ + 100 mg.L-1 de H2O2), ao passo que os ensaios de viabilidade celular apontaram inviabilização do crescimento após 45 minutos de reação em todas as condições testadas. Adicionalmente, quando avaliadas as condições de 5 mg.L-1 de Fe2+ + 50 mg.L-1 de H2O2 e 20 mg.L-1 de Fe2+ + 100 mg.L-1 de H2O2, reduções expressivas na concentração de MC-LR foram observadas, sendo estas abaixo do limite estabelecido pela OMS