Valorisation of hydrocarbon-rich wastewaters for production of bacterial lipids

Dissertação de mestrado em BiotecnologiaOver the past decade, as a consequence of economic and population growth, the demand for petroleumderived products has increased significantly. Crude oil increasing prices and the awareness of the shortage of its supply and of the environmental consequences of petroleum hydrocarbons pollution have triggered the search for new oil sources. An attractive alternative are oleaginous microorganisms as feedstock for biofuels and other oleochemicals production. Besides the role on petroleum hydrocarbons bioremediation, some hydrocarbonoclastic bacteria are able to accumulate neutral lipids such as triacylglycerols (TAGs) and wax esters (WEs). The main objective of this thesis is to explore a new approach for the management of petroleum-based wastewaters, by directing the conversion of waste hydrocarbons toward the production of valuable storage lipids. In the first experiment, Rhodococcus opacus B4 ability to accumulate TAGs from hexadecane under 2 atm pressure in a batch mode was proven by thin-layer chromatography (TLC) analysis. TAGs biosynthesis started in exponential growth phase and increased when a high carbon to nitrogen (C/N) ratio of 300 was imposed. The application of oxygen concentrations below the usual present in the air (10.50 and 5.21 %) was not a successful strategy to improve neutral lipids accumulation. In the second experiment, neutral lipids accumulation was optimized in an airlift reactor operated during ten cycles as in a sequential batch mode. A real lubricant-based wastewater (LW) was used as sole carbon source under an intermittent feeding. The operation under a dissolved oxygen (DO) supply at 3.0-4.0 mg L-1, provide suitable conditions for TAGs production. However, the culture biomass presented poor TAGs content. The application of this DO concentration only during the feast phase did not promote neutral lipids accumulation. After the biological treatment was achieved a chemical oxygen demand (COD) and total petroleum hydrocarbons (TPHs) removal efficiency of 80.8-98.6 % and 27.0-62.2 %, respectively. The culture was enriched in hydrocarbonoclastic species able to degrade a complex hydrocarbons mixture from LW using them as feedstock for TAGs production and biomass growth. The strategy used in this study shows the potential of a process combining neutral lipids production and oily wastewater treatment.Na última década, em consequência do crescimento da população mundial e do desenvolvimento económico, a procura por produtos derivados do petróleo aumentou significativamente. O preço elevado dos combustíveis fósseis e a consciencialização da escassez das reservas de petróleo e das consequências ambientais da poluição por hidrocarbonetos desencadeou a procura de fontes alternativas. Uma possibilidade promissora é a produção de biocombustíveis e oleoquimicos a partir de microrganismos oleaginosos. Além do seu papel na biorremediação dos hidrocarbonetos, algumas bactérias hidrocarbonoclásticas são capazes de acumular lípidos neutros, tais como triacilgliceróis (TAGs) e ésteres de cera (WEs). O principal objetivo desta tese é explorar uma abordagem inovadora para o tratamento de águas residuais contaminadas com hidrocarbonetos, direcionamento a conversão de hidrocarbonetos para a produção de lípidos de reserva de valor acrescentado. Na primeira experiência, a capacidade de Rhodococcus opacus B4 em acumular TAGs a partir de hexadecano a uma pressão de 2 atm em modo batch foi comprovada por cromatografia em camada fina. A biossíntese de TAGs iniciou-se na fase exponencial e aumentou quando foi aplicada uma razão carbono azoto de 300. No entanto, a presença de concentrações de oxigénio (10,5 e 5,21 %) inferiores à normalmente presente na atmosfera não foi uma estratégia bem-sucedida no aumento da acumulação de lípidos neutros. Na segunda experiência, a acumulação de lípidos neutros foi otimizada num reator airlift operado durante dez ciclos como um reator sequencial fechado. Neste estudo, uma água residual real contendo lubrificantes e óleo de motor (LW) foi adicionada, de forma intermitente, como fonte de carbono. A operação a uma concentração de oxigénio de 3,0-4,0 mg L.-1 forneceu condições adequadas para a produção de TAGs, tendo, no entanto, sido acumulados em baixa quantidade. A imposição desta concentração de oxigénio apenas durante a fase feast não promoveu a acumulação de lípidos neutros. A qualidade do efluente após o tratamento biológico foi avaliada, tendo sido alcançada uma eficiência de remoção de hidrocarbonetos totais entre 80.8-98.6 %, e de carência química de oxigénio entre 27,0— 62,2 %, respetivamente. Deste modo, foi possível concluir que a cultura microbiana era composta por espécies hidrocarbonoclásticas capazes de degradar os hidrocarbonetos presentes na LW, direcionandoos para a produção de TAGs e crescimento em biomassa. A abordagem implementada neste estudo demonstra o potencial de um projeto que combina a produção de lípidos neutros e o tratamento de uma água residual contaminada com hidrocarbonetos.This study was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) and the European Regional Development Fund (ERDF) under the scope of project SaltOil+ (POCI-01-0145- FEDER-030180), the strategic funding of UID/BIO/04469 and BioTecNorte operation (NORTE-01-0145- FEDER-000004) funded by the European Regional Development Fund under the scope of Norte2020 - Programa Operacional Regional do Nort