Degradation studies of widely used pharmaceutical compounds by heterogeneous photocatalysis and bacterial communities and isolates

The present thesis was focused on degradation studies of five extensively and globally used pharmaceutical compounds: chloramphenicol, paracetamol, fluoxetine and 17α-ethynilestradiol which are considered emerging pollutants that enter in the environment due to its inefficient removal by the conventional wastewater treatments plants. Photodegradation and biodegradation assays were realized. The photodegradation of chloramphenicol and paracetamol was successfully performed by heterogeneous photocatalysis using PbS/TiO2 nanocomposites, as catalysts, which were synthesized using biological sulphide produced by sulphate reducing bacteria in batch cultures. Although photodegradation demonstrated to be a faster process, biodegradation is preferable since it occurs without the use of external compounds, such as catalysts, using only the microorganisms already present in the environment. Communities and bacterial isolates with ability to remove and use these drugs as unique carbon sources were obtained using sludge collected from an oxidation ditch and a lagoon system of WWTPs. An initial aerobic bacterial community suffered a shift to favor the genera Pseudomonas sp; Flavobacterium, Dokdonella and Methylophilus which displayed high efficiency in removing 50 mg/L paracetamol as sole carbon source and are described for the first time as paracetamol degraders. Bacteria capable of effectively biodegrade paracetamol were isolated in aerobic conditions, suggesting for the first time that members of “Bacillus cereus group”, [Brevibacterium] frigoritolerans, Corynebacterium nuruki and Enterococcus faecium can use paracetamol as carbon source, whereas the isolates obtained for fluoxetine and 17α-ethynilestradiol only partially removed these drugs. An anaerobic consortium which was able to degrade 20 mg/L of FLX, as unique carbon source, to values below the limit of detection was obtained. The final consortium was mainly composed by genera vadinBC27 wastewater-sludge group, Macellibacteroidetes, Dethiosulfovibrio, Bacteroides, Tolumonas, Sulfuricurvum, f_Enterobacteriaceae_OTU_18, which are for the first time assumed as FLX biodegraders. In the biodegradation of 20 mg/L FLX, a possible metabolite, 2,3-dimethyl-5-(trifluoromethyl) benzene-1,4-diol, was detected after 28 of assay. Several attempts to optimize an aerobic granular system were performed to degrade ibuprofen. This process is still ongoing.A presente tese foca-se em estudos de degradação de 5 fármacos considerados poluentes emergentes, são estes: cloranfenicol, paracetamol, fluoxetina, 17α-etinilestradiol e ibuprofeno. Estes são considerados potenciais ameaças aos ecossistemas ambientais, à saúde e à segurança humana, especialmente devido ao seu uso extensivo a nível mundial. Os tratamentos de águas residuais convencionais têm-se mostrado ineficientes na remoção total destes fármacos resultando na sua libertação para o ambiente. Atualmente, uma das maiores preocupações é a contaminação incessante dos ambientes aquáticos com estes poluentes e os problemas ecológicos inerentes. Com o objetivo de conhecer, desenvolver ou melhorar os processos já existentes, foram realizados estudos de fotodegradação e biodegradação visando encontrar novas alternativas que sejam baratas e simples e que permitam uma completa remoção destes fármacos nas estações de tratamento de águas residuais (ETARs). Nos estudos de fotodegradação foram sintetizados com sucesso nanocompósitos de PbS/TiO2 (fotocatalisador heterogéneo) utilizando sulfureto produzido biologicamente pelas bactérias sulfato redutoras (BSR) em batch. A importância deste processo está no aproveitamento de resíduos tóxicos, como o sulfureto e iões chumbo em solução aquosa, para formulação de um catalisador eficiente na remoção destes poluentes (fármacos). Estes nanocompósitos, foram empregues com êxito como catalisadores na remoção de cloranfenicol e paracetamol, revelando uma elevada eficiência de remoção (>93%), após 240 minutos de irradiação. Nos ensaios de biodegradação obtiveram-se comunidades e isolados bacterianos com capacidade de utilizar os fármacos em estudo, como única fonte de carbono e que são descritos pela primeira vez como tendo um papel muito importante na remoção destes poluentes. Identificou-se uma comunidade bacteriana aeróbia que apresentou elevada eficácia na remoção de paracetamol como única fonte de carbono (97 ± 3%). Ao longo do ensaio verificou-se um “shift” na população inicial levando a um favorecimento dos géneros Pseudomonas sp; Flavobacterium, Dokdonella e Methylophilus, revelando pela primeira vez o seu possível envolvimento na degradação do paracetamol. Os metabolitos identificados nesse processo foram 4-aminofenol, hidroquinona e um composto desconhecido. Isolaram-se bactérias com capacidade de biodegradar paracetamol utilizando como inóculo as lamas recolhidas numa vala de oxidação, sugerindo pela primeira vez que membros de “Bacillus cereus group” (associados Bacillus pacificus ou Bacillus paranthracis), [Brevibacterium] frigoritolerans, Corynebacterium nuruki e Enterococcus faecium têm a capacidade de usar este fármaco como única fonte de carbono. Uma espécie pertencente ao “Bacillus cereus group” degradou 200 mg/L de paracetamol, abaixo dos níveis de deteção, sem formação aparente de metabolitos secundários tóxicos e removeu cerca de 95 ± 5% de 500 mg/L do fármaco, após 144 h de incubação a 28 ºC. Durante o processo de degradação do paracetamol foram detetados os metabolitos 4-aminofenol, hidroquinona e ácido 2-hexenóico. Realizaram-se estudos de biodegradação com uma comunidade bacteriana enriquecida a partir de uma amostra de lama recolhida num sistema de lagunagem em que foram favorecidas as BSR. As culturas foram efectuadas na presença de fluoxetina e lactato e usando o fármaco como única fonte de carbono, em condições redutoras e anaerobiose. O consórcio obtido revelou ter capacidade de degradar 20 mg/L e 50 mg/L de fluoxetina para valores abaixo do limite de deteção, após 28 e 31 dias, respetivamente. Utilizando fluoxetina como única fonte de carbono, verificou-se que o consórcio removeu 20 mg/L de fluoxetina abaixo dos limites de deteção e 66 ± 9% de 50 mg/L do fármaco, após 31 dias. Norfluoxetina foi identificada na degradação de 50 mg/L fluoxetina, enquanto na biodegradação de 20 mg/L de fluoxetina, foi detetado outro possível metabolito, o 2,3-dimetil-5-(trifluorometil)benzeno-1,4-diol, após 28 dias de ensaio. A população bacteriana inicial era constituída principalmente por Desulfomicrobium e Desulfovibrio, enquanto que no decurso das experiências usando fluoxetina como única fonte de carbono, verificou-se a ocorrência de um claro “shift” na comunidade com o aumento do grupo Wastewater-sludge group vadinBC27, Macellibacteroidetes, Dethiosulfovibrio, Bacteroides, Tolumonas, Sulfuricurvum, f_Enterobacteriaceae, bactérias identificadas pela primeira vez como possíveis degradadoras de fluoxetina. Em aerobiose, foram preparadas culturas inoculando o efluente bruto com a lama, simulando as condições da ETAR. Neste ensaio a remoção de fluoxetina foi de aproximadamente 89%, aparentemente com uma contribuição mínima de adsorção à lama. Durante este ensaio, a população inicial sofreu um “shift" com o aumento de estirpes dos géneros Aeromonadales_OTU_14, Acinetobacter, Rheinheimera, Shewanella, Pseudomonas, f_Pseudomonadaceae_OTU_4914; OTU_24; f_JI49D030_OTU_6171, Methylobacillus e Piscinobacter, sendo apontados pela primeira vez como os prováveis responsáveis pela biodegradação da fluoxetina. Da lama onde se obteve a comunidade anterior foram selecionados seis isolados com capacidade de utilizar fluoxetina como única fonte de carbono que foram identificados como Pseudomonas putida, Enterobacter ludwigii, Pseudomonas nitritireducens, Alcaligenes faecalis, Pseudomonas aeruginosa e Pseudomonas nitroreducens. Pseudomonas nitroreducens foi a mais eficiente, com remoções de 55 ± 1% e 21 ± 1% a 20 mg/L e 50 mg/L de fluoxetina, respetivamente, após 168 h. Os isolados obtidos não apresentaram elevadas percentagens de remoção deste fármaco, contudo estas foram significativas quando comparadas com o controle negativo. Embora o principal mecanismo de remoção de fluoxetina descrito na literatura seja por adsorção, neste estudo a biodegradação parece desempenhar o papel principal na degradação do fármaco. Das lamas ativadas foram obtidos isolados bacterianos com capacidade de crescimento na presença de 50 mg/L de 17α-etinilestradiol a partir de uma lama recolhida na vala de oxidação da ETAR Noroeste de Faro, sendo estes identificadas como Acinetobacter bouvetii, Acinetobacter kookii, Pantoea agglomerans e Shinella zoogloeoides. Os resultados revelaram que Acinetobacter bouvetii, Acinetobacter kookii, Pantoea agglomerans e Shinella zoogloeoides, degradaram 47 ± 4%, 55 ± 3%, 64 ± 4% e 35 ± 4%, respetivamente de 13 mg/L 17α-etinilestradiol, após 168 h a 28 ºC. A degradação de 17α-etinilestradiol por estes isolados resultou em vários intermediários/vias possíveis que são mais facilmente degradados e menos tóxicos do que o composto original. Os compostos detetados foram: ácido manónico 1,4-lactona pertencente às estruturas “gama lactona”, ácido 4-hidroxi-2-quinolinacarboxílico, ácido 2,3-di-hidroxibenzóico, ácido D-glucónico e ácido Z-aconítico, ácido 2-pentenodióico (ácido insaturado) e o ácido 2-butenodióico após possível meta-clivagem do anel A. O ácido 2-butenodióico (ácido fumárico), é um ácido dicarboxílico e um metabolito intermediário no ciclo dos ácidos tricarboxílicos/ciclo de Krebs. Em relação ao sistema granular realizaram-se diferentes abordagens a nível experimental visando optimizar o sistema e a degradação do ibuprofeno. Este processo ainda está em curso