Microbial interactions in the transformation of long-chain fatty acids in anaerobic reactors

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Main Author: Duarte, Maria Salomé Lira
Publication Date: 2018
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/59062
Summary: Tese de Doutoramento em Bioengenharia
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spelling Microbial interactions in the transformation of long-chain fatty acids in anaerobic reactorsInterações microbianas na transformação de ácidos gordos de cadeia longa em reatoresEngenharia e Tecnologia::Biotecnologia AmbientalTese de Doutoramento em BioengenhariaConversion of long-chain fatty acids (LCFA) to methane in continuous bioreactors is not fully understood, in particular for unsaturated LCFA. For example, palmitate (C16:0, saturated LCFA) often accumulates during oleate (C18:1, unsaturated LCFA) biodegradation in anaerobic bioreactors, and the reason why this happens and which microorganisms catalyze this reaction remained unknown. Facultative anaerobic bacteria are frequently found in reactors operated at high loads of LCFA, but their function is also unclear. In this thesis, oleate degradation in continuous bioreactors was studied to get further insights on the microbial interactions occurring in the transformation of LCFA. For that propose we compared bioreactors treating oleate-based wastewater (organic loading rates of 1 and 3 kg COD m-3 d-1), operated under different redox conditions (strictly anaerobic-AnR, -350 mV; microaerophilic-MaR, - 250 mV) (Chapter 3). For the higher load tested, palmitate accumulated 7 times more in the MaR, where facultative anaerobes were more abundant, and only the biomass from this reactor could recover the methanogenic activity, after a transient inhibition. In other experiment, two bioreactors were operated separately and the abundance of facultative anaerobic bacteria, namely Pseudomonas spp. (from which two strains were isolated), was strongly correlated (p<0.05) with palmitate-to-total LCFA percentage in the biofilm formed in a continuous plug flow reactor fed with very high loads of oleate (Chapter 4). The Pseudomonas isolates were further tested in batch and continuous reactors together with a syntrophic LCFA-degrading co-culture of Syntrophomonas zehnderi and Methanobacterium formicicum (Chapter 5). The results obtained show that facultative bacteria play an important role in anaerobic reactors treating oleate-based wastewaters, protecting the strict anaerobes from oxygen toxicity and decreasing the oleate toxicity towards the methanogens helping to improve oleate degradation. An additional study was performed to get insight into the production of biosurfactants and biopolymers by the Pseudomonas isolates and the anaerobic granular sludge during oleate degradation in continuous bioreactors (Chapter 6). The results indicate that possibly glycolipids and hydroxyalkanoates may have been produced, however it was not possible to identify these compounds. In conclusion, this thesis showed that the oxidation-reduction potential (ORP) and therefore the presence of facultative bacteria, regulate oleate to palmitate conversion, decreasing the LCFA toxicity toward methanogens, ultimately accelerating the methane production from lipid-rich wastewaters.A conversão de ácidos gordos de cadeia longa (AGCL) a metano em reatores operados em contínuo, não é totalmente compreendida, em particular para AGCL insaturados. A acumulação de palmitato (C16:0, AGCL saturado) ocorre frequentemente durante a biodegradação de oleato (C18:1, AGCL insaturado) em reatores em contínuo, no entanto a razão pela qual isso acontece e quais os microrganismos que catalisam essa reação continuam desconhecidos. Bactérias anaeróbias facultativas são frequentemente encontradas nesses reatores operados com elevadas cargas de AGCL, no entanto a sua função também não é clara. Neste trabalho comparámos bioreatores que trataram um efluente rico em oleato (cargas orgânicas de 1 e 3 kg COD m-3 d-1), operados em diferentes condições de redox (estritamente anaeróbio – AnR, -350 mV; microaerofílico – MaR, -250 mV) (Capítulo 3). Para a carga mais elevada, a acumulação de palmitato foi 7 vezes mais elevada no reator MaR, no qual os microrganismos anaeróbios facultativos eram mais abundantes e apenas a biomassa desse reator conseguiu recuperar a atividade metanogénica depois de uma inibição transiente. Noutra experiência, dois reatores foram operados separadamente e a abundância de bactérias anaeróbias facultativas, nomeadamente de Pseudomonas spp (do qual duas estirpes foram isoladas), esteve fortemente relacionada com a percentagem de palmitato em relação ao total de AGCL presente no biofilme, o qual se formou num reator pistão alimentado com elevadas cargas de oleato (Capítulo 4). As Pseudomonas isoladas foram testadas em reatores batch e contínuos, juntamente com a co-cultura sintrófica composto por Methanobacterium formicicum e Syntrophomonas zehnderi (Capítulo 5). Os resultados obtidos mostram que as bactérias facultativas têm um papel importante nos reatores anaeróbios que tratam efluentes ricos em oleato, uma vez que protegem os microrganismos estritamente anaeróbios da toxicidade do oxigénio e diminuem também o efeito tóxico do oleato nos microrganismos metanogénicos, melhorando assim a degradação de oleato. Foi realizado ainda um estudo adicional de forma a se obter mais informação sobre a produção de biosurfactantes e biopolímeros pelos isolados de Pseudomonas e por biomassa granular anaeróbia durante a degradação de oleato em bioreatores operados em contínuo (Capítulo 6). Os resultados indicam que possivelmente glicolípidos e hidroxialcanoatos podem estar a ser produzidos, no entanto não foi possível identificar estes compostos. Em suma, esta tese mostrou que o potencial redox e consequentemente a presença da bactérias facultativas, regulam a conversão do oleato a palmitato, diminuindo a toxidade dos AGCL para os microrganismos metanogénicos, e por fim acelerando a produção de metano a partir de águas residuais ricas em lípidos.This PhD was supported by the European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Programme (FP/2007-2013)/ERC Grant Agreement No 323009. Additionally, this study was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under the scope of the strategic funding of UID/BIO/04469 unit and COMPETE 2020 (POCI-01-0145-FEDER-006684) and BioTecNorte operation (NORTE-01-0145-FEDER-000004) funded by the European Regional Development Fund under the scope of Norte2020 - Programa Operacional Regional do Norte.Alves, M. M.Pereira, M. A.Stams, Alfons Johannes MariaUniversidade do MinhoDuarte, Maria Salomé Lira2018-11-232018-11-23T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/59062eng101495862info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T07:39:14Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/59062Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T16:34:45.338704Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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