Utilize este identificador para referenciar este registo:
https://hdl.handle.net/1822/10876
Título: | Influence of humic substances on biofilm structure and its microbial diversity in natural waters |
Autor(es): | Rodrigues, A. L. |
Orientador(es): | Nogueira, R. Brito, António José Guerreiro |
Data: | 5-Jul-2010 |
Resumo(s): | Natural organic matter (NOM) is ubiquitous in terrestrial and aquatic ecosystems; it comprises an
important source of carbon for river biofilms which are major sites of carbon cycling in streams.
NOM may be classified in two main categories: non-humic and humic substances (HSs). About 75 %
of the dissolved organic carbon (DOC) in rivers results from HSs. The presence of HSs in water
treatment plants is undesirable because they increase coagulant and disinfectant demands, and in
the presence of chlorine may provoke the formation of dangerous disinfection by-products such as
the carcinogenic trihalomethanes (THM). A good knowledge of HSs involvement on biofilm growth
can contribute to the development of a biological alternative of HSs removal from rivers.
The first step of this work consisted on characterization of HSs and comparison of two methods,
combustion-infrared method and UV spectroscopy method, commonly used to HSs quantification in
aqueous solution. In this study were evaluated the effect of divalent cations (calcium and
magnesium) concentrations, pH and, sample filtration on HSs quantification from simulated river
water. A commercial humic acid (HA) was used to simulate HSs. The experimental results
demonstrate that unfiltered samples presented considerably higher total organic carbon (TOC)
values than filtered ones, independently of the method used. Based on these results, it can be
suggested that a considerable amount of HAs was present as colloids with an average diameter
higher than 0.45 μm. TOC values of unfiltered samples obtained by both methods were considerably
different for all pH values and cation concentrations tested. TOC values obtained by the combustioninfrared
method were closer to the concentration of the HAs suspension which was prepared by
weighting a defined amount of HAs. The combustion-infrared method gave the most accurate value
although the precision was lower than the one obtained in the UV spectroscopy method. In this
regard, the combustion-infrared method is recommended for HSs quantifications in surface water
where pH values and divalent cation concentration may vary considerably.
Since biofilms are major sites of carbon transformations in rivers, biofilm formation on HSs was
studied using simulated river water and model biofilm flowcells to obtain controlled hydrodynamic
conditions. Biofilm formation in the presence HSs as a carbon source under a flow velocity of 0.04
m/s was evaluated. Two biofilm flowcells were operated in parallel; one with synthetic stream water,
displaying a background carbon concentration of 1.3 ± 0.8 mg/L, the other with added HSs and an overall carbon concentration of 9.7 ± 1.0 mg/L. From the biofilms’ results of culturable and total
countable cells, it can be concluded that the presence of HSs did not significantly enhance the
biofilm density. However, the biofilm formed in the presence of HSs presented slightly higher values
of volatile suspended solids (VSS) and protein. One possible explanation for this result is that HSs
adsorbed to the polymeric matrix of biofilm and were included in the quantification of VSS and
protein. The bacterial community of biofilms formed with and without HSs was different. In the
biofilm with HSs were identified bacteria belonging to beta-Proteobacteria (represented by
Cupriavidus metallidurans and several species of the genus Ralstonia) and gamma-Proteobacteria
(represented by Escherichia coli). In the biofilm formed without HSs were identified bacteria of
groups beta-Proteobacteria (represented by Variovorax paradoxus) and Bacteroidetes.
Flow velocity, concentration and nature of carbon source are of great importance on the biofilm
development. Thus, in the last work it was investigated the response of biofilms formed with and
without HSs to an increase in flow velocity (0.04 to 0.10 m/s) and HSs concentration (9.7 ± 1.0 to
19.8 ± 0.4 mg/L). The highest biofilm density, according to VSS and total countable cells, was
detected at 0.10 m/s without HSs. In this regard, organic carbon present in distilled water and in
HSs may have not the same bioavailability. HSs concentration had no significant effects on biofilm
cell density under different flow velocities. However, HSs presence influenced the biofilm bacteria
composition. Sequences retrieved from biofilms formed in the presence of HSs were related
(similarities ≥ 97 %) to Dokdonella genus which belongs to gamma-Proteobacteria and to
Comamonas, Cupriavidus and Ralstonia genera which belong to beta-Proteobacteria. Sequences
retrieved from the biofilm without HSs were related (similarities ≥ 97 %) to Sphingomonas and
Nitrosospira genera that belong to alpha-Proteobacteria and beta-Proteobacteria, respectively.
In conclusion, based on this work an increased understanding was gained of HSs effects on biofilm
formation under different hydrodynamic conditions, however additional studies are needed to
quantify HSs biodegradability in biofilms. A material orgânica natural (MON) é ubíqua em ecossistemas terrestres e aquáticos e constitui uma fonte de carbono importante para os biofilmes, presentes nos rios, que são os principais responsáveis pelo ciclo do carbono. A MON pode ser classificada em duas categorias principais: substâncias não húmicas e substâncias húmicas (SHs). Nas águas superficiais aproximadamente 75 % do carbono orgânico dissolvido (COD) resulta das SHs. A presença de SHs nas estações de tratamento de água é indesejável porque aumenta a necessidade de adição de coagulantes e desinfectantes e na presença de cloro pode conduzir à formação de subprodutos de desinfecção, nomeadamente, trihalometanos (THM) que são compostos carcinogénicos. Um bom conhecimento da contribuição das SHs no crescimento dos biofilmes pode conduzir ao desenvolvimento de uma alternativa biológica para a remoção das SHs das águas superficiais. O primeiro passo deste trabalho consistiu na caracterização das SHs e comparação de dois métodos, método combustão e detecção de infravermelhos e método espectrofotométrico, frequentemente utilizados na quantificação de SHs em solução aquosa. Neste estudo foram avaliados os efeitos da concentração dos iões divalentes (cálcio e magnésio), pH e filtração da amostra na quantificação das SHs de água de rio sintética. Foi utilizado ácido húmico (AH) comercial para simular SHs. Os resultados experimentais demonstraram que as amostras não filtradas apresentaram valores de carbono orgânico total (COT) consideravelmente superiores aos valores das amostras filtradas, independentemente do método utilizado. Com base nestes resultados, pode sugerir-se que uma quantidade considerável de AHs estava presente em forma de colóides com um diâmetro, em média, superior a 0.45 μm. Os valores de COT das amostras não filtradas obtidos pelo método de combustão e detecção de infravermelhos estavam mais próximos da concentração dos AHs que foi preparada com a pesagem de uma quantidade definida de AH. O método de combustão e detecção de infravermelhos apresentou o valor mais exacto apesar da precisão ter sido inferior ao valor obtido pelo método espectrofotométrico (UV). Neste sentido, o método de combustão e detecção de infravermelhos é recomendado para a quantificação de SHs em águas superficiais cujos valores de pH e concentração de catiões divalentes podem variar consideravelmente. Uma vez que os biofilmes são os principais locais de transformação de carbono nos rios, foi estudada a formação de biofilme na presença de SHs utilizando-se água de rio sintética e células de fluxo modelo de modo a obter condições hidrodinâmicas controladas. Foi avaliada a formação de biofilme na presença de SHs como fonte de carbono à velocidade de 0.04 m/s. Foram operadas duas células de fluxo em paralelo; uma com água sintética de rio, contendo uma concentração “background” de carbono de 1.3 ± 0.8 mg/L, outra com a adição de SHs e, geralmente, com concentração de carbono de 9.7 ± 1.0 mg/L. A partir dos resultados das células cultiváveis e das células totais contáveis, pode-se concluir que a presença de SHs não favoreceu significativamente a densidade celular do biofilme. No entanto, o biofilme formado na presença de SHs apresentou valores de sólidos suspensos voláteis (SSV) e de proteína ligeiramente superiores. Uma explicação possível para este resultado consiste no facto das SHs terem adsorbido à matriz polimérica do biofilme e terem sido incluídas na quantificação dos SSV e proteína. A comunidade bacteriana dos biofilmes formados com e sem SHs foi diferente. No biofilme com SHs foram identificadas bactérias que pertencem aos grupos beta-Proteobacteria (representado pela espécie Cupriavidus metallidurans e algumas espécies do género Ralstonia) e gamma-Proteobacteria (representado pela espécie Escherichia coli). No biofilme formado sem SHs foram identificadas bactérias dos grupos beta-Proteobacteria (representado pela espécie Variovorax paradoxus) e Bacteroidetes. A velocidade, concentração e natureza da fonte de carbono têm elevada importância no desenvolvimento do biofilme. Deste modo, no último trabalho foi investigada a resposta dos biofilmes formados com e sem SHs a um aumento de velocidade (0.04 para 0.10 m/s) e concentração de SHs (9.7 ± 1.0 para 19.8 ± 0.4 mg/L). A densidade celular de biofilme mais elevada, de acordo com os resultados dos SSV e células totais contáveis, foi detectada a 0.10 m/s sem SHs. Neste sentido, o carbono orgânico presente na água destilada e nas SHs pode não ter a mesma biodisponibilidade. A concentração de SHs não teve efeitos significativos na densidade celular do biofilme sob diferentes velocidades. No entanto, a presença de SHs influenciou a composição bacteriana do biofilme. Sequências obtidas a partir de biofilmes formados na presença de SHs foram relacionadas (similaridades ≥ 97 %) com o género Dokdonella que pertence ao grupo gamma-Proteobacteria e com os géneros Comamonas, Cupriavidus e Ralstonia que pertencem ao grupo beta-Proteobacteria. Sequências obtidas a partir de biofilme sem SHs foram relacionadas (similaridades ≥ 97 %) com os géneros Sphingomonas e Nitrosospira que pertencem, respectivamente, aos grupos alpha-Proteobacteria e beta-Proteobacteria. Em conclusão, com base neste estudo, aumentou-se o conhecimento dos efeitos das SHS na formação de biofilmes sob diferentes condições hidrodinâmicas, no entanto são necessários estudos adicionais para quantificar a biodegradabilidade das SHs nos biofilmes. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Doctoral dissertation for PhD degree in Chemical and Biological Engineering |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/10876 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: |