Strategies for enhancing hydrocarbons bioremediation

Abstract

A contaminação ambiental por hidrocarbonetos constitui um grave problema, que requer o desenvolvimento de novas soluções para proteger e restaurar os ecossistemas. Técnicas de biorremediação têm sido descritas e incentivadas como abordagens eficientes e ecológicas. Neste trabalho, diferentes estratégias foram testadas para estimular a biorremediação de hidrocarbonetos, explorando vias aeróbias e anaeróbias de degradação. Corksorb, um biosorvente à base de cortiça utilizado em derrames de petróleo, promoveu o crescimento e a atividade de bactérias aeróbias hidrocarbonoclásticas. Na presença de corksorb, a degradação de alcanos por Rhodococcus opacus B4 foi mais elevada, i.e., 96±1 % relativamente a 88±3 % na ausência do biosorvente. Para Alcanivorax borkumensis SK2, o crescimento em alcanos foi 1,5 vezes maior nos ensaios com corksorb, e 72±2 % dos alcanos foram biodegradados, enquanto que na sua ausência a degradação foi de 47±2 %. Análise trascriptómica revelou um aumento da expressão genética para rRNA e tRNA, confirmando a maior atividade metabólica da A. borkumensis SK2 na presença de corksorb. Imagens de microscopia eletrónica de varrimento e menor expressão de genes que codificam para a formaçães de pili sugerem que a fixação das células ao corksorb foi determinante para o aumento da atividade. A existência de bactérias nativas degradadoras de alcanos no corksorb foi revelada. Assim, o uso de corksorb pode induzir um efeito combinado de sorção e estímulo da biodegradação, com elevado potencial na biorremediação in situ. A biodegradação anaeróbia de hidrocarbonetos é geralmente um processo lento. Nanomateriais condutores foram testados para acelerar a conversão de hidrocarbonetos a metano, nomeadamente nanotubos de carbono (CNT), CNT impregnados com 2 % de ferro (CNT@Fe) ou magnetite (MG). Quando se utilizou um sedimento ribeirinho recentemente contaminado com óleos como inóculo e fonte de carbono, o teor de hidrocarbonetos não se alterou significativamente ao longo do tempo, em todas as condições testadas, apontando para a ausência de atividade degradadora de hidrocarbonetos no sedimento. No entanto, a produção cumulativa de metano foi 10,2 e 4,5 vezes maior nos ensaios com CNT@Fe e CNT, respetivamente, quando comparada com os ensaios realizados sem nanomateriais, mostrando um efeito estimulador destes na degradação da matéria orgânica natural. Numa segunda experiência, 1-hexadeceno foi convertido a metano em quantidades quasi-estequiométricas, mas não houve estímulo pelos nanomateriais, possivelmente devido à incapacidade dos microrganismos para receberem/transferirem eletrões para os materiais. Globalmente, esta tese traz informação importante sobre o potencial de aplicação de um biosorvente (Corksorb) e de nanomateriais condutores na conversão aeróbia e anaeróbia de hidrocarbonetos, com vista à biorremediação in situ e ex situ de matrizes ambientais contaminadas ou resíduos oleosos. Estudos adicionais e investimento na investigação são necessários nesta área, para projetar e desenvolver novas estratégias de estímulo da biorremediação, uma vez que a recuperação de áreas poluídas por processos naturais é geralmente difícil, e o mundo tem urgência em encontrar soluções para a descontaminação de derrames de petróleo.

Environmental contamination with hydrocarbons is a major problem that requires attention, in order to obtain novel solutions to protect and restore ecosystems. Bioremediation techniques have been described and empower as efficient and environmental friendly approaches in remediation processes. In this research, different strategies were tested for enhancing bioremediation of hydrocarbon-polluted environments, exploiting both aerobic and anaerobic degradation pathways. Corksorb, a cork-based biosorbent used in oil spills, was shown to promote the growth and activity of hydrocarbonoclastic bacteria. In the presence of corksorb, alkane degradation by Rhodococcus opacus B4 was enhanced, i.e. 96±1 % relatively to 88±3 % in the absence of the biosorbent. For Alcanivorax borkumensis SK2, growth in alkanes was 1,5 times higher in the presence of corksorb, and 71.6±1.9 % of the added alkanes were degraded, while in its absence only 47.3±1,5 % was converted. Transcriptomics analysis revealed an increased expression of rRNA and tRNA coding genes, which confirms the higher metabolic activity of A. borkumensis SK2 in the presence of corksorb. Scanning electron microscopy images and downregulation of pili formation coding genes, which are involved in cell mobility, suggest that cell attachment on corksorb is a determinant for the improved activity. The existence of native alkane-degrading bacteria in corksorb was revealed, which may assist in situ bioremediation. Hence, the use of corksorb in marine oil spills may induce a combined effect of sorption and stimulated biodegradation, with high potential for accelerating in situ bioremediation processes. In anoxic environments, anaerobic hydrocarbons biodegradation is generally a slow process. Conductive nanomaterials were tested to enhance hydrocarbons conversion to methane, namely carbon nanotubes (CNT), carbon nanotubes impregnated with 2 % iron (CNT@Fe) or magnetite (MG). When river sediments recently contaminated with oil were used as inoculum and also as carbon source, total petroleum hydrocarbons did not change significantly over time in all the conditions tested, thus pointing to the absence of hydrocarbon-degrading activity in the sediments. Nevertheless, cumulative methane production was 10,2 and 4,5 times higher in the assays with CNT@Fe and CNT, respectively, than in the assays without nanomaterials, showing a stimulatory effect in the degradation of the natural organic matter. In a second experiment, 1-hexadecene was converted to methane at close-to-stoichiometric amounts, but this process was not stimulated by the nanomaterials, possibly due to the inability of the microorganisms to receive/transfer electrons to the materials. Overall, this work gave important insights on the potential application of a biosorbent (Corksorb) and conductive nanomaterials on hydrocarbons conversion under aerobic or anaerobic conditions, for in situ and ex situ bioremediation of environmental contaminated matrixes, as well as petroleum-based oily wastes. More studies and research investments are required in these study fields to design and develop new strategies for enhanced hydrocarbons bioremediation, as the recovery of polluted areas by natural processes is generally difficult, and the world urges in finding solutions for oil spills decontamination.