Ficorremediação de efluentes da suinocultura: efeitos da composição do substrato e dos nutrientes (N e P) na composição química das microalgas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015.A suinocultura é uma importante atividade social e econômica para todo o país, entretanto, esta atividade é reconhecida por causar problemas ambientais significativos. O tratamento de águas residuárias por processo de ficorremediação está atraindo o interesse renovado devido às suas potenciais aplicações da biomassa para produção de biocombustíveis e compostos de alto valor, agregando valor econômico ao agronegócio. A presente pesquisa teve como objetivo avaliar a remoção de nutrientes dos efluentes do UASB (Upflow Anaerobioc Sludge Blanket) e sistema de lodos ativados (LA) de um processo de tratamento de dejetos suínos por ficorremediação, e a composição química celular. O cultivo foi realizado em escala laboratorial com fotobiorreatores verticais (FBRs) com luminosidade artificial (44,8 mmol m-2 s-1) temperatura de 23 ºC e escala piloto numa casa de vegetação sob a luz natural, com intensidade luminosa variando de 90-733 µmol m-2 s-1 e temperatura ambiente com variação de 15,4-48 ºC, utilizando consórcio com Chlorella spp. e Scenedesmus spp. A biomassa foi coletada por centrifugação e precipitação química usando polímero orgânico catiônico (tanino). A eficiência de remoção para a amônia foi de 44,3 e 76,7% com efluente do UASB e LA, respectivamente. A eficiência da remoção de fósforo da cultura com UASB alcançou 89,6%, em contraste, com LA foi de 76,5%, após 96h de ficorremediação. A biomassa colhida a partir do efluente do UASB apresentou 56,1, 34,4 e 1,1% de proteínas, carboidratos e lipídios, respectivamente. Comparativamente, a composição celular das microalgas cultivadas com efluente LA teve diminuição nas proteínas (44%) mas os teores de carboidratos foram mais elevados (41,9%) e não houve diferença nos teores de lipídios (2%). No entanto, a biomassa separada por centrifugação os níveis foram de 25,2, 58,9 e 3% em carboidratos, proteínas e lipídios, respectivamente. Quando privadas de nutrientes (N e P) o teor de carboidratos foi de 56,8%, proteínas 22% e lipídios 16,3%. Os resultados demonstraram que a amônia e fósforo foram satisfatoriamente removidos. Biomassas de microalgas a partir de processos de tratamento terciário são ricos em proteínas e carboidratos, mas com baixo teor de lipídios. O processo de colheita pode alterar a composição química. A privação de nutrientes aumenta a acumulação de lipídios no interior das células e são ricas em ômega 3 e 6.Abstract : The swine is an important social and economic activity for the whole country, however, this activity is known to cause significant environmental problems, the treatment of wastewater by phycoremediation process is attracting renewed interest due to their potential applications of biomass production biofuels and high value compounds, adding economic value to agribusiness. This research aimed at evaluating the removal of nutrients from the effluent UASB (Upflow Sludge Blanket Anaerobioc) and AL system (Activated sludge) of a treatment process of swine manure by phycoremediation, and cellular biochemical composition. Cultivation was carried out in laboratory scale with vertical photobioreactors (PBRs) with artificial light (44.8 mmol m-2 s-1) temperature of 23 ° C and pilot scale reactor in greenhouse indoors under natural light with luminous intensity ranging from 90-733 µmol m-2 s-1 and room temperature ranging from 15.4-48 ° C using polyculture with Chlorella sp. and Scenedesmus sp. The biomass was collected for centrifugation and chemical precipitation using cationic organic polymer (tannin). The removal efficiency for ammonia was 44.3 and 76.7% with effluent from the UASB and LA, respectively. The efficiency of phosphorus removal of the culture with UASB reached 89.6%, in contrast with the LA was 76.5% after 96h of phycoremediation. The efficiency of phosphorus removal of the culture with UASB reached 89.6%, in contrast with the LA was 76.5% after 96h of phycoremediation. The harvested biomass from the UASB effluent showed 56.1, 34.4 and 1.1% protein, carbohydrates and lipids, respectively. Comparatively, the cellular composition of cultivated microalgae with LA effluent had decreased in protein (44%) but the carbohydrate content was higher (41.9%) and no difference in lipid content (2%). However, the biomass separated by centrifugation levels were 25.2, 58.9 and 3% of carbohydrates, proteins and lipids, respectively. When starved the carbohydrate content was 56.8%, proteins 22% and lipids 16.3%. The results showed that ammonia and phosphorus have been removed satisfactorily. Biomass of microalgae from tertiary treatment processes are rich in protein and carbohydrates, but low in lipids. The process of crop can change the biochemical composition. The nutrient deprivation increases the accumulation of lipids within cells and are rich in omega 3 and 6

AVALIAÇÃO DA REMOÇÃO DE SULFETO DE HIDROGÊNIO A PARTIR DO BIOGÁS PROVINDO DA DIGESTÃO DE EFLUENTES SUINÍCOLAS UTILIZANDO BIOFILTRO EM ESCALA CAMPO

Biogás produzido a partir de biodegradação anaeróbia de águas residuárias da suinocultura tem grande potencial como fonte de energia renovável. O sulfeto de hidrogênio (H2S) presente no biogás é um composto odorífero, corrosivo e tóxico que deve ser removido, a fim de evitar danos onerosos às infraestruturas globais das centrais geradoras elétricas. O objetivo, com este estudo, foi avaliar a eficiência a um baixo custo e manutenção de um biofiltro para remover H2S de um fluxo de biogás. O biofiltro foi instalado a jusante de um reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta lodo (UASB) localizado nas instalações de tratamento de águas residuárias da Embrapa Suínos e Aves (Concórdia, SC, Brasil). O reator foi construído usando PVC e preenchido com material suporte para biofilme. O sistema foi alimentado continuamente com uma solução de nutrientes por 150 dias. Os parâmetros analisados foram tempo de retenção hidráulica (TRH) de 97 minutos e recirculação de nutrientes (Q) de 1,17 L.min-1. Diferentes taxas de fluxo de biogás (24, 36, 48 L.h-1) foram testadas para determinar a capacidade de carga máxima (taxa de aplicação). Eficiências médias de remoção de H2S de≥ 95% foram alcançadas ao longo do período experimental integral (taxa de aplicação 1.056 g.m3.h-1). Variações na eficiência de remoção foram observadas ao longo do tempo em razão de flutuações inerentes a concentrações influentes de H2S (1.100 a 3.500 ppmV), bem como a alterações nas taxas de fluxo de gás. A acumulação de um precipitado amarelado na parte inferior do reservatório de alimentação de nutriente indica deposição de H2S em enxofre elementar oxidado biologicamente. No geral, o biofiltro avaliado parece ser muito robusto e capaz de atingir remoção (H2S) satisfatória a partir de um fluxo de biogás. Considerando o teor de enxofre obtido simultaneamente no processo, este detém promessas como um fertilizante valioso que permanece desconhecido e deve ser melhor explorado.Palavras-chave: Biogás. Biofiltro. Sulfeto de hidrogênio. Dessulfurização

AUMENTO DA PRODUÇÃO DE BIOMASSA DE MICROALGAS DURANTE A PURIFICAÇÃO SIMULTÂNEA DE BIOGÁS DERIVADO DE DEJETOS DE SUÍNOS

O uso direto de gases residuais contendo CO2 é econômica e ambientalmente melhor para o cultivo de microalgas que o CO2 comprimido, especialmente quando a geração de CO2 está perto do local de cultivo de microalgas. A integração da produção de microalgas e o tratamento do biogás derivado de resíduos suinícolas podem melhorar a eficiência de remoção de nutrientes por ficorremediação ao mesmo tempo, aumentando a produtividade de biomassa. Teve-se como objetivo deste trabalho investigar os efeitos do biogás derivado de efluentes da suinocultura sobre a taxa de crescimento da policultura microalgas (dominada Chlorella sp. e Scenedesmus sp.)  em um fotobiorreator em escala laboratorial. Digestato e biogás de um UASB foram usados como meios de cultura e fonte de CO2, respectivamente. Os experimentos foram realizados sob condições mixotróficas (luz 12h) e autotróficas (luz 24h). Os resultados mostraram a taxa de crescimento exponencial de 84 e 120 mg L-1 d-1 em condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Na ausência de biogás no espaço gasoso (controles negativos), a biomassa de microalgas teve crescimento 1,7-2,4 vezes menor nos testes mixotróficos e autotróficos, respectivamente. A remoção de CO2 no espaço gasoso do reator foi de 118 e 176 mg L-1 d-1 para as condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Reinjeções frequentes de biogás contendo até 1500 ppmv de sulfeto de hidrogênio não foram inibidoras ao crescimento de microalgas. H2S foi rapidamente e completamente removido, mesmo após consecutivas reinjeções de biogás. A taxa de remoção de amônia foi de 9,3 e 16,8 mg L-1 d-1 para as condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Os resultados sugerem que os sistemas de cultivo de microalgas podem ser projetados para ajudar a purificação do biogás (aumentando, assim, o valor biometano), simultaneamente, a dinamizar a produção de biomassa de microalgas.Palavras-chave: Biogás. Biofiltro. Digestato suína. Remoção de nutrientes

ENGENHARIA METABÓLICA: ALTERANDO A COMPOSIÇÃO BIOQUÍMICA DAS MICROALGAS OBTIDAS DO PROCESSO DE TRATAMENTO DOS EFLUENTES SUINÍCOLAS

O tratamento de efluentes suinícolas utilizando ficorremediação vem sendo demonstrado ao longo dos anos e em vários países. Simultaneamente ao processo, a biomassa residual de microalgas pode ter utilidade como matéria-prima na produção de biocombustíveis e coprodutos de valor agregado. Neste trabalho os objetivos foram: avaliar a eficiência de remoção de N e P do efluente suinícola obtido de um reator UASB (upflowanaerobicsludgeblanket) utilizando a ficorremediação; avaliar a composição bioquímica das células ao final do processo de tratamento; e, avaliar o efeito da limitação dos nutrientes N e P na composição bioquímica das células. Experimentos foram conduzidos em fotobiorreatores de (12-L) e em escala piloto (500-L). O inóculo utilizado (Chlorellasp. e Scenedesmus sp.) foi obtido de lagoas de tratamento de efluentes suinícolas da Embrapa Suínos e Aves. Após 11 dias de cultivo, obteve-se redução da N-NH4 e P de 100%. A biomassa colhida apresentou 56,1±0,4, 34,4±0,4 e 1,8±0,6% de proteínas, carboidratos e lipídios, respectivamente. Após 25 dias em condições de privação de nutrientes, a fração lipídica aumentou para 16,3±0,8%. O teor proteico, entretanto, foi reduzido para 22±3%. Os carboidratos permaneceram com 56,8±3,2%. Portanto, a ficorremediação apresentou resultados satisfatórios na remoção de nutrientes do digestato. A biomassa de microalgas gerada simultaneamente ao processo apresentou alto teor proteico e de carboidratos que certamente apresentam potencial para a reformulação de rações. Utilizando processos simples de engenharia metabólica, o teor lipídico pode ser incrementado em curto período de tempo comparado às oleaginosas. Isso é particularmente interessante do ponto de vista do mercado de biodiesel como também das indústrias interessadas no alto valor agregado dos óleos obtidos a partir dessa matéria-prima.Palavras-chave: Amônia. Composição celular. Fósforo. Ficorremediação

Characterization of Planktochlorella nurekis Extracts and Virucidal Activity against a Coronavirus Model, the Murine Coronavirus 3

Certain members of the Coronaviridae family have emerged as zoonotic agents and have recently caused severe respiratory diseases in humans and animals, such as SARS, MERS, and, more recently, COVID-19. Antivirals (drugs and antiseptics) capable of controlling viruses at the site of infection are scarce. Microalgae from the Chlorellaceae family are sources of bioactive compounds with antioxidant, antiviral, and antitumor activity. In the present study, we aimed to evaluate various extracts from Planktochlorella nurekis in vitro against murine coronavirus-3 (MHV-3), which is an essential human coronavirus surrogate for laboratory assays. Methanol, hexane, and dichloromethane extracts of P. nurekis were tested in cells infected with MHV-3, and characterized by UV-vis spectrophotometry, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, ultraperformance liquid chromatography-mass spectrometry (UPLC-MS), and the application of chemometrics through principal component analysis (PCA). All the extracts were highly efficient against MHV-3 (more than a 6 Log unit reduction), regardless of the solvent used or the concentration of the extract, but the dichloromethane extract was the most effective. Chemical characterization by spectrophotometry and NMR, with the aid of statistical analysis, showed that polyphenols, carbohydrates, and isoprene derivatives, such as terpenes and carotenoids have a more significant impact on the virucidal potential. Compounds identified by UPLC-MS were mainly lipids and only found in the dichloromethane extract. These results open new biotechnological possibilities to explore the biomass of P. nurekis; it is a natural extract and shows low cytotoxicity and an excellent antiviral effect, with low production costs, highlighting a promising potential for development and implementation of therapies against coronaviruses, such as SARS-CoV-2.This research was funded LVA-MIP-CCB-UFSC/Sigpex: 201917940, and CNPq, CAPES-DS

Microalgae biomass from swine wastewater phycoremediation: metabolic profile and its potential applications

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021.A remoção de poluentes de águas residuais baseado em microalgas tem ganhado considerável atenção, devido à sua eficiência no tratamento e potencial geração de biomassa como matéria-prima para diversas aplicações biotecnológicas. Assim, a extração de produtos de origem metabólica da biomassa de microalgas e de alto valor agregado, é uma alternativa promissora. O presente estudo foi realizado sob o conceito de biorrefinaria e teve como objetivo investigar a presença e recuperação de metabólitos produzidos por conversão biológica em culturas de microalgas sob diferentes condições de cultivo, bem como a remoção de drogas de uso veterinário. Esta tese foi ordenada em seis capítulos: (1) Açúcar residual da biomassa de microalgas a partir da ficorremediação de águas residuais da suinocultura. A hidrólise foi realizada em diferentes [H2SO4], um teor significativo de açúcar de 0,496 gaçúcar gmicroalgaDW-1 foi obtido com 188 mM. A concentração de açúcar presente nas microalgas não diferiu significativamente entre as biomassas colhidas por centrifugação ou coagulação-floculação. (2) Produção de aminoácidos, ácidos graxos e peptídeos em biomassa de microalgas colhidas durante a ficorremediação de águas residuais de suínos. A biomassa apresentou alto teor de aminoácidos essenciais, tais como: leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina e triptofano. Condições induzidas por estresse, como limitação de nutrientes, contribuíram para a produção de ácidos graxos. Foram encontrados 25 peptídeos bioativos relacionados a propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e anticarcinogênicas. (3) Microalgas produzidas durante ficorremediação de águas residuais de suínos contêm compostos bacteriostáticos eficazes contra bactérias resistentes a antibióticos. A atividade antibacteriana foi testada contra bactérias resistentes, que são patogênicas aos suínos: Streptococcus suis, Enterococcus faecalis e Staphylococcus hyicus. O extrato de diclorometano demonstrou ação bacteriostática [0.2-0.5 mg mL-1] para todas as bactérias testadas. Vinte e três compostos diferentes foram detectados nos extratos de microalgas. (4) Atividade virucida de extratos de microalgas coletados durante ficorremediação de águas residuais de suínos. Foram usados vírus modelo, com envelope (Herpes simplex tipo 1) e sem envelope (Adenovírus humano tipo 5). Todos os extratos de microalgas reduziram em 100% a capacidade infecciosa do HSV-1. Já os extratos de microalgas obtidos de diclorometano e metanol apresentaram atividades de inibição na menor concentração testada. (5) Produção de bio-herbicidas a partir de biomassa de Chlorella spp. e Trichoderma koningiopsis. A produção de atividade enzimática e bio-herbicida, com e sem associação fúngica, foi testada contra plantas daninhas. A enzima peroxidase foi a mais produzida, com uma atividade máxima de 16.200 U mL-1. Os bio-extratos produzidos apresentaram danos fitotóxicos de até 80% nos primeiros 7 dias e 100% após 15 dias de tratamento. (6) Remoção de antibióticos de uso veterinário em água residuais de suínos pelo processo baseado em microalgas. Tetraciclina, oxitetraciclina, clortetraciclina e doxiciclina foram os fármacos utilizados para avaliação da capacidade de remoção pelo processo de ficorremediação. A tetraciclina foi completamente removida após 11 dias de ficorremediação. A degradação da clortetraciclina gerou metabolitos como iso-clortetraciclina e 4-epi-iso-clortetraciclina. Em resumo, a biomassa de microalgas produzida durante a ficorremediação de águas residuárias de suínos mostrou-se uma fonte promissora de matéria-prima alternativa para produção e extração de produtos de alto valor agregado, além de eficiente na remoção de antibióticos de uso veterinário.Abstract: The removal of pollutants from wastewater using microalgae-based processes has gained considerable attention, due to its efficiency in the treatment and potential generation of biomass as feedstock for several biotechnological applications. Thus, extraction of metabolic source products of biomass of microalgae with high added value, is a promising alternative. The present study was carried out under the concept of biorefinery and aimed to investigate the presence and recovery of metabolites produced by biological conversion in microalgae cultures under different cultivation conditions, as well as the removal of veterinary drugs. Therefore, the thesis was ordered into six chapters: (1) Residual sugar from microalgae biomass harvested from phycoremediation of swine wastewater digestate. The hydrolysis was carried out in different [H2SO4], a significant sugar content of 0.496 gsugar gmicroalgaeDW-1 was obtained with 188 mM. The concentration of sugar present in the microalgae did not differ significantly between the biomasses harvested by either centrifugation or coagulation-flocculation. (2) Amino acids, fatty acids and peptides in microalgae biomass produced from phycoremediation of swine wastewaters. Biomass showed a high content of essential amino acids such as mainly leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine and tryptophan. Stress-induced conditions, as nutrients limitation, contributed to the production of fatty acids. Twenty-five bioactive peptides related to antioxidant, anti-inflammatory and anticarcinogenic properties were found. (3) Microalgae produced during phycoremediation of swine wastewater contains effective bacteriostatic compounds against antibiotic-resistant bacteria. The antibacterial activity was performed against pathogenic resistant bacteria that cause disease in swine: Streptococcus suis, Enterococcus faecalis and Staphylococcus hyicus. Dichloromethane extract was bacteriostatic (0.2-0.5 mg mL-1) for all tested bacteria. Twenty-three different compounds were detected in the microalgae extracts. (4) Virucidal activity of microalgae extracts harvested during phycoremediation of swine wastewater. Antiviral models, enveloped (Herpes simplex type 1) and non-enveloped (Human Adenovirus type 5) were used. All microalgae extracts reduced 100% of the infectious capacity of HSV-1. Yet, the microalgae extracts with dichloromethane and methanol showed inhibition activities at the lowest concentration of 3.125 µg mL-1. (5) Production of bio-herbicides from biomass of Chlorella spp. and Trichoderma koningiopsis. The production of enzymatic and bio-herbicidal activity, with and without fungal association, against weeds were tested. Peroxidase enzyme was the most produced, with an activity maximum of 16,200 U mL-1. The bio-extracts produced showed phytotoxic damage of up to 80% in the first 7 days and 100% after 15 days of treatment. (6) Removal of veterinary antibiotics from swine wastewater using microalgae-based process. Tetracycline, oxytetracycline, chlortetracycline and doxycycline were the drugs used to evaluate the removal capacity by the phycoremediation process. Tetracycline was completely removed after 11 days of phycoremediation. The degradation of chlortetracycline generated metabolites such as iso-chlortetracycline and 4-epi-iso-chlortetracycline. In summary, the microalgal biomass produced during the phycoremediation of swine wastewater proved a promising source of alternative feedstock for the production and extraction of high value-added products, as well as being efficient in removing veterinary antibiotics

Using the handicap code of the ICIDH for classifying patients by intensity of nursing care requirements.

An 11-class patient classification system (PCS) has been built on a recode of two dimensions of the handicap code of the ICIDH: physical independence and mobility handicaps. The proposed system, called MAC XI, explains 78% of the variance of nursing care hours required by nursing-home residents and extended-care hospital patients. This percentage of variation is higher than the one explained by traditional dependency grids such as the Exton-Smith, Murphy, Kuntzmann and SMAF. MAC XI, based on two dimensions of the handicap code, is thus a powerful tool for predicting intensity of nursing care for staffing and budgeting purposes in long-term care institutions

AUMENTO DA PRODUÇÃO DE BIOMASSA DE MICROALGAS DURANTE A PURIFICAÇÃO SIMULTÂNEA DE BIOGÁS DERIVADO DE DEJETOS DE SUÍNOS

O uso direto de gases residuais contendo CO2 é econômica e ambientalmente melhor para o cultivo de microalgas que o CO2 comprimido, especialmente quando a geração de CO2 está perto do local de cultivo de microalgas. A integração da produção de microalgas e o tratamento do biogás derivado de resíduos suinícolas podem melhorar a eficiência de remoção de nutrientes por ficorremediação ao mesmo tempo, aumentando a produtividade de biomassa. Teve-se como objetivo deste trabalho investigar os efeitos do biogás derivado de efluentes da suinocultura sobre a taxa de crescimento da policultura microalgas (dominada Chlorella sp. e Scenedesmus sp.)  em um fotobiorreator em escala laboratorial. Digestato e biogás de um UASB foram usados como meios de cultura e fonte de CO2, respectivamente. Os experimentos foram realizados sob condições mixotróficas (luz 12h) e autotróficas (luz 24h). Os resultados mostraram a taxa de crescimento exponencial de 84 e 120 mg L-1 d-1 em condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Na ausência de biogás no espaço gasoso (controles negativos), a biomassa de microalgas teve crescimento 1,7-2,4 vezes menor nos testes mixotróficos e autotróficos, respectivamente. A remoção de CO2 no espaço gasoso do reator foi de 118 e 176 mg L-1 d-1 para as condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Reinjeções frequentes de biogás contendo até 1500 ppmv de sulfeto de hidrogênio não foram inibidoras ao crescimento de microalgas. H2S foi rapidamente e completamente removido, mesmo após consecutivas reinjeções de biogás. A taxa de remoção de amônia foi de 9,3 e 16,8 mg L-1 d-1 para as condições mixotróficas e autotróficas, respectivamente. Os resultados sugerem que os sistemas de cultivo de microalgas podem ser projetados para ajudar a purificação do biogás (aumentando, assim, o valor biometano), simultaneamente, a dinamizar a produção de biomassa de microalgas.Palavras-chave: Biogás. Biofiltro. Digestato suína. Remoção de nutrientes