Microalgae technology: sustainable transformation of emerging pollutants

Abstract

Tese no âmbito de Doutoramento em Química, ramo de Fotoquímica e apresentada ao Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Os efeitos adversos das actividades humanas têm levado à contaminação da água por uma gama cada vez mais complexa de poluentes emergentes. Estes não são eliminados pelos métodos convencionais de tratamento de água e, através do ciclo hidrológico urbano, podem entrar em águas subterrâneas e superficiais, persistir no meio ambiente, bioacumular-se através da cadeia alimentar e chegar à água potável. Incluem-se nos poluentes emergentes fármacos, pesticidas, plastificantes e vários outros grupos de contaminantes; são revistos nesta tese, alguns dos mais relevantes. A combinação de diferentes tecnologias de tratamento de água pode reduzir significativamente a ocorrência de poluentes no ambiente aquático, diminuindo a exposição aos contaminantes e consequentes condições médicas associadas, levando a uma melhoria da saúde e bem-estar. Esta tese aborda a necessidade de uma solução para o problema da poluição da água. Propõe a descontaminação de águas residuais recorrendo a microalgas, com uma abordagem baseada na geração de biomassa e na sua valorização económica, através de potenciais produtos de valor acrescentado. Esses produtos podem atrair investimentos na tecnologia e, portanto, acelerar o seu desenvolvimento. Em primeiro lugar, avaliou-se a eficácia e eficiência do uso de microalgas na biorremediação de substâncias químicas sintéticas. Foram selecionados para o estudo os fármacos mais frequentemente detectados no ambiente e um representante do principal grupo de pesticidas, caracterizado pela sua toxicidade em insectos benéficos e pela exposição a que está sujeita a população em geral. Subsequentemente, avaliou-se a viabilidade da transformação de biomassa proveniente da biorremediação em produtos ecológicos inovadores. Paralelamente, diferentes métodos analíticos foram optimizados e desenvolvidos para a análise e avaliação de processos e produtos. Dentre estes, destaque-se o desenvolvimento de um método simples e confiável com resposta rápida para detecção e quantificação de lípidos, combinando uma nova sonda fluorescente altamente lipofílica, BODIPY BD-C12, e análise de imagem para determinar o conteúdo lipídico de algas e a produção de lípidos na microalga Nannocloropsis sp .. Os estudos de biorremediação revelaram que a microalga marinha Nannochloropsis sp. remove paracetamol, ibuprofeno, olanzapina, sinvastatina e imidacloprida, apresentando diferentes eficiências. A remoção do paracetamol e ibuprofeno foi significativamente maior em células imobilizadas em álcool polivinílico do que em células livres, após as primeiras 24 horas de cultura. No grupo das células livres, a remoção de olanzapina revelou maior eficiência, sugerindo uma maior afinidade das células à molécula de olanzapina do que ao paracetamol e ibuprofeno. Os estudos de imobilização das células mostraram que, embora o álcool polivinílico seja considerado biocompatível, este inibe a proliferação celular. Experiências com o polímero mostraram a libertação de células das esferas e sua desintegração devido à dissolução do álcool polivinílico. Após o processo de biorremediação, a produção de produtos específicos foi avaliada e otimizada; com a otimização das condições, foi possível alcançar um elevado rendimento de 74% do teor de lípidos na espécie Nannochloropsis sp. e, com as partes restantes das células, foi possível demonstrar a sua aplicação em produtos ópticos avançados. Estes encontram aplicações em lentes oftálmicas, que podem ser usadas em óculos graduados e de sol, tendo potencial para ser a primeira lente verde no mercado. Este estudo fornece um importante primeiro passo na tecnologia de biorremediação recorrendo a microalgas, um entendimento sobre a viabilidade da sustentabilidade num conceito de biorrefinaria de microalgas, com base na economia circular.Adverse effects of human activity are leading to water contamination by an increasingly complex range of emerging pollutants, which are not readily treated by conventional means, and, through the urban water cycle, can enter ground and surface waters, can persist in the environment, bioaccumulate through the food chain and reach drinking water. These include pharmaceuticals, pesticides, plasticisers and several other groups of contaminants. Some of these compounds are reviewed in this thesis. The combination of different water treatment technologies could significantly reduce the occurrence of pollutants in the aquatic environment, which leads to an improvement of health and well-being by preventing exposure to chemicals and the related diseases arising from contaminated water. This thesis addresses the need for a solution to the problem of treatment of emerging pollutants, and proposes the decontamination of wastewaters using microalgae, with an approach based on the generation of biomass, and on the respective economic valorization. It aims to study the potential of obtaining high value-added products that could attract investment in this field and therefore, accelerate the development of microalgae technology. In the first part of the Thesis, the effectiveness and efficiency of using microalgae in the bioremediation of synthetic chemicals were evaluated. The most frequent pharmaceuticals detected in the environment, and a representative of the major group of pesticides, were selected for the study, based on their respective toxicity to beneficial insects and ubiquitous exposure of the general population. The second stage assessed the feasibility of the transformation of the biomass from bioremediation into innovative bio-based products. In parallel, various methods were optimised and developed for the analysis and evaluation of processes and products. Of these, the most significant one is a simple reliable method with fast response for lipid detection and quantification, combining a new highly lipophilic fluorescent probe BODIPY BD-C12 and image analysis to determine the algal lipid content and the lipid production in the microalga Nannochloropsis sp.. The bioremediation experiments revealed that the marine microalga Nannochloropsis sp. removes the pollutants paracetamol, ibuprofen, olanzapine, simvastatin and imidacloprid with different efficiencies. The removal of paracetamol and ibuprofen after the first 24 hours of culture was significantly higher in polyvinyl alcohol immobilised cells than in free cells. In the group of free cells, the removal of olanzapine revealed a higher efficiency, suggesting more affinity of cells to the molecule of olanzapine than to paracetamol and ibuprofen. The immobilisation experiments showed that, although polyvinyl alcohol is considered to be biocompatible, it inhibits cell proliferation. Also, experiments with the polymer showed the leakage of cells from the beads, and its disintegration due to dissolution of polyvinyl alcohol. After the bioremediation process, the formation of specific products was assessed, and with the optimisation of the conditions it was possible to achieve a high yield of 74 % of lipid content in Nannochloropsis sp. and, with the remaining parts of the cells, it was possible to demonstrate the application of products from microalgae bioremediation in advanced optical products. These find applications in ophthalmic lenses, which can be used on prescription glasses and sunglasses, having potential to be the first green lens in the market. This study provides an important first step in bioremediation using microalgae, and an understanding toward the feasibility and sustainability of the microalgae biorefinery concept, based on the circular economy.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT