Evaluation of Trametes versicolor ability to bioremediate Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in different matrices

Abstract

Com a resultat de les activitats humanes, la contaminació deguda a productes químics alliberats al medi s’ha convertit en un problema global, essent una amenaça real per a l’activitat humana. La contaminació pot afectar qualsevol compartiment de l’ecosistema. Els hidrocarburs derivats del petroli, on s’inclouen els hidrocarburs policíclics aromàtics (HAPs), són contaminants que afecten de manera particular el sòl. Actualment existeixen diverses tècniques per a la restauració d’emplaçaments contaminats, inclosa la bioremediació. La micorremediació, àrea de coneixement en què s’emmarca la tesi, ha guanyat atenció en els últims anys ja que és una tècnica ambientalment respectuosa. Aquest treball presenta els resultats de les investigacions prèvies al desenvolupament d’un tractament de bioremediació de sols contaminats per hidrocarburs policíclics aromàtics mitjançant el fong ligninolític Trametes versicolor. Els resultats de l’esmentada investigació es presenten en tres apartats diferenciats. El primer es centra en la producció de biomassa del fong per a posteriors aplicacions en processos de bioremediació. Es divideix en dues seccions: • La primera es basa en la producció de biomassa en cultiu submergit. Els experiments es van centrar en formular un medi definit de cultiu de baix cost que permetés obtenir nivells elevats de biomassa, en la morfologia desitjada (pellets). El reactor fluïditzat per polsos d’aire amb control de pH va resultar ser el més adequat. La producció s’escalà a un bioreactor de 10 litres. • La segona secció analitza la colonització del fong sobre suports lignocel·lulòsics provinents de residus agrícoles per a posterior aplicació en el sòl. La selecció dels millors substrats per a la colonització es va basar en el nivell de biomassa (ergosterol), la producció de lacasa i la capacitat de degradar naproxè en 24 hores. Es va demostrar que el fong era capaç de colonitzar el sòl tant en condicions estèrils com en no estèrils mantenint, en tot cas, la capacitat degradativa. El segon apartat es centra en la degradació d’hidrocarburs policíclics aromàtics pel fong. Es divideix en tres seccions: • La primera es basa en la selecció d’un surfactant per a la degradació de HAPs en medi líquid, essent el millor el surfactant no iònic Tween 80. Es va poder demostrar la capacitat degradativa de diversos HAPs en medi líquid; tant en experiment per separat com en mescles. Així mateix, també es va demostrar que en les condicions de cultiu l’enzim lacasa podia degradar alguns dels compostos. • La segona secció fa referència a la identificació de productes intermediàris de degradació d’HAPs. També es va estudiar la capacitat de degradació d’aquests intermediaris per part del fong. • En la tercera secció es van provar diferents sistemes de degradació en sòl, on el bioslurry es presenta com el més efectiu en termes d’eficàcia de degradació. Es va poder comprovar que en les biopiles airejades el fong va tenir problemes derivats del rang termofílic assolit. El darrer apartat es basa en la degradació dels HAPs de la creosota. Es divideix en dues seccions: • La primera es centra en la degradació dels HAPs de la fracció aromàtica de la creosota. Es van estudiar diferents sistemes i es va determinar que el fong era més eficient en degradació en biopiles. En cultius submergits, medi líquid i slurry, el fong era efectiu en la degradació d’HAPs de baix pes molecular però no en aquells d’alt pes molecular. Es va observar l’efecte inhibitori sobre Trametes tant dels compostos addicionals afegits junt amb la creosota com en augmentar la concentració de HAPs. ! • La segona secció és fruit de la col·laboració amb el Laboratori de Biotecnologia Ambiental de l’Institut de Microbiologia de l’Acadèmia de les Ciències de la República Txeca de Praga. S’estudià l’efecte de la interacció del fong amb la població microbiana del sòl durant processos de bioremediació d’HAPs en sòl.! El treball experimental s’ha dut a terme en el “Grup de degradació de contaminants industrials i valorització de residus” del Departament d’Enginyeria Química de la UAB. L’objectiu general de recerca del grup és el desenvolupament de processos biotecnològics per a degradar compostos xenobiòtics difícilment degradables per tractaments convencionals.

Como consecuencia de las actividades humanas, la contaminación debida a productos químicos liberados en el medio se ha convertido en un problema global, siendo una amenaza real para la actividad y la salud de los seres vivos. La contaminación puede afectar a cualquier compartimento del ecosistema. Concretamente, los hidrocarburos derivados del petróleo son contaminantes que afectan de manera particular al suelo, entre los cuales destacan los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs). Actualmente existen diversas técnicas para la restauración de emplazamientos contaminados por estos compuestos. Cabe destacar que en los últimos años la comunidad científica ha centrado especialmente los esfuerzos en el campo de la micorremediación (área de conocimiento donde se enmarca la presente tesis) dado que se trata de una técnica ambientalmente respetuosa. El trabajo presenta los resultados de las investigaciones previas al desarrollo de un tratamiento de bioremediación de suelos contaminados por hidrocarburos policíclicos aromáticos mediante el hongo ligninolítico Trametes versicolor. Los resultados de la mencionada investigación se presentan en tres apartados diferenciados. El primero se centra en la producción de biomasa del hongo para posteriores aplicaciones en procesos de bioremediación. Se divide en dos secciones: • La primera se basa en la producción de biomasa en cultivo sumergido. Los experimentos se centraron en formular un medio de cultivo definido de bajo coste que permitiera obtener niveles elevados de biomasa, en la morfología deseada (pellets). El reactor fluidizado por pulsos de aire con control de pH resultó ser el más adecuado. La producción se escaló a un bioreactor de 10 litros. • La segunda sección analiza la colonización del hongo sobre soportes lignocelulósicos provenientes de residuos agrícolas para posterior aplicación en el suelo. La selección de los mejores sustratos para la colonización se basó en el nivel de biomasa (ergosterol), la producción de lacasa y la capacidad de degradar naproxeno en 24 horas. Se demostró que el hongo era capaz de colonizar el suelo tanto en condiciones estériles como no estériles manteniendo, en todo caso, la capacidad degradativa. El segundo apartado se centra en la degradación de hidrocarburos policíclicos aromáticos por el hongo. Se divide en tres secciones: • La primera se basa en la selección de un surfactante para la degradación de HPAs en medio líquido, siendo el surfactante no iónico Tween 80 aquel que dio mejores resultados. Se pudo demostrar la capacidad degradativa de diversos HPAs en medio líquido; tanto en experimentos por separado como en mezclas. Asimismo, también se demostró que en las condiciones de cultivo la enzima lacasa podía degradar algunos de los compuestos. • La segunda sección hace referencia a la identificación de productos intermediarios de degradación de HPAs. También se estudió la capacidad de degradación de estos intermediarios por parte del hongo. • En la tercera sección se probaron diferentes sistemas de degradación en suelos, donde el bioslurry resultó el más efectivo en términos de eficacia de degradación. Se pudo comprobar que en las biopilas aireadas el hongo tuvo problemas derivados del rango termofílico alcanzado. El último apartado se basa en la degradación de los HPAs de la creosota. Se divide en dos secciones: • La primera se centra en la degradación de los HPAs de la fracción aromática de la creosota. Se estudiaron diferentes sistemas y se determinó que el hongo era más eficiente en degradación en las biopilas. En cultivos sumergidos, medio líquido y slurry, el hongo era efectivo en la degradación de HPAs de bajo peso molecular pero no en aquellos de alto peso molecular. Se observó el efecto inhibitorio sobre Trametes versicolor tanto de los compuestos adicionales añadidos junto con la creosota como al aumentar la concentración de HPAs. • La segunda sección es fruto de la colaboración con el Laboratorio de Biotecnología Ambiental del Instituto de Microbiología de la Academia de las Ciencias de la República Checa en Praga. Se estudió el efecto de la interacción del hongo con la población microbiana del suelo durante procesos de bioremediación de HPAs en suelos. El trabajo experimental se ha llevado a cabo en el "Grupo de degradación de contaminantes industriales y valorización de residuos" del Departamento de Ingeniería Química de la UAB. El objetivo general de investigación del grupo es el desarrollo de procesos biotecnológicos para degradar compuestos xenobióticos difícilmente degradables mediante tratamientos convencionales.

As a result of human activities pollution aroused as a global concern due to improper release of chemicals into the environment. Contamination represents a real threat to humans and can affect any ecosystem compartment. Petroleum hydrocarbons affect typically soil, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Several conventional clean-up techniques are available for site restoration, including bioremediation. Mycoremediation, attained interest in the last decades as it is assumed to be an environmental-friendly technique. This work shows the results of the basic research previous to the development of a polycyclic aromatic hydrocarbons polluted soil bioremediation treatment by means of the white rot fungus Trametes versicolor. The results of the mentioned research are presented in three differentiated sections. The first section focuses on the fungal biomass production for posterior applications in bioremediation processes. It is divided into two subsections: • The first part focuses on biomass production of in submerged cultures. The experiments were aimed at formulating a low-cost defined medium to obtain high amounts of biomass, in the preferred morphology (pellets). The air-pulsed fluidized bioreactors equipped with pH control were the most appropriate. The production was scaled-up to a 10 liters bioreactor. • The second part analyzes the fungal colonization of lignocellulosic supports for further application in soil. The selection of the optimal substrate for colonization based on active biomass amounts, laccase production and the capacity to degrade naproxene in 24 hours. It was demonstrated that the fungus was capable of colonizing soil both under sterile and non-sterile conditions maintaining, in any case, the degradative capacity. The second section focuses on the fungal ability to degrade polycyclic aromatic hydrocarbons. It is ddivided into three subsections: • The first part focuses on the selection of an optimal surfactant for PAHs degradation in liquid medium, obtaining the best results with the non-ionic surfactant Tween 80. The degradation of several PAHs by T. versicolor in liquid medium was demonstrated; both in individual-PAHs experiment as well as in PAHs-mixtures. Likewise, it was also demonstrated that under culture conditions laccase might degrade some of the studied compounds. • The second section includes the identification of PAHs metabolites arising from degradation. The fungal degradation capacity of these intermediates was also examined. • In the third section different degradation systems of were tested for soil treatment, the bioslurry resulted as the most effective in terms of degradation efficiency. It was checked out that in aerated biopiles, the fungus had problems derived from attaining termophilic ranges. The last section deals with the creosote-PAHs degradation. It is divided into two subsections: • The first part focuses on the fungal PAHs-degradation of the creosote aromatic fraction. Different systems were studied and it was determined that the fungus was more efficient at degrading PAHs in biopiles approach. In submerged cultures, liquid medium and slurry, the fungus was effective at degrading low-molecular-weight PAHs but not those of high-molecularweight. It was also observed inhibitory effects on Trametes due to the additional compounds present in creosote as well as when increasing the total PAHs concentration. • The second section is a result of the collaboration with the Laboratory of Environmental Biotechnology in the Institute of Microbiology, which belongs to the Academy of Sciences of the Czech Republic (Prague). The effect on PAHs removal during the interaction between soil microbial population and white-rot fungi during soil bioremediation processes was studied. The experiments have been carried out in the "Group of degradation of industrial pollutants and valuation of waste" from the Department of Chemical Engineering in the UAB. The main research motivation of the group is to develop specific biotechnological processes to degrade xenobiotic compounds that are scarcely degraded by conventional treatments.