Bioremediation of phosphates in seawater: approach for recirculating marine aquaculture effluents

Marine Recirculating Aquaculture Systems (RAS) produce great volume of wastewater, which may be reutilized/recirculated or reutilized after undergoing different treatment/remediation methods, or partly discharged into neighbour water-bodies (DWW). Phosphates, in particular, are usually accumulated at high concentrations in DWW, both because its monitoring is not compulsory for fish production since it is not a limiting parameter, and also because there is no specific treatment so far developed to remove them, especially in what concerns saltwater effluents. As such, this work addresses two main scientific questions. One of them regards the understanding of the actual (bio)remediation methods applied to effluents produced in marine RAS, by identifying their advantages, drawbacks and gaps concerning their exploitation in saltwater effluents. The second one is the development of a new, innovative and efficient method for the treatment of saltwater effluents that potentially fulfil the gaps identified in the conventional treatments. Thereby, the aims of this thesis are: (i) to revise the conventional treatments targeting major contaminants in marine RAS effluents, with a particular focus on the bioremediation approaches already conducted for phosphates; (ii) to characterize and evaluate the potential of oyster-shell waste collected in Ria de Aveiro as a bioremediation agent of phosphates spiked into artificial saltwater, over different influencing factors (e.g., oyster-shell pre-treatment through calcination, particle size, adsorbent concentration). Despite the use of oyster-shells for phosphorous (P) removal has already been applied in freshwater, its biosorptive potential for P in saltwater was never evaluated, as far as I am aware. The results herein generated showed that NOS is mainly composed by carbonates, which are almost completely converted into lime (CaO) after calcination (COS). Such pre-treatment allowed obtaining a more reactive material for P removal, since higher removal percentages and adsorption capacity was observed for COS. Smaller particle size fractions for both NOS and COS samples also increased P removal. Kinetic models showed that NOS adsorption followed, simultaneously, Elovich and Intraparticle Difusion kinetic models, suggesting that P removal is both a diffusional and chemically rate-controlled process. The percentage of P removal by COS was not controlled by Intraparticle Diffusion and the Elovich model was the kinetic model that best fitted phosphate removal. This work demonstrated that waste oyster-shells, either NOS or COS, could be used as an effective biosorbent for P removal from seawater. Thereby, this biomaterial can sustain a cost-effective and eco-friendly bioremediation strategy with potential application in marine RAS.

As atividades realizadas em Aquacultura Marinha de Recirculação (RAS) levam à constante produção de efluentes, sendo a maior parte reutilizados/recirculados ou reciclados depois de submetidos a diferentes métodos de tratamento/remediação, ou parcialmente lançadas em corpos de água vizinhos (DWW). Os fosfatos, em particular, são normalmente acumulados em altas concentrações em DWW, tanto porque a sua monitorização não é obrigatória para a produção de peixe, uma vez que não é um parâmetro limitante, e também porque não há nenhum tratamento específico até agora desenvolvido para removê-los, em especial no que diz respeito a efluentes de água salgada. Como tal, este trabalho aborda duas questões científicas principais. Uma delas diz respeito à compreensão dos métodos de (bio)remediação aplicados aos efluentes produzidos em RAS marinhos, identificando as suas vantagens, desvantagens e lacunas relativas à sua exploração nos efluentes de água salgada. A segunda é o desenvolvimento de um método novo, inovador e eficiente para o tratamento de efluentes de água salgada que potencialmente preenchem as lacunas identificadas nos tratamentos convencionais. Desse modo, os objetivos desta tese são: (i) rever os tratamentos convencionais aplicados para os principais contaminantes nos efluentes RAS marinhos, com especial incidência sobre as abordagens de biorremediação já realizados para fosfatos; (ii) caracterizar e avaliar o potencial de resíduos de concha de ostra colhidos na Ria de Aveiro como um agente de biorremediação de fosfatos em água salgada artificial, mediante diferentes fatores (e.g., prétratamento das conchas de ostra por calcinação, tamanho de partícula, concentração de adsorvente). Apesar das conchas de ostras já terem sido testadas na remoção de fósforo (P) em água doce, o seu potencial de biosorção de P em água salgada, tanto quanto eu estou ciente, ainda não foi avaliado. Os resultados demonstraram que as conchas naturais (NOS) são compostas principalmente por carbonatos, sendo estes praticamente convertidos em cal (CaO) após calcinação. Tal pré-tratamento permitiu a obtenção de um material mais reativo (COS) para a remoção de P, uma vez que se observou maiores percentagens de remoção e capacidade de adsorção. Frações de menor tamanho, tanto para NOS e COS, aumentaram a remoção de P. Os modelos cinéticos mostraram que NOS ajusta-se, simultaneamente, aos modelos de Elovich e de Difusão Intrapartícula, o que sugere que a remoção de P é um processo controlado tanto quimicamente como pela taxa de difusão. A percentagem de remoção de P em COS não é controlada por difusão e o modelo Elovich foi o que melhor se ajustou para a remoção de fosfato. Este trabalho demonstrou que os resíduos de conchas de ostra, quer NOS ou COS, podem ser usados como biosorventes na remoção de fosfato em água salgada. Desse modo, este biomaterial pode sustentar uma estratégia de biorremediação económica e amiga do ambiente, com potencial para aplicação em RAS de água salgada.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental