Detoxificación de residuos peligrosos mediante tratamientos biológicos y fotocatalíticos y su combinación

Programa de doctorado: Ingeniería ambiental y desalinización

Síntesis y caracterización de fotocatalizadores basados en TiO2 : estudios de la degradación de los herbicidas ácido 2,4-Diclorofenoxiacético y bentazona mediante fotocatálisis heterogénea a escala de laboratorio y planta piloto solar

Programa de doctorado: Ingeniería ambiental y desalinización

Estudo do mecanismo de ação antirradicalar de betalaínas

Foi preparada uma série de quatro betalaínas com o objetivo de determinar o efeito da metilação do nitrogênio imínico e da presença de uma hidroxila fenólica na posição 3 do anel aromático sobre a estabilidade e propriedades antirradicalares, fotofísicas e redox desta classe de pigmentos vegetais. O estudo destes compostos, chamados de m-betalainofenol, N-metil-m-betalainofenol, fenilbetalaína e N-metil-fenilbetalaína, revelou que os derivados metilados apresentam um deslocamento hipsocrômico sutil dos máximos de absorção e fluorescência em relação aos compostos não metilados. Os deslocamentos de Stokes são maiores em cerca de 4 kJ mol-1 para os derivados metilados e os rendimentos quânticos de fluorescência cerca de três vezes menores. A hidrólise destas betalaínas foi investigada na faixa de pH entre 3 e 7. Todas as betalaínas são mais persistentes em pH = 6 e a metilação da porção imínica aumenta significativamente a estabilidade da betalaína em meio aquoso. A presença da porção fenólica, em comparação a um grupo fenila, não afeta as propriedades fotofísicas dos compostos e tem um efeito menos pronunciado do que o da metilação sobre a estabilidade destes em meio aquoso. O comportamento eletroquímico dos compostos foi estudado por voltametria cíclica, nas mesmas condições de pH. A N-metilação foi novamente mais significativa do que a hidroxilação, provocando aumento de até 200 mV no potencial de pico anódico. O aumento do pH diminuiu o potencial de pico anódico dos quatro compostos, com uma razão entre prótons e elétrons igual a 1 para a maioria dos picos. A capacidade antirradicalar foi quantificada pelo ensaio colorimétrico TEAC baseado na redução de ABTS•+. Os dois derivados N-metilados apresentaram, em média, o mesmo valor de TEAC, apesar de um ser fenólico e o outro não. Já entre os não metilados, que têm TEAC de 2 a 3 unidades inferior à dos outros, a presença do fenol provoca elevação da capacidade antirradicalar. Os resultados sugerem a participação dos elétrons do anel 1,2,3,4-tetraidropiridínico, acoplados ao próton do nitrogênio imínico na ação antirradicalar de betalaínas.

Estudos mecanísticos da origem da inibição da reação foto-Fenton por íons cloreto

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema.

Uma nova metodologia para a síntese de modelos de lignina a partir de reações de inserção O-H entre fenóis de α-aril diazocetonas

A biomassa lignicelulósica tem sua estrutura composta por celulose, hemicelulose e lignina. Dentre essas, a lignina tem se mostrado interessante por ser uma fonte precursora sustentável de fragmentos aromáticos antes obtidos apenas de combustíveis fósseis. Sua estrutura é composta por resíduos de fenilpropanóides p-hidroxibenzeno (H), guaiacil (G) e siringil (S) unidas por ligações C–C e C–O–C em que a ligação β–O–4 é a predominante (mais de 50%). Devido à sua complexidade estrutural e conformacional, a clivagem de suas ligações é pouco seletiva e a caracterização dos fragmentos resultantes é complexa. Uma estratégia comumente empregada para evitar esses desafios é o uso de modelos mais simples. Entretanto, poucas metodologias são reportadas na literatura para a sua síntese e a maioria delas envolve o emprego de halocetonas. O presente trabalho desenvolveu duas novas metodologias promissoras para síntese desses oligômeros, contendo ligação β–O–4 por meio da química de diazo: (a) reação de inserção O–H entre fenol e α–aril diazocetonas, e (b) compostos α–diazo β-cetoéster. Ademais, a utilização de monômeros contendo a função fenol e diazocetona no mesmo anel permitiria a síntese de cadeias de diversos tamanhos em uma única etapa. Como ponto de partida para o estudo, limitou-se à síntese de dímeros, visando entender a reação de inserção O–H. Os produtos desejados foram obtidos em rendimentos de 27–51% após catálise com Cu(hfac)2. Por fim, os modelos de lignina propriamente ditos foram sintetizados após simples adição aldólica e redução em rendimentos globais de 51–78%. Os estudos envolvendo a inserção de fenol em α–diazo β-cetoéster mostraram resultados promissores, corroborando para uma nova estratégia sintética para a obtenção de modelos de lignina. Novos estudos em nosso laboratório estão sendo desenvolvidos para se obter resultados mais conclusivos.

Potencialidade do tratamento eletroquímico oxidativo associado à adsorção para remediação de corantes têxteis

This study aimed to evaluate the potential of oxidative electrochemical treatment coupled with adsorption process using expanded perlite as adsorbent in the removal of textile dyes, Red Remazol and Novacron Blue on synthetic effluent. Dyes and perlite were characterized by thermogravimetry techniques (TG), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Spectroscopy infrared (IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) techniques. Electrochemical treatments used as anodes, Ti/Pt and Pb/PbO2 under different conditions: 60 minutes, current density 20, 40 e 60 mAcm-2, pH 1, 4.5 e 8 and temperature variation 20, 40 e 60 ºC. In the case of adsorption tests, contact time of 30 minutes for the Remazol Red dye and 20 minutes for Novacron Blue were established, while pH 1, 4.5 e 8, 500 mg adsorbent and temperature variation 20, 40 e 60 ºC were used for both treatments. The results indicated that both treatments, electroxidation/adsorption and the adsorption/electroxidation, were effective for removing color from synthetic solutions. The consumption of electricity allowed to evaluate the applicability of the electrochemical process, providing very acceptable values, which allowed us to estimate the cost. Total organic carbon (TOC) and Gas Chromatography linked mass spectrometer (GC-MS) analyzes were performed, showing that the better combination for removing organic matter is by Pb/PbO2 and perlite. Meanwhile, GC-MS indicated that the by-products formed are benzoic acid, phthalic acid, thiocarbamic acid, benzene, chlorobenzene, phenol-2-ethyl and naphthalene when Remazol Red was degraded. Conversely, aniline, phthalic acid, 1, 6 - dimethylnaphthalene, naphthalene and ion hidroxobenzenosulfonat was detected when Novacron Blue was studied. Analyses obtained through atomic absorption spectrometry showed that there was release of lead in the electrochemical oxidation of analyzes that were performed with the anode Pb/PbO2, but these values are reduced by subjecting the effluent to adsorption analysis. According to these results, sequential techniques electroxidation/adsorption and adsorption/electroxidation are to treat solutions containing dyes.

Potencialidade do tratamento eletroquímico oxidativo associado à adsorção para remediação de corantes têxteis

This study aimed to evaluate the potential of oxidative electrochemical treatment coupled with adsorption process using expanded perlite as adsorbent in the removal of textile dyes, Red Remazol and Novacron Blue on synthetic effluent. Dyes and perlite were characterized by thermogravimetry techniques (TG), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Spectroscopy infrared (IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) techniques. Electrochemical treatments used as anodes, Ti/Pt and Pb/PbO2 under different conditions: 60 minutes, current density 20, 40 e 60 mAcm-2, pH 1, 4.5 e 8 and temperature variation 20, 40 e 60 ºC. In the case of adsorption tests, contact time of 30 minutes for the Remazol Red dye and 20 minutes for Novacron Blue were established, while pH 1, 4.5 e 8, 500 mg adsorbent and temperature variation 20, 40 e 60 ºC were used for both treatments. The results indicated that both treatments, electroxidation/adsorption and the adsorption/electroxidation, were effective for removing color from synthetic solutions. The consumption of electricity allowed to evaluate the applicability of the electrochemical process, providing very acceptable values, which allowed us to estimate the cost. Total organic carbon (TOC) and Gas Chromatography linked mass spectrometer (GC-MS) analyzes were performed, showing that the better combination for removing organic matter is by Pb/PbO2 and perlite. Meanwhile, GC-MS indicated that the by-products formed are benzoic acid, phthalic acid, thiocarbamic acid, benzene, chlorobenzene, phenol-2-ethyl and naphthalene when Remazol Red was degraded. Conversely, aniline, phthalic acid, 1, 6 - dimethylnaphthalene, naphthalene and ion hidroxobenzenosulfonat was detected when Novacron Blue was studied. Analyses obtained through atomic absorption spectrometry showed that there was release of lead in the electrochemical oxidation of analyzes that were performed with the anode Pb/PbO2, but these values are reduced by subjecting the effluent to adsorption analysis. According to these results, sequential techniques electroxidation/adsorption and adsorption/electroxidation are to treat solutions containing dyes.

Análise da biorremediação de compostos monoaromáticos em água através da pseudomonas aeruginosa

The monoaromatic compounds are toxic substances present in petroleum derivades and used broadly in the chemical and petrochemical industries. Those compounds are continuously released into the environment, contaminating the soil and water sources, leading to the possible unfeasibility of those hydrous resources due to their highly carcinogenic and mutagenic potentiality, since even in low concentrations, the BTEX may cause serious health issues. Therefore, it is extremely important to develop and search for new methodologies that assist and enable the treatment of BTEX-contaminated matrix. The bioremediation consists on the utilization of microbial groups capable of degrading hydrocarbons, promoting mineralization, or in other words, the permanent destruction of residues, eliminating the risks of future contaminations. This work investigated the biodegradation kinetics of water-soluble monoaromatic compounds (benzene, toluene and ethylbenzene), based on the evaluation of its consummation by the Pseudomonas aeruginosa bacteria, for concentrations varying from 40 to 200 mg/L. To do so, the performances of Monod kinetic model for microbial growth were evaluated and the material balance equations for a batch operation were discretized and numerically solved by the fourth order Runge-Kutta method. The kinetic parameters obtained using the method of least squares as statistical criteria were coherent when compared to those obtained from the literature. They also showed that, the microorganism has greater affinity for ethylbenzene. That way, it was possible to observe that Monod model can predict the experimental data for the individual biodegradation of the BTEX substrates and it can be applied to the optimization of the biodegradation processes of toxic compounds for different types of bioreactors and for different operational conditions.

Análise da biorremediação de compostos monoaromáticos em água através da pseudomonas aeruginosa

The monoaromatic compounds are toxic substances present in petroleum derivades and used broadly in the chemical and petrochemical industries. Those compounds are continuously released into the environment, contaminating the soil and water sources, leading to the possible unfeasibility of those hydrous resources due to their highly carcinogenic and mutagenic potentiality, since even in low concentrations, the BTEX may cause serious health issues. Therefore, it is extremely important to develop and search for new methodologies that assist and enable the treatment of BTEX-contaminated matrix. The bioremediation consists on the utilization of microbial groups capable of degrading hydrocarbons, promoting mineralization, or in other words, the permanent destruction of residues, eliminating the risks of future contaminations. This work investigated the biodegradation kinetics of water-soluble monoaromatic compounds (benzene, toluene and ethylbenzene), based on the evaluation of its consummation by the Pseudomonas aeruginosa bacteria, for concentrations varying from 40 to 200 mg/L. To do so, the performances of Monod kinetic model for microbial growth were evaluated and the material balance equations for a batch operation were discretized and numerically solved by the fourth order Runge-Kutta method. The kinetic parameters obtained using the method of least squares as statistical criteria were coherent when compared to those obtained from the literature. They also showed that, the microorganism has greater affinity for ethylbenzene. That way, it was possible to observe that Monod model can predict the experimental data for the individual biodegradation of the BTEX substrates and it can be applied to the optimization of the biodegradation processes of toxic compounds for different types of bioreactors and for different operational conditions.

Determinación de carbohidratos totales en bebidas analcohólicas consumidas por adolescentes en la ciudad de Cuenca y Nabón

Este trabajo presenta la determinación del contenido de carbohidratos totales en treinta bebidas analcohólicas altamente consumidas por adolescentes escolarizados de la ciudad de Cuenca y Nabón, por medio de la cual se identificaron las bebidas analcohólicas con el más alto contenido calórico que se consumen localmente y se realizó una comparación con lo declarado en sus respectivas etiquetas. Esta cuantificación se realizó mediante el método de Dubois, aplicado sin clarificación previa y utilizando la curva de calibración de sacarosa como patrón. Debido a la alta concentración de carbohidratos en las bebidas se realizaron diluciones sucesivas de cada muestra, para posteriormente aplicar el método de Dubois: a 1 mLde muestra diluida se añadió 500 µL de fenol y 2,5 mL de ácido sulfúrico concentrado; luego de una incubación en baño de hielo por 30 minutos, se realizó la medición de absorbancias en el espectrofotómetro a una longitud de onda de 490 nm. Tras los cálculos utilizando la curva de calibración, los resultados se expresaron en mg/L y en mg de carbohidratos totales por porción de bebida analcohólica (240 mL). De los resultados obtenidos se identificó al jugo FACUNDO NÉCTAR DE GUAYABA, la COLADA DE AVENA Y DE MAICENA, y el PULP NÉCTAR DE MANGO como aquellas con la concentración más elevada de carbohidratos totales. También se descartó la existencia de una relación entre la concentración de azúcar y el costo de la bebida (r=0,21; R2=0,012).Finalmente no se encontró una diferencia significativa entre los resultados obtenidos y los indicados en las etiquetas (t-test, P=0,19). El método utilizado en el análisis presenta varias ventajas como es la rapidez, sensibilidad a bajas concentraciones de azúcar, los reactivos son baratos y estables, entre otras. Además que las interferencias que presenta pueden ser evitadas sin ningún problema.

Optimization of lipase production from yeasts strains isolated from olive mil wastewater

Dissertação submetida à Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências para a obtenção do Grau de Mestre em Microbiologia Aplicada.

Herança genética e marcadores moleculares associados à resistência de Euphorbia heterophylla L. aos herbicidas inibidores da ALS e PROTOX

This study aimed to assess the genetic inheritance, determine the better DNA isolation protocol for this species and to identify molecular markers associated with the Wild Poinsettia (Euphorbia heterophylla L.) resistance ALS- and PROTOX- inhibiting herbicides and. The genetic inheritance of resistance was determined from crosses between E. heterophylla biotypes susceptible (S) and resistant (R), backcrosses and F2 generation. The complete dominance of resistance was confirmed with dose response curves. Ten adjusted methods for DNA isolation described in the literature were tested. The specific primers for ALS and PROTOX genes were designed from the consensus DNA sequence of these genes, obtained by aligning the gene sequences of the species Manihot esculenta and Ricinus communis L. Additionally, it was assessed the transferability of twenty SSR (simple sequence repeat) markers designed for Manihot esculenta, because among the species of Euphorbiaceae with more developed SSRs markers, because it is the closest relative phylogenetic species of E. heterophylla. Regarding genetic inheritance, the frequencies observed in the F1, F2, RCs and RCr did not differ significantly from the expected frequencies for a trait controlled by two dominant genes for multiple resistance and a single dominant gene for simple resistance to ALS- and PROTOX-inhibiting herbicides. The similar levels of resistance to dosage up to 2000 g i.a. ha-1 of fomesafen and dosage up to 800 g i.a. ha-1 of imazethapyr observed in F1 (heterozygous) and homozygous R biotype confirm the complete dominance of resistance to PROTOX- and ALS-inhibiting herbicides, respectively. The 0.2%BME protocol allowed the isolation of 7,083 ng μL-1 DNA, significantly (P=0.05) higher than other methods. Co-isolation of phenolic compounds was observed in FENOL and 3%BME+TB methods, but the addition of polyvinylpyrrolidone (PVP40) in the protocol extraction buffer 3%BME+TA solved this problem. The primers designed for ALS and PROTOX genes amplified but not showed no visible polymorphism in agarose gel between the S and R biotypes of E. heterophylla. Regarding the SSR transferability, ten markers were transferred to E. heterophylla, however, these six primers showed polymorphism among S and R biotypes.

Aislamiento, producción y evaluación de la patogenicidad de cepas de Hirsutella citriformis Speare para el control de Diaphorina citri Kuwayama, vector de la enfermedad Huanglongbing de los cítricos

La industria citrícola es una de las más importantes industrias con las que cuenta el país y en los últimos años se encuentra amenazada por una plaga que está ocasionando estragos en todas las áreas citrícolas en México, el Huanglongbing o greening la cual es transmitida por el psílido asiático de los cítricos, Diaphorina citri Kuwayama, insecto que ocasiona daño en las plantas al alimentarse de los brotes tiernos y que además es el vector de la bacteria Candidatus Liberibacter asiaticus para la cual no hay cura y por lo que es necesario controlar al insecto que la transmite. Por lo que el presente trabajo consistió en aislar hongos de D. citri micosados, identificarlos en base a sus características morfométricas y usando técnicas moleculares, cultivarlos en diferentes medios de cultivo comerciales de agar para seleccionar aquel en el cual crecen y conidian mejor, se determinó también el tipo de exudados producidos por Hirsutella citriformis en los medios de agar, se cultivaron en dos diferentes medios de cultivo líquido y un sustrato vegetal para obtener mayor cantidad de conidios; también se realizaron bioensayos de laboratorio para determinar la virulencia de las cepas y seleccionar aquellas que pudieran controlar mejor al insecto; se evaluó la patogenicidad que pudieran presentar sobre insectos depredadores de D. citri, y con los resultados obtenidos se seleccionó las cepas que presentaron mayor patogenicidad sobre el insecto vector del HLB para evaluar su actividad sobre el mismo en bioensayo de campo. Se aislaron cinco cepas de insectos micosados provenientes de diferentes regiones citrícolas, se trabajó con ellos además de tres cepas con las cuales ya contaba el INIFAP de General Terán de Nuevo León. Se identificaron morfométrica y molecularmente como Hirsutella citriformis Speare. Los medio comerciales de cultivo en los cuales crecen y presentan mejor conidiación son los medios agar papa dextrosa enriquecidos con extracto de levadura al 0.5 y 1 % en los cuales se obtuvo un crecimiento radial de 3.2 a 3.8 cm para las cepas IB-Hir-2 e INIFAP-Hir-1 respectivamente, a los 34 días de cultivo a 25 ± 1 °C. La conidiación obtenida para las ocho cepas no correspondió al crecimiento radial, pero si concordó en presentarse en los medios enriquecidos con extracto de levadura, los valores variaron desde 1.22 x 10⁶ a 2.79 x 10⁷ para las cepas 2 INIFAP-Hir-2 en agar papa dextrosa e IB-Hir-2 en agar papa dextrosa con extracto de levadura al 1% respectivamente. En medios líquidos la mayor producción de blastosporas obtenida fue 4.3 x 108 blastosporas /ml a los 9 días en el medio de casaminoácidos para la cepa INIFAP-Hir-1, y en caldo papa dextrosa la mayor producción la presentó a los 11 días la cepa IB-Hir-2 (7.7 x 107 blastosporas/ml). La mayor producción de conidios en el sustrato vegetal (arroz) se obtuvo a los 14 días por la cepa INIFAP-Hir-4 (1.97 x 107 conidios/gr). Se analizaron los dos tipos de exudados observados en las cepas usando los métodos de Bradford para proteínas y el del Fenol Sulfúrico para carbohidratos y con estos métodos se determinó que todas las cepas producen ambos tipos de compuestos, además de que las proteínas son los exudados amarillo claro y oscuro, mientras que los carbohidratos corresponden a las gotas cristalinas producidas por las cepas en los diferentes medios de agar. En los diferentes bioensayos de laboratorio las cepas presentaron mayor mortalidad cuando se inoculó por contacto, donde las cepas INIFAP-Hir-1, INIFAP-Hir-2, IB-Hir-1 e IB-Hir-2 mostraron los mayores porcientos de mortalidad media. Al evaluar la patogenicidad de cuatro cepas sobre dos depredadores de D. citri, los resultados fueron similares para tratamientos y testigo y no se presentó micosamiento en los insectos muertos. Bajo condiciones de laboratorio la CL50 y CL90 obtenidas para el aislado INIFAP-Hir-1 fueron, 34 x 105 y 26.7 x 107 respectivamente. En el bioensayo de campo se usaron las cepas INIFAP.Hir-2, INIFAP.Hir-4, IB-Hir-1 e IB-Hir-2 y el mayor porciento de mortalidad obtenida fue 51.049 y el menor 35.7 para las cepas INIFAP-Hir-4 e IB-Hir-1 respectivamente, mientras que el testigo con adherente mostro 6.059 y en el testigo absoluto 4.84 % de mortalidad promedio. Además logramos aislar la cepa que los micosaba de 20 insectos colectados en diferentes puntos de muestreo, identificando en base a sus características morfológicas de crecimiento colonial a tres de las cepas evaluadas y a la cepa nativa de Martínez de la Torre.

Descrição do resistoma de solo de Cerrado stricto sensu e o potencial de dioxigenases metagenômicas na resistência antimicrobiana e em processos de biorremediação

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2016.

Análise do risco de lixiviação de poluentes orgânicos de lodos de esgotos em cultivos de milho.

Por hipótese, o uso de lodos de esgotos como fertilizantes agrícolas pode contaminar solos e águas subterrâneas com poluentes orgânicos. O objetivo desse trabalho foi analisar o risco de lixiviação de trinta e oito poluentes orgânicos de lodos de esgotos. Para tanto, foi assumido um cultivo de milho em um solo Latossolo vermelho distrófico, característico de solos de regiões produtoras de milho, no qual foi aplicada uma dose de lodo de esgotos como fertilizante agrícola. A lixiviação dos poluentes foi simulada utilizando-se o modelo CMLS94 e os dados climáticos de mil anos independentes e igualmente prováveis gerados pelo simulador de clima WGEN, a partir de uma seqüência de quatorze anos consecutivos observados e registrados pela Estação Experimental do Instituto Agronômico de Campinas - IAC. A análise de risco indicou que os poluentes benzidina > n-nitrosodi-n-propilamina > fenol > 2,4-dinitrofenol > isoforano > nitrobenzeno > p-cresol > o-cresol > m-cresol > 2- clorofenol, nessa ordem, devem ser monitorados prioritariamente em águas subterrâneas de regiões de solos similares a Latossolo vermelho distrófico nos quais foram aplicados doses de lodo.