Treatment of phenanthrene and benzene using microbial fuel cells operated continuously for possible in situ and ex situ applications

Bioelectrochemical systems could have potential for bioremediation of contaminants either in situ or ex situ. The treatment of a mixture of phenanthrene and benzene using two different tubular microbial fuel cells (MFCs) designed for either in situ and ex situ applications in aqueous systems was investigated over long operational periods (up to 155 days). For in situ deployments, simultaneous removal of the petroleum hydrocarbons (>90% in term of degradation efficiency) and bromate, used as catholyte, (up to 79%) with concomitant biogenic electricity generation (peak power density up to 6.75 mWm−2) were obtained at a hydraulic retention time (HRT) of 10 days. The tubular MFC could be operated successfully at copiotrophic (100 ppm phenanthrene, 2000 ppm benzene at HRT 30 days) and oligotrophic (phenanthrene and benzene, 50 ppb each, HRT 10 days) substrate conditions suggesting its effectiveness and robustness at extreme substrate concentrations in anoxic environments. In the MFC designed for ex situ deployments, optimum MFC performance was obtained at HRT of 30 h giving COD removal and maximum power output of approximately 77% and 6.75 mWm−2 respectively. The MFC exhibited the ability to resist organic shock loadings and could maintain stable MFC performance. Results of this study suggest the potential use of MFC technology for possible in situ/ex situ hydrocarbon-contaminated groundwater treatment or refinery effluents clean-up, even at extreme contaminant level conditions.

Degradation of Biofumigant Isothiocyanates and Allyl Glucosinolate in Soil and Their Effects on the Microbial Community Composition

Brassicales species rich in glucosinolates are used for biofumigation, a process based on releasing enzymatically toxic isothiocyanates into the soil. These hydrolysis products are volatile and often reactive compounds. Moreover, glucosinolates can be degraded also without the presence of the hydrolytic enzyme myrosinase which might contribute to bioactive effects. Thus, in the present study the stability of Brassicaceae plant-derived and pure glucosinolates hydrolysis products was studied using three different soils ( model biofumigation). In addition, the degradation of pure 2-propenyl glucosinolate was investigated with special regard to the formation of volatile breakdown products. Finally, the influence of pure glucosinolate degradation on the bacterial community composition was evaluated using denaturing gradient gel electrophoresis of 16S rRNA gene amplified from total community DNA. The model biofumigation study revealed that the structure of the hydrolysis products had a significant impact on their stability in the soil but not the soil type. Following the degradation of pure 2-propenyl glucosinolate in the soils, the nitrile as well as the isothiocyanate can be the main degradation products, depending on the soil type. Furthermore, the degradation was shown to be both chemically as well as biologically mediated as autoclaving reduced degradation. The nitrile was the major product of the chemical degradation and its formation increased with iron content of the soil. Additionally, the bacterial community composition was significantly affected by adding pure 2-propenyl glucosinolate, the effect being more pronounced than in treatments with myrosinase added to the glucosinolate. Therefore, glucosinolates can have a greater effect on soil bacterial community composition than their hydrolysis products.

Biodegradação de deoxinivalenol por aspergillus oryzae e rhizopus sp.: um estudo bioquímico de degradação e toxicidade

A contaminação aleatória de alimentos por micotoxinas afeta as condições de sanidade das dietas de humanos e animais. Dentre as toxinas fúngicas, deoxinivalenol (DON) se destaca pela freqüente contaminação de produtos agrícolas e alimentos e pela sua resistência a degradação pelo emprego de métodos tradicionais de processamento, o que motiva políticas de controle e a busca por técnicas de descontaminação. A descontaminação biológica empregando processsos fermentativos tem sido apontada como uma alternativa promissora, pois permite degradar micotoxinas através do sistema enzimático microbiano e melhorar características funcionais e sensoriais de matérias-primas e insumos alimentícios. Este trabalho teve por objetivo estudar condições e mecanismos de biodegradação de deoxinivalenol empregando Aspergillus oryzae e Rhizopus sp. em sistemas fermentativos submersos. Para tanto, foi necessário adequar metodologia para reação de derivação na determinação cromatográfica de DON; estudar o potencial e condições de degradação via fermentação submersa por Aspergillus oryzae e Rhizopus sp.; e avaliar a atividade de oxidoredutases e a citotoxicidade dos extratos fementados. A otimização da metodologia estabeleceu a melhor condição para a reação de derivação com 200 µL de anidrido trifluoroacético e 18 mg de bicarbonato de sódio, durante 6 minutos a 74 °C na faixa entre 7 e 21 µg de DON. A quantificação de DON residual no meio fermentado mostrou que as espécies fúngicas Rhizopus sp. e Aspergillus oryzae possuem a capacidade de degradar DON demonstrando índices médios de 87,4 e 62,4% respectivamente, principalmente quando o meio submerso foi água estéril e fermentação realizada durante 48 horas. A velocidade máxima de degradação neste intervalo foi de 10,8 e 12,4 ppb/h, observando também um aumento na atividade específica da enzima peroxidase. Os extratos dos fermentados com A. oryzae e Rhizopus sp. apresentaram efeito de inibição de proliferação celular (IC50) quando concentrados 10 vezes em 48 e 72 horas respectivamente. Os meios fermentados com Rhizopus sp. apresentaram menor efeito (1,5 vezes) quando comparado com Aspergillus oryzae.

Redução do Impacto Ambiental de Poluentes Orgânicos Persistentes

Nos dias de hoje a contaminação dos solos e águas subterrâneas com pesticidas através da agricultura tornou-se um problema. Problema este, considerado ainda maior nas áreas onde o abastecimento de água potável é quase totalmente à base de água subterrânea, causando deste modo risco para a saúde humana devido à exposição directa de possíveis resíduos de pesticidas na água potável. É certo que a persistência dos pesticidas no solo é importante para obter um bom controlo sob as ervas daninhas durante a sua época de crescimento, contudo o uso desses pesticidas contamina não só o solo como as águas superficiais. As questões acerca do uso de pesticidas na actualidade continuarão a persistir, uma vez que existem muitos factores e características inerentes a este processo que necessitam de ser abordadas e mais importante que isso estudadas, como por exemplo a sua degradação e toxicidade. Neste trabalho efectuou-se o encapsulamento de pesticidas em moléculas de β – ciclodextrina (β-CD). O que se pretende com este encapsulamento, é aumentar a hidrofilicidade do pesticida de forma a garantir que este persista o tempo suficiente permitindo um bom controlo das ervas daninhas, tendo sempre em conta as preocupações inerentes ao uso dos pesticidas, como por exemplo a dificuldade de biodegradação. O estudo centrou-se em torno de dois dos pesticidas mais utilizados em Portugal: MCPA e Bentazona. Estes herbicidas foram encapsulados individualmente na β-CD formando assim complexos, mais solúveis e eventualmente mais estáveis quimicamente garantindo uma redução dos efeitos dos pesticidas no meio ambiente. Este estudo foi dividido essencialmente em duas partes: a síntese e caracterização dos complexos pesticida-β-CD e posteriormente a avaliação da estabilidade química em solução aquosa e da solubilidade dos complexos formados. A utilização de diversas técnicas analíticas nomeadamente DSC, FTIR, Espectrofotometria de UV, HPLC e Electroquímica permitiram concluir que o pesticida MCPA encapsula pela acção da β-CD aquando do complexo formado em solução etanólica e numa proporção estequiométrica MCPA:β-CD de 1:2 respectivamente. Obteve-se para as várias soluções estudadas, todas elas com concentrações diferentes de β-CD, uma constante de estabilidade de 102,4. No caso da Bentazona, os resultados preliminares obtidos indiciam claramente a formação de um complexo com a β-CD para o complexo formado em solução etanólica.

Tratamiento químico y biológico de efluentes mineros cianurados a escala laboratorio

El cianuro es el compuesto químico empleado por excelencia para la lixiviación de oro en la industria minera. Sin embargo, es altamente tóxico para los organismos que se desarrollan alrededor de las industrias mineras, y para el medio ambiente. Con el fin de reducir los niveles de cianuro libre en efluentes provenientes de la minería, el trabajo se enfocó en determinar las condiciones óptimas para la degradación de cianuro empleando compuestos químicos y un consorcio microbiano. Los ensayos químicos y biológicos se realizaron por separado, utilizando muestras de efluentes provenientes de la minería a diferentes concentraciones de cianuro (280 y 10 mg/l CN-). Para la degradación química se utilizó tres oxidantes diferentes: hipoclorito de sodio, peróxido de hidrógeno y ácido de caro en diferentes concentraciones, pH (10-11) y tiempos de degradación (4,71 y 20,75 h). Para los ensayos de biodegradación se empleó un consorcio microbiano en matraces que contenían el efluente cianurado y medio líquido a pH (11), agitación (200 rpm) y temperatura (20±5°C). Se midió la concentración de cianuro libre, pH y la concentración de biomasa. Los resultados del tratamiento químico mostraron que el mejor compuesto oxidante fue el peróxido de hidrógeno (8:1 gH2O2/gCN-) a pH (10), obteniendo un 92,7% remoción de cianuro libre en 45 minutos (280 mg/l CN-) y un 91,0% de remoción en 25 minutos (10 mg/l CN-). Mientras que en la degradación biológica en matraces la remoción fue del 73,7% (280 mg/l CN-) en 384 h y de 78,6% (10 mg/l CN-) en 240 h.

Development of semicrystalline morphology of poly(L-lactic acid) during processing of a vascular scaffold

New and promising treatments for coronary heart disease are enabled by vascular scaffolds made of poly(L-lactic acid) (PLLA), as demonstrated by Abbott Vascular’s bioresorbable vascular scaffold. PLLA is a semicrystalline polymer whose degree of crystallinity and crystalline microstructure depend on the thermal and deformation history during processing. In turn, the semicrystalline morphology determines scaffold strength and biodegradation time. However, spatially-resolved information about the resulting material structure (crystallinity and crystal orientation) is needed to interpret in vivo observations.

The first manufacturing step of the scaffold is tube expansion in a process similar to injection blow molding. Spatial uniformity of the tube microstructure is essential for the consistent production and performance of the final scaffold. For implantation into the artery, solid-state deformation below the glass transition temperature is imposed on a laser-cut subassembly to crimp it into a small diameter. Regions of localized strain during crimping are implicated in deployment behavior.

To examine the semicrystalline microstructure development of the scaffold, we employed complementary techniques of scanning electron and polarized light microscopy, wide-angle X-ray scattering, and X-ray microdiffraction. These techniques enabled us to assess the microstructure at the micro and nano length scale. The results show that the expanded tube is very uniform in the azimuthal and axial directions and that radial variations are more pronounced. The crimping step dramatically changes the microstructure of the subassembly by imposing extreme elongation and compression. Spatial information on the degree and direction of chain orientation from X-ray microdiffraction data gives insight into the mechanism by which the PLLA dissipates the stresses during crimping, without fracture. Finally, analysis of the microstructure after deployment shows that it is inherited from the crimping step and contributes to the scaffold’s successful implantation in vivo.

Degradación bacteriana de cianuro y compuestos nitrogenados tóxicos

La ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcaligenes CECT5344 transcurre a través de un nitrilo formado por la reacción química del cianuro con el oxalacetato, siendo este último acumulado como consecuencia de la acción conjunta de una malato:quinona oxidoreductasa (MQO) y la oxidasa terminal resistente a cianuro (CioAB) (Luque-Almagro et al., 2011b). Los nitrilos pueden ser convertidos en amonio por la acción de una nitrilasa o un sistema nitrilo hidratasa/amidasa. Con el objetivo de elucidar la ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcalígenes CECT5344, se ha analizado el proteoma de este microorganismo en condiciones cianotróficas frente a nitrato como fuente de nitrógeno como control. En este estudio se identificaron proteínas relacionadas con la ruta de asimilación de cianuro en la estirpe CECT5344, que aparecían inducidas por cianuro, como NitB y NitG, cuyos genes se encuentran localizados en la agrupación génica nit1C. Además de NitB y NitG, de función desconocida, la agrupación génica nit1C codifica un regulador transcripcional del tipo Fis dependiente de σ54 (NitA), una nitrilasa (NitC), una proteína que pertenece a la superfamilia S-adenosilmetionina (NitD), un miembro de la superfamilia N-aciltransferasa (NitE), un polipéptido de la familia AIRS/GARS (NitF) y una oxidorreductasa dependiente de NADH (NitH). Un análisis transcripcional mediante RT-PCR determinó que los genes nitBCDEFGH se cotranscriben, mientras que el gen regulador nitA se transcribe de forma divergente. Además, resultados obtenidos por RT-PCR confirman que la expresión de los genes nitBCDEFGH está inducida por cianuro y reprimida por amonio. La relación entre el cianuro y el grupo de genes nit1C queda patente por el fenotipo de los mutantes deficientes nitA, nitB y nitC, incapaces de usar complejos cianuro-metálicos o 2-hidroxinitrilos como única fuente de nitrógeno. Todos estos datos indican que la nitrilasa NitC, junto con la proteína NitB, utilizan de forma específica determinados nitrilos alifáticos como sustrato, entre los que se encuentran el formado durante la asimilación de cianuro (Estepa et al., 2012). Además, entre las proteínas inducidas por cianuro se identificaron una dihidropicolinato sintasa (DapA), una fosfoserina transaminasa (SerC) y una proteína de función desconocida (Orf1), las tres codificadas por genes del operón cio, una cianasa (CynS), la proteína S6 de la subunidad ribosomal 30S (RpsF), una superóxido dismutasa (SodB), la ferritina (Dps), una oxidorreductasa (Fpr) y un factor de elongación P (EF-P). Una vez identificadas, estas proteínas se han analizado funcionalmente y se han localizado en el genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 los genes correspondientes, así como los genes adyacentes. La inducción de estas proteínas en condiciones cianotróficas sugiere que el metabolismo del cianuro incluye, además de la resistencia y asimilación de este tóxico, otros procesos biológicos relacionados con el metabolismo del cianato y de algunos aminoácidos, el estrés oxidativo y la homeostasis de hierro, entre otros. Por otra parte, el conocimiento en profundidad y la interpretación de la secuencia génica de P. pseudoalcaligenes CECT5344, así como el análisis comparativo frente a organismos no cianotrofos ha permitido entender algunos de los mecanismos implicados en la resistencia y asimilación de cianuro, lo que permitiría conducir a la posterior mejora del proceso de biodegradación de cianuro. Además, el estudio del genoma de la estirpe CECT5344 permitirá explorar la capacidad de este organismo para ser utilizado en procesos de biorremediación de residuos cianurados en los que se encuentran metales y otros tóxicos (Luque-Almagro et al., 2013; Wibberg et al., 2014). En este trabajo se muestran y discuten los resultados de la secuenciación del genoma de P. pseudoalcaligenes, así como el estudio del análisis filogenético y evolutivo de la cepa, estableciéndose de esta manera relaciones con otras especies en base a los genomas secuenciados de las mismas, entre las que destaca P. mendocina ymp relacionada con P. pseudoalcaligenes CECT5344. El estudio de las características del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 ha sido completado con un análisis comparativo frente a los genomas de otras especies de Pseudomonas, encontrándose así semejanzas y diferencias en cuanto a la distribución génica funcional. Por último, se muestra un análisis del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 en relación con los genes implicados probablemente en los procesos de asimilación de cianuro y residuos cianurados, tales como los codificantes de nitrilasas y aquellos implicados en la resistencia a cianuro como los constituyentes del operón cio que codifican la oxidasa terminal insensible a cianuro. Finalmente, se discute la presencia de genes implicados posiblemente en otros procesos con una alto potencial biotecnológico, tales como la producción de bioplásticos y la biodegradación de diversos contaminantes.