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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-04052020-172133
Documento
Autor
Nome completo
Rodrigo Braz Carneiro
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2019
Orientador
Banca examinadora
Zaiat, Marcelo (Presidente)
Fadini, Pedro Sérgio
Gomes, Paulo Clairmont Feitosa de Lima
Ribeiro, Rogers
Tonetti, Adriano Luiz
Título em português
Avaliação do desempenho de biorreatores anaeróbios de leito fixo ordenado e empacotado para remoção dos antibióticos sulfametoxazol e ciprofloxacina
Palavras-chave em português
Biodegradação
Cinética
Impactos ecotoxicológicos
Produção de metano
Produtos de transformação
Sorção
Resumo em português
A biodegradação de antibióticos nos sistemas usuais de tratamento biológico de esgotos domésticos geralmente não é satisfatória e sua presença nas águas residuárias e de abastecimento se agrava pelo fato de esses micropoluentes emergentes promoverem o desenvolvimento e espalhamento de genes de resistência no ambiente. Diante deste contexto, este estudo buscou avaliar a remoção dos antibióticos sulfametoxazol (SMX) e ciprofloxacina (CIP), em duas configurações de reatores anaeróbios de leito fixo - ordenado (RALFO) e empacotado (RALFE). Os reatores atingiram ótimo desempenho na remoção de DQO (93 ± 2 %), SMX (93 ± 4 %) e CIP (85 ± 10 %), aplicando esgoto lab-made e tempo de detenção hidráulica (TDH) de 12 h. O RALFO mostrou maior potencial de aplicação em termos operacionais e econômicos, uma vez que apresentou menor quantidade de material suporte e performance equivalente ou superior comparado ao RALFE. A redução do TDH para 4 h levou a diminuição da eficiência de remoção de DQO (79 ± 6 % no RALFE e 88 ± 5 % no RALFO), SMX (69 ± 7 % no RALFE e 81 ± 7 % no RALFO) e CIP (66 ± 8 % no RALFE e 64 ± 8 % no RALFO), possivelmente devido à diminuição do tempo de contato substrato-biomassa no biofilme. A aplicação de esgoto doméstico como substrato de alimentação dos reatores em TDH de 12 h levou a uma queda da eficiência do sistema - DQO (80 ± 7 %), SMX (77 ± 9 % no RALFE e 73 ± 13 % no RALFO), e CIP (67 ± 19 % no RALFE e 72 ± 14 % no RALFO), devido à alteração da comunidade microbiana no leito dos reatores, com a redução na população de arqueias metanogênicas, sobretudo hidrogenotróficas, e de bactérias dos gêneros Clostridium e Bacillus, associadas à biodegradação dos antibióticos. A diminuição do TDH não impactou na constante cinética de decaimento dos compostos, porém a concentração residual resultante foi maior. Com esgoto doméstico, as constantes cinéticas de remoção foram reduzidas, o que denota a diminuição da capacidade de biodegradação dos fármacos. A remoção de SMX e CIP foi praticamente devida a biotransformação, sendo que para a CIP a remoção foi influenciada pelo mecanismo de sorção na biomassa, dada pelo alto logKD obtido (2,6 a 2,8 L kg-1SS). O efluente produzido nos reatores não apresentou potencial ecotoxicológico agudo e crônico sobre Chironomus sancticaroli, nem atividade antimicrobiana sobre os microrganismos Ochrobactrum sp., Brevundimonas sp., Sphingomonas sp. e Escherichia coli. A análise das estruturas moleculares dos produtos de transformação identificados revelou que estes mantiveram a estrutura da quinolona e da sulfonamida intacta, podendo apresentar bioatividade residual. A avaliação da biodegradação de SMX e outros micropoluentes orgânicos em condição acidogênica mostraram que as diferentes etapas da digestão anaeróbia podem atuar de forma distinta sobre a biotransformação dos compostos, devido a mecanismos enzimáticos e microrganismos específicos de cada etapa. Os resultados alcançados neste estudo evidenciam o potencial de reatores anaeróbios de leito fixo na remoção de compostos farmacêuticos presentes no esgoto, notadamente os antibióticos sulfonamidas e fluoroquinolonas, constituindo uma barreira primária na dispersão desses micropoluentes no ambiente.
Título em inglês
Performance evaluation of anaerobic structured and packed bed bioreactors for sulfamethoxazole and ciprofloxacin antibiotics removal
Palavras-chave em inglês
Biodegradation
Ecotoxicological impacts
Kinetics
Methane production
Sorption
Transformation products
Resumo em inglês
The biodegradation of antibiotics in usual biological sewage treatment plants is generally not satisfactory and their presence in wastewater and water supply is aggravated by the fact that these emerging micropollutants promote the development and spread of resistance genes in the environment. In this context, this study aimed to evaluate the removal of sulfamethoxazole (SMX) and ciprofloxacin (CIP) antibiotics in two configurations of anaerobic fixed bed reactors -structured (ASBR) and packed (APBR). The reactors achieved high performance in the removal of COD (93 ± 2 %), SMX (93 ± 4 %) and CIP (85 ± 10 %), applying lab-made sewage and hydraulic retention time (HRT) of 12 h. ASBR showed greater potential of application in operational and economic terms, since it presented smaller amount of support material and equivalent or higher performance compared to APBR. The HRT reduction to 4 h led to a decrease in the removal efficiency of COD (79 ± 6 % in APBR; 88 ± 5 % in ASBR), SMX (69 ± 7 % in APBR; 81 ± 7 % in ASBR) and CIP (66 ± 8 % in APBR; 64 ± 8 % in ASBR), likely due to the smaller time of substrate-biomass contact in the biofilm. The application of domestic sewage as a feed substrate for the reactors in HRT of 12 h led to a decrease in the system performance – COD (80 ± 7 %), SMX (77 ± 9 % in APBR; 73 ± 13 % in ASBR), and CIP (67 ± 19 % in APBR; 72 ± 14 % in ASBR), due to the alteration of the microbial community in the reactors bed, since it was observed a drastic reduction in the population of methanogenic archaea, mainly hydrogenotrophic, and of bacteria of the genus Clostridium and Bacillus, associated to the antibiotics biodegradation. The HRT decrease did not affect the apparent removal kinetic constant of the compounds but resulted in higher effluent residual concentration. Applying domestic sewage, the removal kinetic constants were reduced, indicating the decrease of the pharmaceutical's biodegradation capacity. The SMX and CIP elimination was practically due to biotransformation, but CIP removal was influenced by the sorption mechanism onto the biomass, since a high logKD (2.6 to 2.8 L kg-1SS) was obtained. The effluent from the reactors neither presented an acute and chronic ecotoxicological potential on Chironomus sancticaroli nor antimicrobial activity on the microorganisms Ochrobactrum sp., Brevundimonas sp., Sphingomonas sp. and Escherichia coli. The analysis of the molecular structures of the identified transformation products revealed that they maintained the structure of quinolone and sulfonamide intact and could present residual bioactivity. The evaluation of the SMX and other organic micropollutants biodegradation during acidogenesis showed that each stage of anaerobic digestion can act differently on the biotransformation of the compounds due to enzymatic mechanisms and specific microorganisms of each stage. The results obtained in this study proved the potential of fixed bed anaerobic bioreactors in the removal of pharmaceutical compounds present in sewage, especially the sulfonamides and fluoroquinolones antibiotics, and represent a primary barrier to the dispersion of these micropollutants into the environment.
 
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Data de Publicação
2020-05-12
 
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