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Bacterial diversity from environmental sample applied to bio-hydrogen production

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Diversidade bacteriana de amostras ambientais aplicada à produção de bio-hidrogênio


ABSTRACT

Environmental from tropical climate countries as sediments in standing waters are complex habitats which are able to provide favorable living conditions for manifold microbial species. The aim of this study was to evaluate the diversity of the anaerobic bacteria present in the sediment of the reservoir and its application in biological production of hydrogen gas. The anaerobic batch reactors showed a xylose consumption of 63.5% at 72 h of operation with yield of H2 production of 0.3 (mol H2/mol xylose) at 37 C, pH 5.5. Molecular biology techniques used for genomic DNA extraction, cloning, sequencing and phylogenetic analyses of the sediment sampling revealed clones similar to the phyla Proteobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Deferribacteres, Fusobacteria, Cyanobacteria and uncultured bacteria. The analysis of DGGE revealed changes in microbial populations from the sediment and the anaerobic consortia of bacteria from the reactors fed with xylose. Anaerobic bacteria coming from the sediment, mainly rods forming endospores from Phylum Firmicutes were favored by the experimental conditions imposed and they were probably involved in the biologic process of the H2 production.

Keywords: Road ecology, Landscape dynamics, Forest fragmentation, Deforestation, Forest regrowth, Brazil

RESUMO

Os sedimentos em águas paradas de países com clima tropical são habitats complexos que oferecem condições de vida favoráveis ​​para diversas espécies microbianas. O objetivo deste estudo foi avaliar a diversidade de bactérias anaeróbias presentes no sedimento do reservatório e sua aplicação na produção biológica de hidrogênio . Os reatores anaeróbios em batelada apresentaram um consumo de xilose de 63,5% após 72 horas de operação, com um rendimento de produção de H₂ de 0,3 (mol H₂ / mol xilose) a 37 °C e pH 5,5. As técnicas de biologia molecular utilizadas para extração de DNA genômico , clonagem, sequenciamento e análises filogenéticas das amostras de sedimento revelaram clones semelhantes aos filos Proteobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Deferribacteres, Fusobacteria, Cyanobacteria e bactérias não cultivadas. A análise por DGGE revelou alterações nas populações microbianas do sedimento e nos consórcios anaeróbios de bactérias dos reatores alimentados com xilose . As bactérias anaeróbias provenientes do sedimento, principalmente bastonetes formadores de endósporos do filo Firmicutes, foram favorecidas pelas condições experimentais impostas e provavelmente estiveram envolvidas no processo biológico de produção de H₂.

Palavras-chave: Ecologia de estradas, Dinâmica da paisagem, Fragmentação florestal, Desmatamento, Regeneração florestal, Brasil

Introdução

A busca por biotecnologia para obtenção da produção de hidrogênio a partir de efluentes industriais pode ser vantajosa como alternativa energética. O gás hidrogênio gerado no tratamento de efluentes por processos biológicos pode ser utilizado como fonte alternativa de energia e o desenvolvimento de processos comerciais para obtenção da produção de hidrogênio, explorando a capacidade dos microrganismos com práticas biotecnológicas modernas [1], [2]. Dessa forma, o conhecimento sobre os microrganismos produtores de hidrogênio é fundamental para o desenvolvimento de fontes alternativas e mais limpas de produção de energia.Reservatórios e lagos de água doce são ambientes naturais com condições propícias à sobrevivência de uma ampla variedade de microrganismos, como bactérias aeróbicas e anaeróbicas. Os sedimentos são o principal componente de um ecossistema de água doce, com inúmeras interações complexas com o corpo d’água. Os microrganismos que vivem nos sedimentos provavelmente desempenham um papel fundamental na transformação da matéria orgânica no ciclo de nutrientes e são influenciados pela composição química do ambiente circundante, além de influenciarem a composição química [3]. Esses microrganismos podem consumir diferentes fontes de carbono, como açúcares, que também podem ser utilizados para a produção de hidrogênio.Várias fontes de inóculo (solo natural, lodo de digestão anaeróbica, estações de tratamento de águas residuais, aterro doméstico e outras) foram testadas e suas eficiências biológicas de produção de hidrogênio foram confirmadas. No entanto, esses inóculos são obtidos predominantemente de países com clima temperado. Existem apenas alguns estudos com produção de hidrogênio usando inóculo de países tropicais, como o Brasil [4], onde as temperaturas do meio estão em torno de 25 °C e são ideais para o crescimento bacteriano. Além disso, existem alguns estudos com culturas puras que foram isoladas de sedimentos, mas em altas concentrações de substratos. Khamtib et al. (2012) [5], obtiveram bioprodução de H 2 com Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum KKU19 isolado de sedimento de fonte termal com xilose (10 g/L), pH inicial de 6,50, a 60 °C. Junghare et al. (2012) [6] isolaram Clostridium butyricum TM-9A de um sedimento estuarino e demonstraram capacidade de bioprodução de H2 com glicose (10 g/L) a 37 °C e pH inicial de 8,0. Não há estudos com culturas de misturas em climas tropicais. Nesse sentido, a investigação de consórcios de bactérias produtoras de hidrogênio a partir dos sedimentos é necessária para o aprimoramento da aplicação dessas amostras ambientais na bioprodução de H2 .Os processos biológicos são catalisados ​​por microrganismos em ambientes aquosos à temperatura ambiente [7]. Esses processos são geralmente realizados por diferentes bactérias anaeróbicas. As características desses microrganismos diferem entre si em relação às condições ambientais e ao processo metabólico para o consumo do substrato. O tipo de cultura microbiana, a composição do substrato, a composição do meio e a temperatura também são parâmetros importantes que afetam a bioprodução de hidrogênio. Além disso, a configuração do reator e as concentrações de metais pesados ​​podem afetar a produção de biohidrogênio [8].Diferentes microrganismos participam dos sistemas biológicos de geração de hidrogênio, como algas verdes, cianobactérias (ou algas verde-azuladas), bactérias fotossintéticas e bactérias fermentativas [2]. O filo Firmicutes , principalmente Bacillus sp. e Clostridium sp., são muito eficazes para geração de hidrogênio [4]. As bactérias pertencentes ao gênero Clostridium são anaeróbias obrigatórias e organismos formadores de esporos. As classes Clostridia e Bacilli produzem gás hidrogênio durante a fase de crescimento exponencial no crescimento em lote. A cultura dominante dessas bactérias pode ser facilmente obtida por tratamento térmico de lodo biológico [9]. Os esporos formados em altas temperaturas podem ser ativados quando as condições ambientais necessárias são fornecidas para a produção de gás hidrogênio [10].A produção fermentativa de hidrogênio a partir de hexose, glicose e sacarose é bem estudada [11], [12], [13], [14], [15]. Em contraste, a produção fermentativa de hidrogênio de xilose (ou seja, pentose) é menos estudada [14], [16], [17]. Vários autores [16], [18], [19] obtiveram altos rendimentos de produção biológica de hidrogênio a partir de xilose, embora tais testes tenham sido realizados com altas concentrações (10–20 g de xilose/L) com adições de meios ricos em nutrientes (extrato de levedura, peptona, entre outros).Muitos organismos anaeróbicos podem produzir hidrogênio a partir de resíduos orgânicos contendo carboidratos, como glicose, sacarose e xilose [4]. Diversos compostos, como glicose, isômeros de hexose e polímeros como amido ou celulose, produzem diferentes rendimentos de hidrogênio por mol de substrato orgânico, dependendo da via fermentativa e dos produtos finais formados. Diversas águas residuais da agricultura, processamento de madeira e indústria de papel podem conter xilose [14], [16]. Resíduos contendo compostos simples, como açúcar, são facilmente degradáveis, exigindo baixo tempo de retenção hidráulica, enquanto resíduos complexos, por exemplo, compostos orgânicos clorados, são lentamente degradáveis ​​e necessitam de maior tempo de retenção hidráulica para seu metabolismo [8].A xilose é um açúcar comum e abundante obtido da hidrólise de materiais lignocelulósicos, em particular hemiceluloses [20]. Os principais componentes do hidrolisado lignocelulósico incluem hexose (glicose) e pentose (xilose e traços de arabinose) [19]. Os materiais celulósicos de lignina podem conter 35–45% de xilose em sua composição [14]. Glicose e sacarose são excelentes substratos para a produção fermentativa de hidrogênio e têm sido bem estudados usando culturas puras e consórcios de bactérias anaeróbicas como produtoras de hidrogênio. No entanto, as informações sobre bactérias anaeróbicas para a conversão de xilose em hidrogênio são limitadas [21].As equações (1), (2) mostram a degradação da xilose e a geração de hidrogênio para formar dois produtos finais [4]: ​​(1) consumo de xilose e geração de ácido acético e (2) ácido butírico: C 5 H 10 O 5  + 3H 2 O → CH 3 COOH + 3CO 2  + 6H 2 C 5 H 10 O 5  + 2H 2 O → ½CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 3CO 2  + 5H 2Além disso, no Brasil há uma grande variedade de efluentes industriais contendo xilose, como os da indústria de papel e materiais celulósicos de lignina, em concentrações próximas a 2 g/L. A fermentação microbiana da xilose derivada desses resíduos é bastante promissora para combinar produção de energia alternativa e redução de resíduos.Nesse sentido, o objetivo deste estudo foi investigar a composição do consórcio microbiano a partir de amostras ambientais, como sedimento de um reservatório e sua aplicação na produção biológica de hidrogênio a partir de açúcares como a xilose em concentrações próximas aos efluentes industriais.

Trechos de seção

Amostra ambiental

A amostra ambiental foi o sedimento coletado do reservatório de Itupararanga, localizado no estado de São Paulo, sudeste do Brasil (23°36°42 S e 47°23°48 W). A capacidade de armazenamento do reservatório é de 286 milhões de m³ , e o tempo médio de residência teórico varia entre 4 e 13 meses, dependendo da distribuição e da intensidade das chuvas. A água do reservatório é utilizada para a geração de energia hidrelétrica (vazão de aproximadamente 16 m³ / s e capacidade instalada de 55 MW) para o abastecimento de Operação dos reatores em batelada

O crescimento máximo de biomassa foi observado após 66 h de operação (0,13 ABS). A geração máxima de H2 ocorreu após 74 h de operação (2200,5 μmol/L), conforme Figura 1.O rendimento de hidrogênio observado na operação de 54 h foi de 0,3 mol H2 / mol xilose (Tabela 3). Selembo et al. (2009) [36] obtiveram rendimento de hidrogênio menor que neste trabalho (0,28 mol-H2 / mol-glicerol) com reatores anaeróbios alimentados com glicerol (3,0 g/L), pH 6,2, a 30 °C e inóculo obtido de uma amostra ambiental (solo de tomateiro – Penn

Conclusões

A amostra ambiental, como o sedimento de um reservatório, apresentou alta diversidade bacteriana. Os microrganismos do local de coleta foram identificados como pertencentes aos filos Proteobacteria, Firmicutes, Chloroflexi, Actinobacteria, Cyanobacteria, Fusobacteria, Deferribacteres e bactérias não cultivadas.Não houve produção de metano nos reatores anaeróbios, comprovando a eficiência do tratamento térmico do inóculo e da imposição de pH inicial de 5,5.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP – Proc 2009/14371-5 ) e do Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq) .

Referências (68)

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