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Publicação
Evaluation and optimization of bioprocesses for CO2 capture and biomass valorization into value-added products by green non-sulfur bacteria: Chloroflexus aurantiacus
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
In recent years, human activities have significantly impacted the environment through plastic
pollution, CO2 emissions that contribute to global warming, and the release of toxic compounds linked
to the synthetic pigment industry. Consequently, there is a need to implement sustainable technologies
to mitigate these problems. One promising solution lies in the utilization of photosynthetic microorgan-
isms. This thesis focuses on developing a photosynthetic sustainable bioprocess to simultaneously cap-
ture CO2, a crucial greenhouse gas, and remove sulfide while yielding value-added products like the
biodegradable plastic polyhydroxyalkanoate (PHA) and natural pigments (carotenoids and bacteriochlo-
rophylls a and c). This bioprocess explores the CO2 fixation by the green non-sulfur bacteria C. auranti-
acus which has the unique capability of assimilating CO2 using routes alternative to the Calvin-Benson-
Bassam cycle, increasing the potential PHA storage. Four different C. aurantiacus strains were tested
under different pH (7, 8, 9), temperature (30ºC, 50ºC), and sulfide concentration (3, 5, 10, 20 mg S L-
1), either in autotrophic or heterotrophic conditions. The results obtained show that the best growth, PHA
production, and pigment production occurred in heterotrophic conditions, at 50ºC, under 1.7 W L-1 of
continuous illumination. Nonetheless, biomass yield calculations show that there was CO2 fixation in
autotrophic conditions, despite a slower growth in comparison with heterotrophic conditions. Future
tests involving higher sulfide concentration and yeast extract supplementation might allow for increased
CO2 fixation and autotrophic growth. PHA production was highest for strain C. aurantiacus 244-3
(DSM 638) at pH 8, amounting to a PHA content of 4.3 % gPHA/gVSS. Pigment production was highest
for strain C. aurantiacus J-10-fl (DSM 635) at pH 7, amounting to a total carotenoid content of 0.94 %
of the cell dry weight (cdw) and a bacteriochlorophyll content of 1.05 % of the cdw. Sulfide removal
was high, amounting to more than 90 % in all conditions.
Recentemente, as atividades humanas têm impactado negativamente o planeta através da poluição plástica, emissões de CO2, contribuindo para o aquecimento global e a libertação de compostos tóxicos associados à produção de pigmentos sintéticos. Consequentemente, surge a necessidade de implementar tecnologias sustentáveis para mitigar estes problemas. Uma solução promissora é a utilização de microrganismos fotossintéticos. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um bioprocesso fotossintético que simultaneamente captura CO2, o principal gás com efeito de estufa e remove sulfureto, enquanto são produzidos produtos de valor acrescentado como plásticos biodegradáveis (polyhydroxyalkanoatos ou PHA) e pigmentos naturais (carotenoides e bacteriochlorofila). Este bioprocesso explora a fixação de CO2 pela bactéria verde não sulfurosa C. aurantiacus, que possui a capacidade única de fixar CO2 utilizando vias alternativas ao ciclo de Calvin-Benson-Bassam, aumentando o armazenamento de PHA. Quatro estirpes diferentes de C. aurantiacus foram testadas em diferentes pH (7, 8, 9), temperatura (30, 50 ºC) e concentração de sulfureto (3, 5, 10, 20 mg S L-1), em condições autotróficas e heterotróficas. Os resultados obtidos mostram que o melhor crescimento, produção de PHA e pigmentos, ocorreu em condições heterotróficas. Contudo, os coeficientes de rendimento calculados mostram que existiu fixação de CO2 em condições autotróficas ainda que com crescimento mais lento. Testes envolvendo maiores concentrações de sulfureto e extrato de levedura poderão permitir uma maior fixação de CO2 e crescimento autotrófico. A maior produção de PHA foi para a estirpe C. aurantiacus 244-3 (DSM 638) a pH 8, com 4.3 % de PHA dos VSS. A maior produção de pigmentos foi para a estirpe C. aurantiacus J-10-fl (DSM 635) a pH 7, com 0.94 % de carotenoides totais por peso seco e 1.05 % de bacterioclorofila por peso seco. A remoção de sulfureto foi elevada, sendo maior que 90 % em todas as condições.
Recentemente, as atividades humanas têm impactado negativamente o planeta através da poluição plástica, emissões de CO2, contribuindo para o aquecimento global e a libertação de compostos tóxicos associados à produção de pigmentos sintéticos. Consequentemente, surge a necessidade de implementar tecnologias sustentáveis para mitigar estes problemas. Uma solução promissora é a utilização de microrganismos fotossintéticos. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um bioprocesso fotossintético que simultaneamente captura CO2, o principal gás com efeito de estufa e remove sulfureto, enquanto são produzidos produtos de valor acrescentado como plásticos biodegradáveis (polyhydroxyalkanoatos ou PHA) e pigmentos naturais (carotenoides e bacteriochlorofila). Este bioprocesso explora a fixação de CO2 pela bactéria verde não sulfurosa C. aurantiacus, que possui a capacidade única de fixar CO2 utilizando vias alternativas ao ciclo de Calvin-Benson-Bassam, aumentando o armazenamento de PHA. Quatro estirpes diferentes de C. aurantiacus foram testadas em diferentes pH (7, 8, 9), temperatura (30, 50 ºC) e concentração de sulfureto (3, 5, 10, 20 mg S L-1), em condições autotróficas e heterotróficas. Os resultados obtidos mostram que o melhor crescimento, produção de PHA e pigmentos, ocorreu em condições heterotróficas. Contudo, os coeficientes de rendimento calculados mostram que existiu fixação de CO2 em condições autotróficas ainda que com crescimento mais lento. Testes envolvendo maiores concentrações de sulfureto e extrato de levedura poderão permitir uma maior fixação de CO2 e crescimento autotrófico. A maior produção de PHA foi para a estirpe C. aurantiacus 244-3 (DSM 638) a pH 8, com 4.3 % de PHA dos VSS. A maior produção de pigmentos foi para a estirpe C. aurantiacus J-10-fl (DSM 635) a pH 7, com 0.94 % de carotenoides totais por peso seco e 1.05 % de bacterioclorofila por peso seco. A remoção de sulfureto foi elevada, sendo maior que 90 % em todas as condições.
Descrição
Palavras-chave
Green non-sulfur bacteria Chloroflexus aurantiacus CO2 Capture Photosynthetic Pigments Polyhydroxyalkanoates sulfide removal