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Thesis BIOELECTROCHEMICAL SYSTEMS TO INVESTIGATE THE EXOELECTROGENIC ACTIVITY OF HYDROCARBON- DEGRADING BACTERIA(2017) ESPINOZA TOFALOS, ANNA SPERANZA; SEEGER PFEIFFER, MICHAEL (Profesor Guía); FRANZETTI, ANDREA (Profesora Correferente); Universidad Técnica Federico Santa María. Departamento de QuímicaBioelectrochemistry and, more specifically, microbial electrochemistry, are technologies based on the connection between microbes (named as exoelectrogens or, focusing only on bacteria, electrochemically active bacteria) and electrodes. The exchange of electrons to and from the electrode has been studied primarily in mixed cultures but also with pure strains, mostly using model species such as Geobacter and Shewanella; however, more efforts are needed to elucidate the interaction between microbes and electrode and to find new interesting niches of application for these microorganisms. A field of application is bioelectrochemical remediation, an effective strategy in environments where the absence of suitable electron acceptors limits classic bioremediation, and in which bioelectrochemical systems are used for the removal of pollutants from environmental matrices. Bioelectrochemical remediation of hydrocarbons with pure strains and microbial communities has been reported; however, only few exoelectrogenic hydrocarbonoclastic bacteria have been characterized, so far. The degradative potential of several hydrocarbon-degrading strains has been extensively studied, in terms of pollutants removal and mechanism of contaminant mineralization, but not much is known about their exoelectrogenic capacity and possible application for bioelectrochemical remediation. Bioelectrochemistry and its application for bioremediation purposes, has primarily focused on testing the hydrocarbonoclastic capacities of already known exoelectrogenic strains. In this study we took a different approach, and we aimed at studying the exoelectrogenic activity of three strains that showed great potential for bioremediation applications: Cupriavidus metallidurans CH34, and Pseudomonas sp. strains DN34 and DN36. C. metallidurans CH34 is a model metal-resistant strain, whose hydrocarbonoclastic capacities have recently been individuated, and Pseudomonas sp. strains DN34 and DN36 that are two hydrocarbon-degrading strains isolated from an oil-polluted site in central Chile. By analyzing current production, bacterial growth and substrate consumption in bioelectrochemical systems (BES), we determined that the three strains possess exoelectrogenic activity. Moreover, C. metallidurans CH34 showed the most promising results with a non-recalcitrant substrate and was selected to assess bioremediation experiments with toluene as model hydrocarbon. We demonstrated for the first time that strain CH34 is able to degrade toluene under denitrifying conditions. Further experiments in Microbial Fuel Cells (MFC) linked toluene degradation to current production by strain CH34, showing current peaks after toluene respike (maximum current density 0.24 mA/m2). Moreover, a Microbial Electrolysis Cell (MEC) was operated by applying an external voltage (800 mV) between anode and cathode to stimulate microbial metabolism of strain CH34 and to observe the behavior of the strain in terms of toluene removal and current generation. Current outputs increased by two orders of magnitude in comparison with MFC (up to 47 mA/m2), and coulombic efficiency raised up to 77%, demonstrating that the bacterial cells adjusted progressively to the system conditions and that electrochemical losses were, at least partially, overcome. In order to evaluate the effect of an electron carrier on current production, Neutral Red (NR) was selected as external transporter and amended in a MEC containing toluene and inoculated with strain CH34, but no relevant effect was observed on current production nor coulombic efficiency. Hence, we concluded that NR had no influence on current generation in our system and that a mediated mechanism with this electron carrier is not probable. The mechanism of extracellular electron transport (EET) is a key feature in BESs and the efficiency of the microorganism to exchange electrons with an electrode and to connect the EET to the cellular carbon metabolism, significantly influences the overall process performance. We demonstrated that the first step of the denitrification pathway is activated by nitrate reductases when NO3- was the only electron acceptor, but we also aimed at studying whether the pathway of denitrification is still active in absence of nitrate, if a solid the anode is potentiostetically-polarized at the same redox potential of nitrate reductase. Our results indicate that nitrate reductase is not involved in the transport of electrons in BES and that strain CH34 follows a different pathway of electron transport to the anode. However, current production and cells viability demonstrated that strain CH34 was actively performing oxidative phosphorylation, thus that, in a mechanism that has not been elucidated yet, an extracellular electron transfer takes place, either in a direct or indirect way.Thesis DESARROLLO DEL PROCESO ANAMMOX PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DEL NITRÓGENO: ENRIQUECIMIENTO DE BIOMASAS ANAMMOX CON ALTA CARGA DE COMPUESTOS NITROGENADOS EN UN REACTOR DISCONTINUO USANDO ZEOLITA COMO SOPORTE MICROBIANO(Universidad Técnica Federico Santa María, 2012) ESPINOZA TOFALOS, ANNA SPERANZA; GUERRERO SALDES, LORNA ELENA; Universidad Técnica Federico Santa María UTFSM. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental; HANSEN KIRSTEN, KNUD HENRIKEl nitrógeno es un nutriente básico para los seres vivos, sin embargo si se encuentra en exceso en las aguas, puede causar serios problemas ligados con la eutrofización entre otros. La eliminación biológica de nitrógeno amoniacal, que es la forma más daina de nitrógeno, convencionalmente se ha llevado a cabo a través del proceso de nitrificación-desnitrificación. En este estudio se propone como alternativa al proceso convencional, el proceso anammox (acrónimo en inglés de Anaerobic Ammonium Oxidation). El proceso anammox es un proceso autotrófico en que el ion amonio y nitrito se convierten a nitrógeno atmosférico en condiciones anaerobias. Este proceso tiene ventajas económicas con respecto al proceso convencional, ya que no incluye consumo de oxígeno, tampoco de materia orgánica y no requiere de un tratamiento de lodos dado que el tiempo de duplicación de las bacterias anammox es de 11 días lo que implica un crecimiento bacteriano muy lento. Además el proceso anammox tiene una ventaja de índole ambiental con respecto al proceso convencional, dado que uno de los productos de la desnitrificación heterótrofa es CO2, conocido gas efecto invernadero. Esta investigación empezó inoculando lodo aerobio de procedencia industrial en el que se suponía la presencia de bacterias anammox y enriqueciéndolo en este tipo de biomasa. Durante el trabajo experimental, se siguió enriqueciendo el lodo en dos reactores con las mismas características (temperatura, pH, Velocidad de Carga Nitrogenada etc.); la única diferencia es que a un reactor se aadió zeolita como soporte microbiano mientras que en el otro la biomasa permaneció en suspensión. A través de la alimentación con agua residual sintética, se logró activar la biomasa anammox e inhibir las bacterias que participan en el proceso convencional de eliminación de nitrógeno. Esto se comprobó debido a que la biomasa adquirió el característico color rojizo de las bacterias anammox y también gracias a los resultados obtenidos de actividad específica. Los objetivos fueron realizar la puesta en marcha de dos reactores SBR anaerobios (uno con zeolita y otro sin zeolita), usando biomasa anammox parcialmente enriquecida y seguir enriqueciendo el lodo en dos etapas: con baja carga de N (VCN: 0,02-0,025 [gN/L/día]) y con alta carga de N (VCN: 0,04-0,159 [gN/L/día]). A partir de los resultados obtenidos se concluye que el experimento ha logrado satisfacer los objetivos propuestos dado que se observa crecimiento de biomasa, un porcentaje de remoción de ion amonio sobre el 80% en el reactor con zeolita y sobre un 74% en el reactor sin zeolita. Se comprueba que las condiciones de operación fueron adecuadas, y que el lodo se enriqueció en biomasa anammox gracias a los resultados de actividad específica anammox que arrojaron un valor máximo de 0,30 [g N/g SSV/día], resultado acorde con la literatura. La presencia de zeolita también fue un factor importante ya que el reactor con zeolita, en general, arrojó mejores resultados en cuanto a crecimiento bacteriano y remoción de compuestos nitrogenados, en especial ion amonio. Una vez que la biomasa pasara el periodo de adaptación a las condiciones de operación, respondió positivamente ante el aumento en cuanto a concentración de los compuestos nitrogenados, llegando a una alimentación conteniente 233 [mg N-NH4+/L].
