Degradação anaeróbia do micropoluente tetrabromobisfenol A (TBBPA): da engenharia à meta-ômica

Autor: Williane Vieira Macêdo
Přispěvatelé: Marcelo Zaiat, Sérgio Francisco de Aquino, Pedro Sérgio Fadini, Valeria Maia Merzel, Francisco Omil Prieto
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
Popis: The presence of organic micropollutants (OMPs) in aquatic ecosystems is usually associated with the disposal of industrial and municipal effluents from wastewater treatment plants in water bodies. Tetrabromobisphenol A (TBBPA) is a brominated flame retardant applied to plastics, coatings, building materials, and electronics, and poses a serious threat to the human health and to aquatic ecosystems due to its endocrine disruptor, immunotoxic, and neurotoxic effects. The optimization of anaerobic biosystems for the degradation of micropollutants and the microbiome involved in the process remains little explored. In this doctoral thesis, a series of experiments have been conducted to extend the knowledge on some of the gaps related to the biodegradation of TBBPA. Firstly, an accurate and sensitive liquidliquid microextraction technique followed by high performance liquid chromatography separation coupled with electrospray ionization tandem mass spectrometry detection (HPLC-ESI-MS/MS) method to determine the presence of TBBPA in complex environmental matrices is proposed. In sequence, by combining a series of degradation and multiomics experiments, we were able to identify the microorganisms actively degrading tetrabromobisphenol A (TBBPA) at environmentally relevant concentrations in anaerobic settings and their putative functional expression in long-term exposure to the pollutant. The results from a total of four anaerobic continuous bioreactors suggested the specific stage of the anaerobic digestion in which the degradation of TBBPA takes place, the relevance of the adsorption of the pollutant onto the biomass, the degradation kinetics, and the microbiome profile throughout the operational period by amplicon sequencing of the 16SrRNA gene. Additionally, the biomass from the best-performance bioreactor was applied in labelled metaproteomics (protein stable isotope probing, protein-SIP) and metagenomics experiments. By linking metagenomic, predicted functional, and metaproteomic data, the microorganisms involved in the degradation of the micropollutant were identified. From metagenome-assembled genomes (MAGs) containing coding sequences for the labelled peptides, predicted proteomes were generated and the putative metabolic pathways were described. Proteins involved in the hydrolytic cleavage of carbon-halogen bonds, benzoate degradation, transport of aromatic compounds, and resistance to xenobiotics were identified. These findings are in agreement with the initial predictions based on the correlation of the bioreactor\'s performance and the temporal characterization of the microbiome, the metabolic routes undergoing acidogenic biosystems, and the detection of total phenols as one of the possible degradation products. A presença de micropoluentes em ambientes aquáticos está geralmente relacionada ao lançamento de efluentes de estações de tratamento de esgoto doméstico, industrial e hospitalar em corpos hídricos. O Tetrabromobisfenol A (TBBPA) é um retardante de chama bromado aplicado em plásticos, revestimentos, materiais de construção, e produtos eletrônicos que apresenta risco potencial para a saúde humana e para o meio ambiente por ser um interferente endócrino, imunotóxico e neurotóxico. A otimização de sistemas anaeróbios para a degradação de micropoluentes e o microbioma envolvido neste processo permanece ainda pouco explorado. Nesta tese de doutorado, uma série de experimentos foram realizados para ampliar o conhecimento sobre algumas das lacunas relacionadas à biodegradação do TBBPA. Inicialmente, este trabalho propõe uma técnica de microextração líquido-líquido de alta precisão e sensibilidade, seguida por separação por cromatografia líquida de alto desempenho acoplada ao método de ionização por electrospray e detecção de espectrometria de massa em tandem (HPLC-ESI-MS/MS), para quantificar a presença de TBBPA em matrizes ambientais complexas. Em sequência, através da associação de uma série de experimentos de degradação e multiômica, fomos capazes de identificar os microrganismos que participam ativamente da degradação do TBBPA em concentrações ambientalmente relevantes e sua possível expressão funcional quando expostos a longo prazo ao poluente. Os resultados provenientes de quatro biorreatores anaeróbios sugerirem a fase específica da digestão anaeróbia em que a degradação de TBBPA ocorre, a relevância da adsorção do poluente na biomassa, a cinética de degradação e o perfil do microbioma ao longo do período operacional por sequenciamento do gene 16S rRNA. Além disso, a biomassa do biorreator de melhor desempenho foi aplicada em experimentos metaproteômicos (protein stable isotope probing, protein-SIP) e de metagenômica. Ao associar esses resultados, os microrganismos envolvidos na degradação do micropoluente foram identificados. A partir de genomas contendo genes que codificam os peptídeos marcados, proteomas foram gerados e as possíveis vias metabólicas de degradação do TBBPA foram descritas. Foram identificadas proteínas envolvidas na clivagem hidrolítica das ligações carbono-halogênio, degradação do benzoato, transporte de compostos aromáticos e resistência a xenobióticos. Essas descobertas estão de acordo com os resultados iniciais baseados na correlação da eficiência de remoção do TBBPA e a caracterização temporal do microbioma, as rotas metabólicas de sistemas acidogênicos e à detecção de fenóis totais como um dos possíveis produtos de degradação.
Databáze: OpenAIRE
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