Degradation of 17β-estradiol in water media by photosensitized and biodegradation processes

Abstract

Novos métodos de tratamento de água são requeridos como um resultado a partir da crescente sensibilização para a redução do impacto da poluição no ambiente. As principais vias para a destruição de compostos tóxicos em água são os processos de biodegradação e fotodegradação. A degradação biológica de um composto químico refere-se à eliminação do poluente pela actividade metabólica de microrganismos. A fotodegradação é um mecanismo eficiente para degradar simultaneamente diferentes tipos de compostos orgânicos. No entanto, a fotodegradação pode implicar custos elevados relacionados com a produção dos fotocatalisadores e o consumo energético. Na perspectiva de abordagens sustentáveis para o tratamento da água, sugere-se a combinação de tratamentos de fotodegradação e biológicos. Os compostos disruptores endócrinos (CDEs) são considerados pela investigação como uma prioridade elevada, pois são uma fonte de potencial adverso para efeitos de saúde ecológica nas águas ambientais. O 17β-estradiol (E2), um recalcitrante CDE, foi seleccionado como poluente alvo neste trabalho. Nesta dissertação descreve-se a preparação e a avaliação fotocatalítica de novos materiais híbridos à base de nanopartículas de magnetita decoradas com porfirinas ou ftalocianinas. Este estudo apresenta a aplicação destes fotocatalisadores em modos batch e de fluxo, bem como a sua utilização em águas residuais reais para remoção de diferentes poluentes orgânicos. Adicionalmente, modificações ligeiras destes materiais permitem a sua utilização como agentes antimicrobianos para fins de desinfecção da água contra bactérias patogénicas. O rastreio de estirpes bacterianas capazes de metabolizar o E2 como poluente orgânico alvo em águas provocou a descoberta de utilizações relevantes da estirpe bacteriana Bacillus licheniformis, isolada previamente a partir de sedimentos de profundidade do mar no Golfo de Cádiz. Bacillus licheniformis apresenta uma grande versatilidade em aplicações de remediação de água, sendo capaz de remover diferentes estrogênios em concentrações relevantes (ng·L-1) em águas residuais. Finalmente, o estudo de uma abordagem combinada para o tratamento de águas foi focado na capacidade de Bacillus licheniformis para tratar a água, a partir da qual foi previamente e parcialmente foto-tratada pela ação de um material híbrido, sob irradiação de luz branca.

New methods for water treatment are required as a result from an increasing awareness in the reduction of the pollution impact in the environment. The main routes for destroying toxic compounds in water are biodegradation and photodegradation processes. Biological degradation of a chemical refers to the elimination of the pollutant by the metabolic activity of microorganisms. Photodegradation is an efficient mechanism for simultaneously degrade different types of organic compounds. However, photodegradation may imply high costs related to the photocatalysts’ production and energetic consumption. In the perspective of sustainable approaches for water treatment, the combination of photo- and biological treatments are proposed. Endocrine disrupting compounds (EDCs) are considered as high research priority being a source of potential adverse ecological health effects in environmental waters. 17β-estradiol (E2), a recalcitrant EDC, was selected as target pollutant in this work. In this dissertation, the preparation and photocatalytic evaluation of new hybrid materials based on magnetite nanoparticles decorated with porphyrins or phthalocyanines are described. This study presents the application of these photocatalysts in both batch and flow modes, as well as their use in real wastewaters for the removal of different organic pollutants. In addition, slight modifications of these materials allow their utilization as antimicrobial agents for water disinfection purposes, against pathogenic bacteria. The screening of bacterial strains able to metabolize E2 as target organic pollutant in water caused the finding of relevant uses of the bacterial strain Bacillus licheniformis, previously isolated from deep sea sediments in the Gulf of Cádiz. Bacillus licheniformis displays great versatility in water remediation applications, being able to remove different estrogens in relevant concentrations (ng·L-1) in wastewaters. Finally, the study of a combined approach for water treatment was focused on the ability of Bacillus licheniformis to treat water, which previously was partially photo-treated by the action of a hybrid material, under white light irradiation.