Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/34464
Title: Microorganisms inactivation and photodegradation of pollutants in wastewater: an effective approach with low environmental impact
Other Titles: Inativação de microrganismos e fotodegradação de poluentes em águas residuais: uma abordagem eficiente com baixo impacto ambiental
Author: Bartolomeu, Maria Manuel Rodrigues
Advisor: Almeida, Adelaide de
Faustino, Maria do Amparo Ferreira
Keywords: Photodynamic treatment
Photodegradation
Biological contamination
chemical micropollutants
Wastewater
Photosensitizers
Disinfection
Decontamination
Defense Date: 7-Jul-2022
Abstract: The excessive water consumption associated with water pollution as a result of human activities has been reducing the amount of potable water available worldwide. The reuse and recycling of subtracted water could be a means to expand water resources. To do so, the paradigm of wastewater (WW) treatment must be changed, and WW must be understood as a vital resource rather than a product for disposal. Currently, only a small percentage of the generated WW undergoes some form of treatment before being returned to the natural environment, and that which is subject to treatment is rarely treated effectively to remove pathogenic microorganisms and chemical pollutants. The lack of application of disinfection/ decontamination treatment steps is due to the low requirements of current legislation, and the economic costs of implementing and applying commonly used treatment methods. Additionally, there are known undesirable consequences resulting from their application, such as the formation of toxic by-products (chlorination), the possibility of inducing genetic changes in the microorganisms (ultraviolet radiation), the high energy cost (ozonation), bringing to discussion the need to develop alternative approaches that allow the circumvention of the disadvantages presented by common methods, and, ideally, that combine a good capacity for disinfection and chemical pollutants removal. The development of this work was based on the exploration of the already known photodynamic action as a potential alternative to traditional methods of disinfection/decontamination of WW. In this sense, it was (i) compiled information regarding the application of photodynamic action in the inactivation of microorganisms (Chapter 1) and (ii) methods applied to the removal of chemical micropollutants from WW (Chapter 2); (iii) evaluated the efficiency of antimicrobial photodynamic treatment (aPDT) in the inactivation of Escherichia coli and Enterococcus sp, using the tetracathionic porphyrin Tetra-Py(+)-Me, as well as its potential in the photodegradation of phenol, the persistent micropollutant, under a source of artificial white light irradiation and natural sunlight (Chapter 3); (iv) evaluated the efficiency of aPDT in the inactivation of the bacteriophage E. coli T4-like, used as a mammalian virus model, using a formulation constituted by five cationic porphyrin derivatives (Form) and addition of coadjuvants (potassium iodide and hydrogen peroxide) to the aPDT process (Chapter 4); and evaluated the influence that physicochemical parameters (pH, dissolved oxygen, electrical conductance, and total dissolved solids) can have in the efficiency of aPDT (Chapter 5). In summary, the results obtained from this work show the potential of photodynamic action in the inactivation of microorganisms (Gram-positive and Gram-negative bacteria, and viruses) as well as in the photodegradation of chemical micropollutants, in a wide range of aqueous matrices, with divergent physicochemical characteristics, simulating real contexts and WW.
A problemática do consumo excessivo de água associada à sua poluição, em resultado das atividades humanas, tem reduzido a quantidade de água potável disponível a nível mundial. O apelo à reutilização e reciclagem de água é já uma realidade para aumentar os recursos hídricos disponíveis. Para tal, o paradigma do tratamento das águas residuais (AR) tem que ser alterado, e as AR devem passar a ser entendidas como um recurso vital e não como um produto rejeitado. Atualmente, apenas uma pequena percentagem da AR gerada sofre algum tipo de tratamento antes de ser devolvida ao meio natural, sendo que a que é sujeita a tratamento raramente é tratada eficazmente para a eliminação de microrganismos patogénicos e micropoluentes químicos presentes. A insuficiente aplicação de etapas de desinfeção/descontaminação durante o tratamento deve-se à baixa exigência a nível da legislação em vigor, e aos custos económicos que a implementação e aplicação dos métodos de tratamento comummente utilizados acarretam. Além disso, é sobejamente conhecido que a aplicação destes tratamentos resulta na formação de subprodutos tóxicos (cloração), na possibilidade de indução de alterações genéticas nos microrganismos (radiação ultravioleta), no elevado custo energético (ozonização), trazendo à discussão a necessidade de se desenvolverem abordagens alternativas de tratamento que permitam contornar as desvantagens apresentadas pelos tratamentos comuns, e, idealmente, que combine uma boa capacidade de desinfeção e de remoção de micropoluentes químicos. O desenvolvimento deste trabalho assentou na exploração da já conhecida ação fotodinâmica (AF) como potencial alternativa aos métodos tradicionais de desinfeção/descontaminação das AR. Nesse sentido, foi (i) compilada informação relativa à aplicação da AF na inativação de microrganismos (Capítulo 1) e (ii) de métodos aplicados à eliminação de micropoluentes químicos das AR (Capítulo 2); (iii) avaliada a eficiência da ação fotodinâmica antimicrobiana (AFa) na inativação das bactérias Escherichia coli e Enterococcus sp., com recurso à porfirina tetracatiónica Tetra-Py(+)-Me, assim como o seu potencial para a fotodegradação do fenol, um micropoluente persistente, e por irradiação com fonte de luz branca artificial e com fonte de luz solar natural (Capítulo 3); (iv) avaliada a eficiência da AFa na inativação do bacteriófago E. coli T4-like, usado como modelo de vírus de mamíferos, com recurso a uma formulação contendo cinco derivados porfirínicos catiónicos (Form) e adição de coadjuvantes (iodeto de potássio e peróxido de hidrogénio) ao processo de AFa (Capítulo 4); e avaliada a influência que parâmetros físico-químicos (pH, oxigénio dissolvido, condutância elétrica e sólidos dissolvidos totais) podem ter na eficiência da AFa (Capítulo 5). Em síntese, os resultados obtidos decorrentes deste trabalho mostram a potencialidade da AF na inativação de entidades microbiológicas (bactérias de Gram-positivo e Gram-negativo, e vírus) bem como na fotodegradação de micropoluentes químicos, numa vasta gama de matrizes aquosas, com divergentes características físico-químicas, simulando contextos e AR reais.
URI: http://hdl.handle.net/10773/34464
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UA - Teses de doutoramento

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