Resiliência de sistemas de remoção de carbono e nitrogênio em células a combustível microbianas à adição de fluoroquinolonas

Abstract

Antibióticos são detectados em águas residuárias e ambientes naturais devido ao seu uso contínuo no tratamento e prevenção de doenças infecciosas. Esses micropoluentes alteram rotas metabólicas e comunidades microbianas em processos biológicos importantes para o equilíbrio ecológico, além de contribuir na disseminação de genes de resistência antimicrobiana. Assim, compreender os impactos destes fármacos é essencial para melhorar a qualidade e a segurança da água em estações de tratamento de efluentes. Uma das alternativas para amenizar esses problemas, é por meio do uso de biocélulas combustíveis (do inglês, MFC), pois esses dispositivos têm potencial de geração direta de energia a partir da degradação de poluentes. Este trabalho investigou o desempenho das MFCs para o tratamento de efluentes sintéticos contaminados com antibióticos do grupo das fluoroquinolonas: a ciprofloxacina (CIP), a levofloxacina (LEV) e a norfloxacina (NOR). Foram projetadas quatro MFCs com ânodo e cátodo biológicos para remoção de matéria orgânica (DQO) e nitrogênio. Destas, uma foi usada como controle (MFC-CTL), enquanto as demais foram expostas a concentrações crescentes de cada fluoroquinolona separadamente (50 a 1000 µg?L-1) (MFC-CIP, MFC-LEV e MFC-NOR). Todas operaram com resistência externa (Rext) de 1000 O. A MFC-CTL alcançou remoção de DQO, amônia e nitrogênio total superior a 95%, 90% e 80%, respectivamente, com geração de potência de 144 ± 69 mW?m-3. Com exceção da remoção de DQO, os demais indicadores de desempenho foram reduzidos com o aumento das concentrações de CIP e LEV, enquanto NOR inibiu somente a etapa de desnitrificação, estimulou a nitrificação e conferiu um leve aumento na potência gerada pela MFC-NOR. Também foi constatado que a redução da Rext de 1000 O para 560 e 100 O, reverteu os efeitos inibitórios dos antibióticos sobre os processos biológicos dos cátodos. A espectroscopia de impedância eletroquímica mostrou que a resistência interna (Rint) da MFC-CTL foi 89,41 O e que esta aumentou nas demais MFCs após a exposição às fluoroquinolonas. Além disso, foi possível identificar o cátodo como etapa limitante para a geração de eletricidade. A máxima produção de potência (MPP) foi obtida a partir das curvas de polarização e potência e também confirmou que a MFC-CTL alcançou o melhor desempenho com MPP de 298,08 ± 14,01 mW?m-3 enquanto a MFC-LEV apresentou a menor MPP de 207,08 ± 16,11 mW?m-3. A análise da composição da comunidade microbiana por sequenciamento genético demonstrou que, no longo prazo, a exposição às fluoroquinolonas nas condições de realização do experimento não alterou os principais grupos responsáveis pela remoção dos poluentes convencionais (Methanosaeta concilii no ânodo e Nitrosomonas europaea e Candidatus Nitrospira defluvii no cátodo), apesar de reduzir a abundância relativa destes microrganismos. Porém, nos ânodos das MFC-CIP e MFC-LEV houve o enriquecimento de bactérias que podem estar relacionadas à proliferação de genes de resistência e/ou remoção destes antibióticos pela MFC. Estes resultados demonstraram a resiliência dos sistemas de remoção de matéria orgânica e compostos nitrogenados em MFCs de câmera dupla, com cátodo e ânodo biológicos, quando expostos a efluentes contaminados com fluoroquinolonas.

Abstract: Antibiotics are detected in wastewater and natural environments due to their continued and excessive use in treating and preventing infectious diseases in humans and animals. These micropollutants can interfere with the metabolic routes and microbial communities that are important for the ecological balance, and contribute to the dissemination of antibiotic resistance genes. Thus, understanding the impact and degradation of these drugs is essential to enhance the quality and safety of the water in Wastewater Treatment Plants. Microbial fuel cells (MFC) emerge in this scenario as an alternative to mitigate this problem. This device can generate electricity directly from the degradation of pollutants. In this work, we investigated the performance of MFCs in treating synthetic wastewater contaminated with fluoroquinolones: ciprofloxacin (CIP), levofloxacin (LEV), and norfloxacin (NOR). Four MFCs with biological anode and cathode were designed to remove organic matter (COD) and nitrogen. Of these, one was used as control (MFC-CTL), while the others were exposed to increasing concentrations of each fluoroquinolone separately (50 to 1000 µg?L-1) (MFC-CIP, MFC-LEV, and MFCNOR). All MFC operated with external resistance (Rext) of 1000 O. The MFC-CTL achieved the removal of COD, ammonia, and nitrogen greater than 95%, 90%, and 80%, respectively, with power generation of 144 ± 69 mW?m-3. Except for COD removal, the performance indicators were reduced as we increased the CIP and LEV concentrations. On the other hand, NOR inhibited only the denitrification step, stimulated nitrification, and slightly increased the power generated by MFC-NOR. Also, we found that reducing the Rext from 1000 O to 560 and 100 O reduced the inhibitory effects of antibiotics on the biological processes of the cathodes. Electrochemical impedance spectroscopy showed that the internal resistance (Rint) of the MFCCTL was 89.41 O and that this increased after fluoroquinolones exposure in other MFCs. In addition, we identified the cathode as the limiting step for electricity generation. The maximum power output (MPO) was obtained from the polarization and power curves and also confirmed that the MFC-CTL achieved the best performance with MPO of 298.08 ± 14.01 mW?m-3, while the MFC-LEV showed the lowest MPO: 207.08 ± 16.11 mW?m-3. The composition of the microbial community by genetic sequencing showed that, in the long-term operation, exposure to fluoroquinolones under the conditions of this experiment did not change the main groups responsible for the removal of conventional pollutants (Methanosaeta concilii in the anode and Nitrosomonas europaea and Candidatus Nitrospira defluvii on the cathode), despite reducing the relative abundance of these microorganisms. However, in the anodes of the MFC-CIP and MFC-LEV, bacteria enrichment may be related to the proliferation of resistance genes and/or removal of these antibiotics by the MFC. These results demonstrate the resilience of biological processes for the removal of organic matter and nitrogen in dual-chamber MFCs when exposed to wastewater containing fluoroquinolones.