Natural river biofilms in the bioremediation of steroid hormones

Abstract

Resumo: Hormônios esteroides são compostos orgânicos, que podem ser naturais ou sintéticos, utilizados na medicina humana e veterinária. No entanto, eles também são considerados desreguladores endócrinos devido à sua atividade hormonal, o que é uma preocupação quando esses compostos aparecem nos ambientes naturais. Uma técnica para eliminar esses contaminantes em ambientes aquáticos é a biorremediação, que utiliza microrganismos para remover substâncias indesejadas. Em águas naturais, por exemplo, comunidades microbianas complexas formam biofilmes, os quais podem adsorver, bioacumular, biodegradar e transformar esses contaminantes presentes no ambiente. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar se biofilmes naturais de rios tem capacidade de remoção dos hormônios esteroides Estrona (E1), 17ß-estradiol (E2), 17a-ethinylestradiol (EE2) e Progesterona (PRO) de ambientes aquáticos. A pesquisa envolveu amostras de biofilme obtidas do Rio Alb em Karlsruhe, Alemanha, e do Rio Barigui em Curitiba, Brasil. Os biofilmes foram mantidos, tanto em ambientes fluviais naturais quanto em microcosmos controlados de laboratório, para conduzir testes de remoção dos compostos alvo. Os resultados experimentais demonstraram a remoção completa de E1, E2 e EE2 sob condições específicas, apresentando como principais mecanismos envolvidos na remoção a biodegradação e/ou biotransformação. A análise microbiológica mostrou que Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteria, Firmicutes e Deinococcota, representaram os principais filos responsáveis pelo processo, mas as duas regiões de estudo apresentaram gêneros dominantes diferentes. Os micropoluentes presentes no ambiente afetam a comunidade de biofilmes, o que leva à sensibilidade entre certas espécies, enquanto promove resiliência e possível adaptação entre outras. Portanto, esta tese revelou o potencial dos biofilmes fluviais para a remoção simultânea de hormônios esteroides, fornecendo assim um método capaz de ser usado em aplicações de tratamento de águas residuais. Além disso, o estudo fornece insights valiosos sobre os mecanismos de remoção de hormônios esteroides em água superficial de rios urbanos

Abstract: Steroid hormones are organic compounds that can be either natural or synthetic, and are used in both human and veterinary medicine. However, they are also considered endocrine disruptors due to their hormonal activity, which is a concern when these compounds are released into the environment. One technique for eliminating these contaminants in aquatic environments is bioremediation, which uses microorganisms to remove unwanted substances. In natural waters, for example, complex microbial communities form biofilms, which can adsorb, bioaccumulate, biodegrade, and transform these contaminants present in the environment. This study aimed to evaluate the ability of natural river biofilms to remove the steroid hormones Estrone (E1), 17ß-estradiol (E2), 17a-ethinylestradiol (EE2), and Progesterone (PRO) from aquatic environments. The research involved biofilm samples obtained from the Alb River in Karlsruhe, Germany, and the Barigui River in Curitiba, Brazil. The biofilms were maintained both in natural river environments and controlled laboratory microcosms to conduct removal tests of target compounds. The experimental results demonstrated the complete removal of E1, E2, and EE2 under specific conditions, with biodegradation and/or biotransformation being the main mechanisms involved in the removal. The microbiological analysis showed that Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteria, Firmicutes, and Deinococcota, represented the main phyla responsible for the process, but the two study regions showed different dominant genera. Micropollutants present in the environment affect the biofilm community, leading to sensitivity among certain species while promoting resilience and possible adaptation among others. Therefore, this thesis revealed the potential of river biofilms for the simultaneous removal of steroid hormones, thus providing a method capable of being used in wastewater treatment applications. Furthermore, the study provides valuable insights into the mechanisms of steroid hormone removal in the surface water of urban rivers