Desenvolvimento de estratégias para melhorar a disponibilidade de fósforo em solos através da fermentação em estado sólido

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Rodrigues, Natalia Alvarez
Orientador(a): Farinas, Cristiane Sanchez lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22313
Resumo: The growing concern over the environmental impacts of intensive agriculture has intensified the search for sustainable alternatives, such as bioinoculants and biofertilizers. Among these strategies, the use of phosphate-solubilizing microorganisms (PSMs) is particularly promising, as they can reduce dependence on conventional phosphate fertilizers, whose production is associated with significant environmental damage. Solid-state fermentation (SSF) has emerged as a favorable cultivation method in this context, enabling the valorization of agro-industrial residues as fermentation substrates, thereby supporting circular economy principles. Given this scenario, this thesis aimed to investigate biotechnological strategies for producing phosphate biofertilizers via the cultivation of PSMs through SSF. Initially, the study focused on improving the solubilization process of phosphate rocks (PRs) through SSF by optimizing oxalic acid production by the fungus Aspergillus niger. Using sequential experimental designs, several variables were assessed, including substrate composition, sucrose supplementation, and methanol addition. A substrate mixture of sugarcane bagasse and soybean bran (1:1 w w-1) was identified as the most effective for stimulating oxalic acid synthesis. Methanol addition proved to be a key factor in this process, increasing acid excretion threefold. Under optimized conditions - 7% methanol and 5 g of sucrose per kg of dry substrate (d.s.) -, substantial solubilization of Bayóvar, Itafós, and Registro PRs was achieved. Furthermore, the SSF process facilitated the release of organic P from the substrate itself, due to the production of enzymes such as phosphatases and cellulases. For Bayóvar PR, a maximum soluble P release of 12.1 g kg-1 d.s. was observed, corresponding to a solubilization efficiency of 63.8%. Based on these promising results, the process was evaluated in bench scale using a multilayer packed-bed bioreactor (PBB). Although the PBB system showed adequate operational behavior, methanol volatilization likely limited the solubilization efficiency to 24.6%. On the other hand, in situ drying of the fermented solids within the PBB successfully preserved both microbial viability and acid phosphatase activity over a 34-day storage period. Furthermore, greenhouse experiments revealed that substituting 50% of chemical fertilizer with the biofertilizers developed on a lab-scale did not compromise plant performance. Additionally, a different approach using the fungus Trichoderma harzianum was also explored, with a focus on optimize sporulation and enhancing the production of metabolites related to increased P acquisition by plants, such as indole derivatives and flavonoids. Cultivation was performed using beer draff and wheat straw as substrates. After optimization of aeration, proportion of substrates and inoculum size in 0.5 L PBBs, high values were achieved: 1.08 × 10¹⁰ spores g⁻¹ dry matter (DM), 511.3 µg g⁻¹ DM of indole derivatives, and 2.2 mg g⁻¹ DM of total flavonoids. At bench scale (22 L PBB), the system still supported good sporulation (1 × 10⁹ spores g⁻¹ DM) and indole derivative production (688 µg g⁻¹ DM). However, overheating of up to 16.5°C above the optimal temperature (25°C) resulted in significant axial and radial thermal gradients, which notably impaired the production of acid phosphatase and flavonoids. Overall, this work provides significant contributions to the development of phosphate biofertilizers through SSF, identifying both promising strategies and key challenges for future advancement.
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Among these strategies, the use of phosphate-solubilizing microorganisms (PSMs) is particularly promising, as they can reduce dependence on conventional phosphate fertilizers, whose production is associated with significant environmental damage. Solid-state fermentation (SSF) has emerged as a favorable cultivation method in this context, enabling the valorization of agro-industrial residues as fermentation substrates, thereby supporting circular economy principles. Given this scenario, this thesis aimed to investigate biotechnological strategies for producing phosphate biofertilizers via the cultivation of PSMs through SSF. Initially, the study focused on improving the solubilization process of phosphate rocks (PRs) through SSF by optimizing oxalic acid production by the fungus Aspergillus niger. Using sequential experimental designs, several variables were assessed, including substrate composition, sucrose supplementation, and methanol addition. A substrate mixture of sugarcane bagasse and soybean bran (1:1 w w-1) was identified as the most effective for stimulating oxalic acid synthesis. Methanol addition proved to be a key factor in this process, increasing acid excretion threefold. Under optimized conditions - 7% methanol and 5 g of sucrose per kg of dry substrate (d.s.) -, substantial solubilization of Bayóvar, Itafós, and Registro PRs was achieved. Furthermore, the SSF process facilitated the release of organic P from the substrate itself, due to the production of enzymes such as phosphatases and cellulases. For Bayóvar PR, a maximum soluble P release of 12.1 g kg-1 d.s. was observed, corresponding to a solubilization efficiency of 63.8%. Based on these promising results, the process was evaluated in bench scale using a multilayer packed-bed bioreactor (PBB). Although the PBB system showed adequate operational behavior, methanol volatilization likely limited the solubilization efficiency to 24.6%. On the other hand, in situ drying of the fermented solids within the PBB successfully preserved both microbial viability and acid phosphatase activity over a 34-day storage period. Furthermore, greenhouse experiments revealed that substituting 50% of chemical fertilizer with the biofertilizers developed on a lab-scale did not compromise plant performance. Additionally, a different approach using the fungus Trichoderma harzianum was also explored, with a focus on optimize sporulation and enhancing the production of metabolites related to increased P acquisition by plants, such as indole derivatives and flavonoids. Cultivation was performed using beer draff and wheat straw as substrates. After optimization of aeration, proportion of substrates and inoculum size in 0.5 L PBBs, high values were achieved: 1.08 × 10¹⁰ spores g⁻¹ dry matter (DM), 511.3 µg g⁻¹ DM of indole derivatives, and 2.2 mg g⁻¹ DM of total flavonoids. At bench scale (22 L PBB), the system still supported good sporulation (1 × 10⁹ spores g⁻¹ DM) and indole derivative production (688 µg g⁻¹ DM). However, overheating of up to 16.5°C above the optimal temperature (25°C) resulted in significant axial and radial thermal gradients, which notably impaired the production of acid phosphatase and flavonoids. Overall, this work provides significant contributions to the development of phosphate biofertilizers through SSF, identifying both promising strategies and key challenges for future advancement.A crescente preocupação com os impactos ambientais da agricultura intensiva tem intensificado a busca por alternativas sustentáveis, como bioinoculantes e biofertilizantes. Dentre essas estratégias, o uso de microrganismos solubilizadores de fosfato (MSFs) se destaca por reduzir a dependência de fertilizantes fosfatados convencionais, cuja produção está associada a significativos danos ambientais. A fermentação em estado sólido (FES) tem se mostrado um método de cultivo promissor nesse contexto, ao viabilizar a valorização de resíduos agroindustriais como substratos fermentativos, promovendo os princípios da economia circular. Diante desse cenário, esta tese teve como objetivo investigar estratégias biotecnológicas para a produção de biofertilizantes fosfatados por meio do cultivo de MSFs através da FES. Inicialmente, o estudo concentrou-se na melhoria da solubilização de rochas fosfáticas (RFs) por meio da otimização da produção de ácido oxálico pelo fungo Aspergillus niger. Por meio de planejamentos experimentais sequenciais, foram avaliadas variáveis como composição de substratos, suplementação com sacarose e adição de metanol. Uma mistura de bagaço de cana-de-açúcar e farelo de soja (1:1 m m-1) foi identificada como a mais eficaz para estimular a síntese de ácido oxálico. A adição de metanol mostrou-se um fator-chave, triplicando a excreção do ácido. Em condições otimizadas - 7% de metanol e 5 g de sacarose por kg de substrato seco (s.s.) - foi alcançada uma solubilização expressiva das RFs Bayóvar, Itafós e Registro. O processo de FES também favoreceu a liberação de fósforo (P) orgânico dos próprios substratos, devido à produção de enzimas como fosfatases e celulases. Para a RF Bayóvar, foi obtida uma liberação máxima de P solúvel de 12,1 g kg⁻¹ s.s., correspondendo a uma eficiência de solubilização de 63,8%. Com base nesses resultados promissores, o processo foi avaliado em escala de bancada utilizando um biorreator de leito empacotado (BLE) multicamadas. Embora o sistema tenha apresentado bom desempenho operacional, a provável volatilização do metanol limitou a eficiência de solubilização a 24,6%. Por outro lado, a secagem in situ dos sólidos fermentados no próprio BLE preservou com sucesso a viabilidade microbiana e a atividade de fosfatase ácida ao longo de 34 dias de armazenamento. Além disso, ensaios em casa de vegetação demonstraram que a substituição de 50% do fertilizante químico pelos biofertilizantes desenvolvidos em escala laboratorial não comprometeu o desenvolvimento das plantas. Adicionalmente, o fungo Trichoderma harzianum também foi explorado, com foco na otimização da esporulação e no aumento da produção de metabólitos relacionados à maior aquisição de P pelas plantas, como derivados indólicos e flavonóides. Os cultivos foram realizados utilizando bagaço de malte de cerveja e palha de trigo como substratos. Após a otimização da aeração, proporção de substratos e tamanho de inóculo em BLEs de 0,5 L, foram alcançados valores de 1,08 × 10¹⁰ esporos g⁻¹ de matéria seca (MS), 511,3 µg g⁻¹ MS de derivados indólicos e 2,2 mg g⁻¹ MS de flavonóides totais. Em escala de bancada (BLE de 22 L), o sistema manteve boa esporulação (1 × 10⁹ esporos g⁻¹ MS) e produção de derivados indólicos (688 µg g⁻¹ MS). No entanto, o superaquecimento - de até 16,5°C acima da temperatura ideal (25°C) - comprometeu a produção de fosfatase ácida e flavonoides. De modo geral, este trabalho oferece contribuições relevantes para o desenvolvimento de biofertilizantes fosfatados via FES, identificando estratégias promissoras e desafios a serem superados.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.605340/2021-0088887.836018/2023-00engUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarhttps://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960852424008691Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessSolid-state fermentationPhosphate rock solubilizationPhosphate solubilizing microorganismsPacked-bed bioreactorENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICABiofertilizantesFermentação em estado sólidoSolubilização de rocha fosfáticaMicrorganismos solubilizadores de fosfatoBiorreator de leito empacotadoBiofertilizersDesenvolvimento de estratégias para melhorar a disponibilidade de fósforo em solos através da fermentação em estado sólidoDevelopment of strategies to improve phosphorus availability in soils through solid state fermentationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdfTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdfapplication/pdf6329838https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e89c5202-a5fd-4e25-8a02-0b67ac3f9813/download589a92bb17a24d9757e1ba6965131218MD52trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e1ef2fab-ad12-4b96-ae37-17efca8c97ef/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD53falseAnonymousREADTEXTTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdf.txtTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdf.txtExtracted texttext/plain101682https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/efe1a919-9567-48cd-85ce-1eb554443960/download95e473bf54c720cfb1bf280b5df034f6MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdf.jpgTese_NAR_com_folha_de_aprovacao.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4489https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b6ff64f2-0ed7-49f8-af83-41a0af001275/downloadd8762a7921b3109d93eb26078643fdb5MD55falseAnonymousREAD20.500.14289/223132025-07-15T03:03:34.618622Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22313https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-07-15T03:03:34Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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