Development of bioaugmentation and sewage sludge composting technologies to remove emerging and priority pollutants while reducing their toxicity
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Ángeles de Paz, GabrielaEditorial
Universidad de Granada
Director
Aranda Ballesteros, ElisabetDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Biología Fundamental y SistemasFecha
2023Fecha lectura
2023-07-20Referencia bibliográfica
de Paz, Gabriela Ángeles. Development of bioaugmentation and sewage sludge composting technologies to remove emerging and priority pollutants while reducing their toxicity. Granada: Universidad de Granada, 2023. [https://hdl.handle.net/10481/84422]
Patrocinador
Tesis Univ. Granada.; Proyecto del Ministerio de Economía y Competitividad y fondos FEDER [CTM2017-84332-R]; Junta de Andalucía FEDER/Junta de Andalucía-Consejería de Transformación Económica, Industria, Conocimiento y Universidades [B-RNM-204-UGR20]; CONAHCyT [772485] del programa de becas para estudios de doctorado en el extranjero, México; Beca Talento Edomex en el Extranjero promoción 2019, México; Beca del Plan Propio de Internacionalización, UGR, EspañaResumen
About 45 million dry tons of sewage sludge (SS) are produced globally every year
and it is estimated to keep increasing, mainly due to the outstanding population growth
and the industrial development during the last century. Sewage sludge is a mud-like
residue from wastewater treatment which comprises a broad range of trace components,
mostly derived from the composition into the influent released from various sources.
Among these components, valuable organic matter and nutrients are found in great
concentrations and therefore be useful for agricultural purposes. Hence, concerning SS
management and disposal system, priority should be given to its valorisation and
transformation into a valuable resource always considering potential threats to
environmental and public health.
Occurrence and presence of several contaminants like heavy metals, pathogens
and other organic compounds into the SS are the main reasons for the hesitancy toward
SS direct application as an organic amendment. These concerns lead to explore more
diverse SS stabilization treatments being ‘composting’ the most used and reliable
biological option for minimizing potential environmental impacts. Nonetheless, the
threatening estimation of composting technologies is still leery due to the outstanding
increment of priority pollutants concentration in the wastewater influent and the lack of
information of emerging pollutants (EPs) persistency in the compost after the treatment.
Emerging pollutants are synthetic or naturally occurring chemicals and
characterized by a perceived, potential, or threat human health. They consists of, among
others, pharmaceuticals including antibiotics, personal care products, pesticides,
nanoparticles and endocrine disruptors and many of them are currently under
investigation to discover exactly how harmful they are or could become. Due to their
hydrophobic properties, the EPs are strongly sorbed on sludge and thus, hardly remove
from the matrix by conventional stabilization treatments. Moreover, their presence and
concentration neither in wastewater nor in composted SS is not often well monitored
causing the urgency of an effective regulatory measures. Then, the European
Commission has published a more restrictive policy of SS management (Directive
2008/98/EC) and is to update and announce a biennial ‘Watch List’ of substances for Union-wide monitoring. The study of such substances should generate high-quality data
that give rise to novel, more effective, straightforward and environmental friendly
strategies for SS management focus on its recycling and EPs removal.
Within this PhD thesis, diverse bioaugmentation strategies in composting
processes are proposed and discussed to remove EPs. Each step of the bioaugmentation
design protocol are explained in four different chapters (Screening, characterization and
field studies). The screening of EPs degrading microorganisms resulted in different
fungal and bacterial isolates and mixed microbial consortia with pharmaceuticals
degradation potential without microtoxic effects. The field study comprehend the design,
optimization and assembly of a two-step composting technology at industrial scale
coupled with bioaugmentation using indigenous and exogenous microorganisms as
inoculants. The determination of physicochemical and biological modifications ensued
from the inoculation were also explored.
Polluted sites are considered to be a great source for the isolation of
contaminants degrading microorganisms. Then, chapter 1 is focused on the first step of
bioaugmentation regarding the screening of EPs degrading microorganisms that
comprises a selective enrichment assay under selective pressure with pharmaceutical
compounds (diclofenac, carbamazepine and Ketoprofen) and the further isolation and
identification of pure cultures. These compounds were selected based on their
persistence after composting processes. Among these microorganisms, fungi
Cladosporium cladosporioides H1, Alternaria alternata H4 y Penicillium raistrickii H6
showed the best pharmaceutical degradation rates. Although efficacy of single strains
have been observed, employing mixed consortia might benefits the overall degradation
performance by broaden the targeted pollutants. This approach was closely studied in
chapter 2 through the assembly of an artificial mixed microbial consortia using the
BSocial webtool. The three previously mentioned fungi isolates, a proven degrading
fungus (Penicillium oxalicum XD 3.1) and coexistence bacteria from the enrichment assay
(Micrococcus yunnanensis K1, Oligella ureolytica T4 y Sphingobacterium jejuense T15)
were used for the consortia establishment. Because of the social stability, wide range of
degrading targets and the lower toxicity level of the artificial consortia consisting of P. raistrickii, P. oxalicum XD 3.1 y C. cladosporoides, A. alternata y M. yunnanensis, this
consortium was selected as the most optimal one to use for EPs removal.
Although the benefits promised by bioaugmentation technologies for
contaminants elimination, its application under real conditions has barely been
developed, indeed only 5 % of the studies were focused on organic pollutants
degradation have reach the field scale in 30 years until 2020 and only few of them have
reported the co-occurrence and simultaneous elimination of different classes of organic
pollutants during sewage sludge composting. In chapter 3, details of optimization and
installation of a two-steps bioaugmentation-composting system is presented. Two
different inoculants were use separately to explore both kinds of bioaugmentation seeds:
an exogenous microorganism (P. oxalicum XD 3.1) and a native consortium obtained
from enrichment. Both bioaugmented treatments showed great reduction in
pharmaceuticals containing and phyto and micro toxicity, as well as offered a better
quality, more stable and sanitized mature compost. Biological contributions resulted
from the inoculation over native microbial populations and physicochemical parameters
were investigated in chapter 4. P. oxalicum XD 3.1 did not modified neither the diversity
nor the heterogeneity of native populations regardless of its exogenous nature.
Moreover, it promoted the increment of microbial diversity and the physicochemical
parameters involved in emerging pollutants degradation. Alrededor de 45 millones de toneladas de lodo seco se producen anualmente en
el mundo y se estima que esta cifra ascenderá aún más como consecuencia del aumento
de la población y el desarrollo industrial sin precedentes alcanzados durante el último
siglo. Los lodos de depuradora poseen una composición variable, la cual depende
principalmente de la carga de contaminación del agua residual inicial. En general, estos
contienen una amplia diversidad de materia suspendida y disuelta de las cuales se
distinguen aquellas con valor agronómico, como los micronutrientes esenciales para el
crecimiento vegetal. Los protocolos para su gestión priorizan la valorización y
aprovechamiento de estos lodos como enmienda o abono en el sector agronómico,
proporcionando un valor al residuo, convertido ya en recurso (siempre en función de los
principios de la política de residuos relativos a la protección del medio ambiente y la
salud humana). Sin embargo, la presencia de elementos con potencial contaminante
como los metales pesados, los agentes patógenos y otros compuestos orgánicos, generan
una enorme preocupación y rechazo para su aplicación directa en suelos. Por ende,
diversos tipos de tratamientos para la estabilización de este residuo se han propuesto,
siendo el compostaje el tratamiento biológico más frecuente para este fin. Si bien, esta
técnica permite garantizar la minimización de los riesgos ambientales derivados de su
uso en los suelos agrícolas, la creciente presencia de contaminantes prioritarios en los
efluentes de las estaciones de depuración de aguas residuales y el desconocimiento y
potencial toxicidad de los contaminantes emergentes (CE), aún presentes en el compost
maduro, dificulta la estimación de su peligrosidad.
El término “contaminante emergente” (CE) engloba una gran variedad de
compuestos de diverso origen y naturaleza química cuyos efectos toxicológicos aún son
desconocidos en la mayoría de los casos. El número de CEs es indeterminado e incluye,
entre otros, a los productos farmacéuticos (incluidos los antibióticos) y de cuidado
personal, pesticidas, nanopartículas y disruptores endocrinos. Los CEs se concentran en
los lodos de depuradora mediante procesos de sorción y son difícilmente separados o
eliminados mediante los tratamientos de estabilización tradicionales. Dado que a
diferencia de los contaminantes prioritarios, los CEs no están sometidos a una
regulación específica que limite su presencia tanto en aguas residuales como en los lodos compostados, la Comisión Europea estableció una legislación aún más restrictiva de la
gestión de los lodos de depuradora (Directiva 2008/98/CE), así como la publicación
bienal de la “Lista de Observación” que incluye los CEs que deben analizarse en cada
Estado Miembro. Así, el conocimiento y estudio de los CEs proporcionará información
sobre la eficacia de su eliminación en las etapas del compostaje, así como la búsqueda y
posterior implementación de tecnologías alternativas para la gestión de los lodos, su
saneamiento y posterior aprovechamiento.
En este trabajo de tesis doctoral se ponen de manifiesto el desarrollo y la
aplicación de estrategias de bioaumento en procesos de compostaje de lodos de
depuradora, así como el aprovechamiento de cada una de sus etapas de desarrollo
(cribado, caracterización y estudio de campo) para la degradación efectiva de diversos
CEs, obteniendo aislados fúngicos y bacterianos y consorcios mixtos con potencial de
degradación de múltiples CEs. Además, se llevó a cabo un estudio de campo en las
instalaciones de EIDER, ecoindustria del reciclado, en Guadix, Granada de un sistema de
compostaje de lodos de depuradora acoplado a una técnica de bioaumento con
microorganismos autóctonos y alóctonos. Este incluyó tanto su diseño, optimización y
montaje en condiciones reales así como los análisis fisicoquímicos (pH, temperatura,
humedad, conductividad eléctrica, relación C/N, sólidos volátiles y totales, contenido de
materia orgánica total y seca, contenido de carbono orgánico total y seca, materia
mineral y materia seca), determinación de macronutrientes, metales pesados, análisis de
contaminantes emergentes, fitotoxicidad y modificaciones pre y post inoculación de las
comunidades bacterianas y fúngicas nativas.
Los sitios contaminados son considerados como una fuente importante de
microorganismos con capacidad degradativa de los contaminantes presentes en dicho
espacio. Por lo tanto, en el capítulo 1 se aborda la primera etapa del bioaumento
referente al cribado de cepas microbianas provenientes de lodos de depuradora.
Mediante un ensayo de enriquecimiento bajo presión selectiva con tres compuestos
farmacéuticos (diclofenaco, carbamazepina y Ketoprofeno) seleccionados en base a su
persistencia después de los procesos de compostaje, se obtuvieron e identificaron
diversos aislados fúngicos y bacterianos mediante técnicas cultivables e identificación
molecular, cuyos niveles de degradación también se analizaron con técnicas cromatográficas. De los microorganismos identificados, los hongos Cladosporium
cladosporioides H1, Alternaria alternata H4 y Penicillium raistrickii H6 mostraron los
mejores porcentajes de degradación de los compuestos empleados. Aunque muchos
estudios sugieren la efectividad de cepas individuales para la degradación de
contaminantes, el empleo de consorcios microbianos amplía el rango y la variedad de
CEs que pueden ser degradados. Este acercamiento se explora en el capítulo 2, llevando
a cabo el diseño y ensamblaje de co-cultivos mixtos microbianos mediante la
herramienta informática B-Social. La composición de cada consorcio se estableció a
partir de los tres aislados fúngicos antes mencionados, del hongo Penicillium oxalicum
XD 3.1 (previamente estudiado y utilizado para degradación de otros CEs) y de las
bacterias coexistentes en el ensayo de enriquecimiento (Micrococcus yunnanensis K1,
Oligella ureolytica T4 y Sphingobacterium jejuense T15). Se obtuvo un consorcio artificial
compuesto por P. raistrickii, P. oxalicum XD 3.1 y C. cladosporoides, A. alternata y M.
yunnanensis cuya estabilidad social, amplio rango de degradación y menores niveles de
toxicidad del medio de cultivo resultante (Microtoxicidad en Allivibrio fisherii con
Microtox ®) lo definieron como el más adecuado para la eliminación de CEs en medio
líquido.
El escalado a condiciones reales en un proceso de biorremediación es quizás la
etapa más definitiva para la ejecución efectiva de un sistema de bioaumento, siendo los
mayores obstáculos las dificultades técnicas en su implementación a gran escala y las
complejidades asociadas al uso de sistemas biológicos. En el capítulo 3, se incluyen los
detalles de la optimización y montaje de un sistema de compostaje y bioaumento en
condiciones reales en dos pasos, utilizando dos tipos de inoculo diferentes (P. oxalicum
XD 3.1 y un consorcio nativo obtenido mediante enriquecimiento). Ambos tratamientos
resultaron en la reducción del contenido de compuestos farmacéuticos de difícil
degradación y en la obtención de un compost maduro más estable, más nutritivo en
términos de macro y micronutrientes y menos fitotóxico (analizados mediante ensayos
de fitotoxicidad en Lepidium sativum). Por otro lado, las contribuciones microbiológicas
en la efectividad del proceso de compostaje gracias a la inoculación se evaluaron en el
capítulo 4 empleando técnicas de secuenciación masiva (Illumina Miseq). A pesar de las
dificultades que implica la inoculación con microorganismos alóctonos, la utilización de
P. oxalicum XD 3.1 como inoculante en la pila de compostaje no produjo ningún efecto negativo en la estabilidad, equilibrio en la funcionalidad, ni cambios en la
heterogeneidad de las comunidades microbianas nativas. De hecho, su inoculación
presentó mayores beneficios al generar un aumento de la diversidad microbiana (ɑ y ß
diversidad) y la mejora de parámetros fisicoquímicos asociados a la degradación de
contaminantes.