Agricultural wastewater treatment by Trametes versicolor immobilized on wood in a rotating drum bioreactor

Abstract

El deteriorament de la qualitat de l’aigua pels contaminants orgànics persistents (POPs, per les seves sigles en anglès) és una preocupació mundial. Fins i tot a concentracions baixes, aquests compostos suposen un risc toxicològic significatiu per a l’ecosistema i la salut humana. Entre els POPs, els pesticides continuen sent indispensables per fer front a múltiples desafiaments a tot el món, però la majoria no interactuen amb la plaga objectiu i es disseminen a l’aigua i altres compartiments ambientals, podent desencadenar efectes perjudicials en nombrosos organismes. En resposta a aquesta preocupació, la comunitat científica investiga actualment diferents tecnologies per eliminar els pesticides dels recursos hídrics. Entre altres alternatives, el tractament fúngic per fongs de podriment blanc (WRF, per les seves sigles en anglès) s’ha convertit en una estratègia atractiva perquè aquests organismes presenten un sistema enzimàtic potent capaç de degradar una àmplia gamma de POPs, inclosos els pesticides, i es considera un enfocament respectuós amb el medi ambient i de baix cost. La present tesi té com a objectiu desenvolupar un bioreactor fúngic utilitzant Trametes versicolor immobilitzat sobre estelles de fusta per eliminar pesticides d’aigües residuals agrícoles en un tractament a llarg termini en condicions no estèrils. En primer lloc, es va instal·lar un bioreactor de tambor rotatori (RDB, per les seves sigles en anglès) per tractar AW dopada amb diurón utilitzant T. versicolor immobilitzat en estelles de fusta de pi. Encara que es van obtenir bons resultats quant a l’eliminació de pesticides, T. versicolor es va desprendre progressivament de la superfície de la fusta. Posteriorment, es va realitzar un altre estudi de bioremediació utilitzant T. versicolor immobilitzat sobre estelles de fusta d’alzina per eliminar dos pesticides model (diurón i bentazona) en un reactor tipus columna. La sorció va exercir un paper predominant en l’eliminació de tots dos pesticides, fet que va motivar un estudi de sorció exhaustiu. La fusta contaminada amb pesticides va ser tractada posteriorment per T. versicolor en un sistema sòlid similar a una biopila. En segon lloc, AW dopada amb diurón i bentazona va ser tractada per T. versicolor immobilitzada sobre estelles de fusta d’alzina al RDB durant 225 dies, optimitzant alguns paràmetres operatius per aconseguir la consolidació de la biomassa fúngica al reactor i uns rendiments d’eliminació prometedors. A més, es va realitzar un estudi transversal per donar llum sobre algunes preguntes clau sobre la bioremediació de fongs, incloent l’efecte de limitar el nivell d’oxigen dissolt sobre la degradació de contaminants, la cinètica de creixement a la fusta i l’eliminació de matèria orgànica per part de T. versicolor. Sobre la base de les experiències i els coneixements adquirits, es va aplicar el RDB per tractar l’aigua residual de rentat agrícola (RW, per les seves sigles en anglès), comparant el seu rendiment amb l’obtingut per un bioreactor fúngic ben establert (bioreactor de llit fluïditzat) i una tecnologia fisicoquímica consolidada (ozonització). En aquest sentit, el RDB va demostrar ser la millor opció entre els dos reactors fúngics, mentre que l’estudi comparatiu entre el tractament fúngic i el d’ozonització va mostrar que cada tecnologia tenia els seus avantatges i aconseguia millors resultats segons el paràmetre estudiat. A més, es va realitzar un tren de tractament consistent en una primera etapa de bioremediació fúngica seguida d’ozonització, en què es van combinar sinèrgicament els avantatges de cada procés per oferir més flexibilitat en la relació entre la qualitat de l’efluent i els costos d’operació. Per tant, aquest estudi amplia els coneixements sobre el tractament fúngic de pesticides proposant una solució viable i prometedora a un problema real de contaminació agrícola.

El deterioro de la calidad del agua por los contaminantes orgánicos persistentes (POPs, de sus siglas en inglés) es una preocupación mundial. Incluso a bajas concentraciones, estos compuestos suponen un riesgo toxicológico significativo para el ecosistema y la salud humana. Entre los POPs, los pesticidas siguen siendo indispensables para hacer frente a múltiples desafíos en todo el mundo, pero la mayoría de ellos no interactúan con la plaga objetivo y se diseminan en el agua y otros compartimentos ambientales, lo que puede desencadenar efectos perjudiciales en numerosos organismos. En respuesta a esta preocupación, la comunidad científica está investigando actualmente diferentes tecnologías para eliminar los pesticidas de los recursos hídricos. Entre otras alternativas, el tratamiento fúngico mediante hongos de pudrición blanca (WRF, de sus siglas en inglés) se ha convertido en una estrategia atractiva porque estos organismos presentan un sistema enzimático potente capaz de degradar una amplia gama de POPs, incluidos los pesticidas, y se considera un enfoque respetuoso con el medio ambiente y de bajo costo. La presente tesis tiene como objetivo desarrollar un biorreactor fúngico utilizando Trametes versicolor inmovilizado sobre astillas de madera para eliminar pesticidas de aguas residuales agrícolas (AW, de sus siglas en inglés) en un tratamiento a largo plazo en condiciones no estériles. En primer lugar, se instaló un biorreactor de tambor rotatorio (RDB, de sus siglas en inglés) para tratar AW dopada con diurón utilizando T. versicolor inmovilizado en astillas de madera de pino. Aunque se obtuvieron buenos resultados en cuanto a la eliminación de pesticidas, T. versicolor se desprendió progresivamente de la superficie de la madera. Posteriormente, se realizó otro estudio de biorremediación utilizando T. versicolor inmovilizado sobre astillas de madera de encina para eliminar dos pesticidas modelo (diurón y bentazona) en un reactor tipo columna. La sorción desempeñó un papel predominante en la eliminación de ambos pesticidas, lo que motivó un estudio de sorción exhaustivo. La madera contaminada con pesticidas fue tratada posteriormente por T. versicolor en un sistema sólido similar a una biopila. En segundo lugar, AW dopada con diurón y bentazona fue tratada por T. versicolor inmovilizada sobre astillas de madera de encina en el RDB durante 225 días, optimizando algunos parámetros operativos para conseguir la consolidación de la biomasa fúngica en el reactor y unos rendimientos de eliminación prometedores. Además, se realizó un estudio transversal para arrojar luz sobre algunas cuestiones clave sobre la biorremediación de hongos, incluyendo el efecto de limitar el nivel de oxígeno disuelto sobre la degradación de contaminantes, la cinética de crecimiento en la madera y la eliminación de materia orgánica por parte de T. versicolor. Sobre la base de las experiencias y los conocimientos adquiridos, se aplicó el RDB para tratar el agua residual de lavado agrícola (RW, de sus siglas en inglés), comparando su rendimiento con el obtenido por un biorreactor fúngico bien establecido (biorreactor de lecho fluidizado) y una tecnología físico-química consolidada (ozonización). En este sentido, el RDB demostró ser la mejor opción entre los dos reactores fúngicos, mientras que el estudio comparativo entre el tratamiento fúngico y el de ozonización mostró que cada tecnología tenía sus propias ventajas y lograba mejores resultados según el parámetro estudiado. Además, se realizó un tren de tratamiento consistente en una primera etapa de biorremediación fúngica seguida de ozonización, en el que se combinaron sinérgicamente las ventajas de cada proceso para ofrecer una mayor flexibilidad en la relación entre la calidad del efluente y los costos de operación. Por lo tanto, este estudio amplía el conocimiento sobre el tratamiento fúngico de pesticidas y propone una solución viable y prometedora a un problema real de contaminación agrícola.

The deterioration of water quality by persistent organic pollutants (POPs) is a global concern. Even at low concentrations, these compounds pose a significant toxicological risk to the ecosystem and human health. Among POPs, pesticides are still indispensable in addressing multiple challenges worldwide, but most of them fail to interact with the target pest and are disseminated in water and other environmental compartments, potentially triggering detrimental effects on numerous organisms. Responding to this concern, the scientific community is currently investigating different technologies to remove pesticides from water resources. Among other alternatives, fungal treatment by white rot fungi (WRF) has become an attractive strategy because these organisms present a powerful enzyme system capable of degrading a wide range of POPs, including pesticides, and is considered an environmentally friendly and low-cost approach. The present thesis aims to develop a fungal bioreactor using Trametes versicolor immobilized on wood chips to remove pesticides from agricultural wastewater (AW) in a long-term treatment under non-sterile conditions. First of all, a rotating drum bioreactor (RDB) was set up to treat AW spiked with diuron, as a model pollutant, using T. versicolor immobilized on pine wood chips. Although good results were obtained in terms of pesticide removals, T. versicolor was progressively detached from the wood surface. Subsequently, another bioremediation study was conducted using T. versicolor immobilized on holm oak wood chips to remove two model pesticides (diuron and bentazon) in a column reactor. Sorption played a predominant role in the removal of both pesticides, which motivated a comprehensive sorption study. The pesticide-contaminated wood was subsequently treated by T. versicolor in a solid biopile-like system. Secondly, AW spiked with diuron and bentazon was treated by T. versicolor immobilized on holm oak wood chips in the RDB for 225 days, optimizing some operational parameters to achieve the consolidation of the fungal biomass in the reactor and promising removal performances. Additionally, a cross-sectional study was conducted to shed light on some key questions about fungal bioremediation, including the effect of limiting dissolved oxygen level on contaminant degradation, growth kinetics on wood, and organic matter removal by T. versicolor. Based on gained experiences and knowledge, the RDB was applied to treat agricultural rinse wastewater (RW), comparing its performance with that obtained by both a well-established fungal bioreactor (fluidized bed bioreactor) and a consolidated physical-chemical technology (ozonation). In this regard, the RDB proved to be the best option between the two fungal reactors, whereas the comparative study between the fungal and the ozonation treatments showed that each technology had its own advantages and achieved better results depending on the studied parameter. Furthermore, a treatment train consisting of a first stage of fungal bioremediation followed by ozonation was performed, in which the advantages of each process were synergistically combined to offer greater flexibility in the relationship between effluent quality and operating costs. Therefore, this study expands the knowledge on fungal treatment of pesticides and proposes a viable and promising solution to a real agricultural contamination issue.