Myco-remediation of organophosphate flame retardants: from laboratory insights to reactor application

Abstract

Aquesta tesi doctoral tracta l'ús de fongs de podridura blanca (WRF), concretament Trametes versicolor i Ganoderma lucidum, per a la bioremediació de retardants de flama organofosforats (OPFRs), centrant-se en el tri-n-butil fosfat (TBP) i el tris(2-cloroetil) fosfat (TCEP). Aquests compostos es detecten sovint en entorns aquàtics i generen una preocupació creixent per la seva persistència, toxicitat i resistència als tractaments convencionals d'aigües residuals. El treball explora l’aplicació del tractament amb fongs en biorreactors operats en condicions realistes i no estèrils, amb l’objectiu d’avaluar-ne el potencial per a la implementació pràctica. L’estudi comença amb la selecció de diverses soques de Ganoderma segons la seva activitat enzimàtica i capacitat de decoloració de colorants, donant com a resultat la selecció de G. resinaceum com la candidata més adequada per a estudis posteriors. A més, es van avaluar tres fongs ligninolítics—G. lucidum, T. versicolor i Phanerochaete velutina—per la seva capacitat per degradar TBP i TCEP, confirmant una elevada eliminació de TBP per part de G. lucidum i T. versicolor (>99%) i identificant el sistema enzimàtic citocrom P450 com a via principal de degradació. Més endavant, es van provar diferents configuracions de biorreactors per avaluar l'eficiència de la colonització fúngica sobre suports lignocel·lulòsics en condicions d'estat sòlid. Entre aquestes, es va desenvolupar un biorreactor de llit percolador modificat (MTBR) per millorar la colonització vertical, obtenint una distribució uniforme de biomassa i nivells més alts d’ergosterol respecte a altres sistemes. Tot seguit, es va aplicar un biorreactor de llit percolador per al tractament de TBP amb T. versicolor en condicions no estèrils. Es van identificar diversos productes de transformació, aportant informació sobre la possible via de degradació. El reactor també va mantenir l’estabilitat microbiològica durant tot el període de tractament, demostrant la seva robustesa en condicions realistes. Finalment, el sistema es va provar amb G. lucidum per a l’eliminació simultània de TBP i TCEP sota operació contínua durant un període prolongat, confirmant la reproductibilitat de l’enfocament i la seva aplicabilitat a altres OPFRs. En conjunt, la tesi aporta nous coneixements sobre sistemes de tractament basats en fongs i avala el seu potencial com a alternatives viables, de baix cost i sostenibles per a la remediació d’aigües residuals contaminades amb OPFRs, amb un clar potencial per a l’aplicació a escala real.

Esta tesis doctoral aborda el uso de hongos de pudrición blanca (WRF), concretamente Trametes versicolor y Ganoderma lucidum, para la biorremediación de retardantes de llama organofosforados (OPFRs), centrándose en el tri-n-butil fosfato (TBP) y el tris(2-cloroetil) fosfato (TCEP). Estos compuestos se detectan con frecuencia en entornos acuáticos y suscitan una preocupación creciente debido a su persistencia, toxicidad y resistencia a los tratamientos convencionales de aguas residuales. El trabajo explora la aplicación de tratamientos fúngicos en biorreactores operados en condiciones realistas y no estériles, con el fin de evaluar su potencial para una implementación práctica. El estudio comienza con la evaluación de varias cepas de Ganoderma por su actividad enzimática y capacidad de decoloración de tintes, lo que llevó a la selección de G. resinaceum como la candidata más adecuada para estudios posteriores. Además, se evaluaron tres hongos ligninolíticos—G. lucidum, T. versicolor y Phanerochaete velutina—por su capacidad de degradar TBP y TCEP, confirmándose una elevada eliminación de TBP por parte de G. lucidum y T. versicolor (>99%) y la implicación del sistema enzimático citocromo P450 como principal vía de degradación. Posteriormente, se probaron diferentes configuraciones de biorreactores para evaluar la eficiencia de colonización fúngica sobre soportes lignocelulósicos en condiciones de estado sólido. Entre ellas, se desarrolló un biorreactor de lecho percolador modificado (MTBR) para mejorar la colonización vertical, mostrando una distribución uniforme de biomasa y niveles más altos de ergosterol en comparación con otros sistemas. A continuación, se aplicó un biorreactor de lecho percolador para el tratamiento de TBP utilizando T. versicolor en condiciones no estériles. Se identificaron varios productos de transformación, lo que permitió esclarecer la posible vía de degradación. El reactor también mantuvo una estabilidad microbiológica adecuada durante todo el periodo de tratamiento, demostrando su robustez en condiciones realistas. Finalmente, el sistema fue probado con G. lucidum para la eliminación conjunta de TBP y TCEP en régimen continuo durante un periodo prolongado, confirmando la reproducibilidad del enfoque y su aplicabilidad a otros OPFRs. En conjunto, la tesis aporta nuevos conocimientos sobre sistemas de tratamiento basados en hongos y respalda su potencial como alternativas viables, económicas y sostenibles para la remediación de aguas residuales contaminadas con OPFRs, con un claro potencial para su aplicación a escala real.

This doctoral thesis addresses the use of white-rot fungi (WRF), specifically Trametes versicolor and Ganoderma lucidum, for the bioremediation of organophosphate flame retardants (OPFRs), focusing on tri-n-butyl phosphate (TBP) and tris(2-chloroethyl) phosphate (TCEP). These compounds are frequently detected in aquatic environments and are of increasing concern due to their persistence, toxicity, and resistance to removal by conventional wastewater treatment technologies. The work explores the application of fungal treatment in bioreactors operated under realistic, non-sterile conditions to assess their potential for practical implementation. The study begins with the screening of several Ganoderma strains for their enzymatic activity and dye decolorization capacity, leading to the selection of G. resinaceum as the most suitable candidate for further work. Additionally, three ligninolytic fungi—G. lucidum, T. versicolor, and Phanerochaete velutina —were evaluated for their ability to degrade TBP and TCEP, confirming high TBP removal by G. lucidum and T. versicolor (>99%), and identifying cytochrome P450 as the main enzymatic system involved. Later, different bioreactor configurations were tested to evaluate the efficiency of fungal colonization on lignocellulosic supports under solid-state conditions. Among them, a modified trickle-bed reactor (MTBR) was developed to improve vertical colonization, demonstrating uniform biomass distribution and higher ergosterol levels compared to other systems. A trickled bed reactor was subsequently applied for the treatment of TBP using T. versicolor under non-sterile conditions. Several transformation products were identified, offering insight into the degradation pathway. The reactor also maintained microbial stability throughout the treatment period, confirming its robustness under realistic conditions. Finally, the system was tested with G. lucidum for the removal of both TBP and TCEP under continuous operation over an extended treatment period, confirming the reproducibility of the approach and its applicability to other OPFRs. Overall, the thesis provides new insights into fungal-based treatment systems and supports their potential as viable, low-cost, and sustainable alternatives for the remediation of OPFR-contaminated wastewater, with clear potential for full-scale applications.