Degradation of pharmaceuticals in sewage sludge by Trametes versicolor

Abstract

Dada la ineficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales para eliminar completamente los contaminantes orgánicos, los lodos en ellas producidos constituyen una importante fuente de agentes tóxicos. Consecuentemente, la cada vez más popular práctica de aplicar lodos in tierras de uso agrícola resulta en la diseminación de estos microcontaminantes en el ambiente. El presente trabajo describe el desarrollo de una estrategia biotecnológica para la eliminación de contaminantes emergentes en lodos de depuradora, con particular énfasis en compuestos farmacéuticos, y basado en la aplicación de un hongo de la podredumbre blanca (white-rot fungus), Trametes versicolor. Este hongo es conocido por su amplia capacidad degradativa de organocontaminantes. La primera etapa de la investigación describe la evaluación preliminar de la colonización de sistemas de lodos estériles por parte del hongo (fase sólida y suspensión o “slurry”) y la capacidad de degradación de dos drogas terapéuticas modelo (carbamazepina y naproxeno) en dichos sistemas. El desarrollo de una prueba de degradación llamada ND24, diseñada para el monitoreo del estatus metabólico de T. versicolor en procesos de biorremediación en fase sólida es también descrita. A continuación, en una segunda etapa, los tratamientos en fase sólida y bioslurry fueron empleados para la degradación de fármacos, a concentraciones preexistentes, en lodos de depuradora estériles. Esta parte del trabajo fue llevada a cabo en condiciones estériles para demostrar que la eliminación se debe al hongo y no a las comunidades microbianas presentes en los lodos. En los sistemas de fase sólida (biopilas), una eliminación importante fue observada para todos los agentes terapéuticos detectados, así como una destacable reducción en la toxicidad. Similarmente, la eliminación de fármacos y otros grupos de contaminantes emergentes fue también conseguida en los reactores en “slurry”. Sin embargo, en términos de toxicidad y eliminación, el tratamiento en fase sólida mostró un mejor rendimiento comparado con el bioslurry, razón por la cual, las biopilas fueron posteriormente empleadas para el tratamiento de lodo no estéril. La tercera etapa consistió en la aplicación de T. versicolor en biopilas no estériles para la eliminación de fármacos preexistentes en lodos. Este proceso de bioaumentación fue comparado con la acción de únicamente los microorganismos autóctonos. Mediante técnicas moleculares se pudo dar monitoreo a la colonización y supervivencia de T. versicolor en el proceso y su efecto sobre las comunidades microbianas, paralelo a la degradación de los agentes terapéuticos. En un intento por obtener mayores detalles en el mecanismo de degradación, la transformación de varias sulfonamidas, usualmente encontradas en los lodos y eliminadas por el hongo, fue estudiada en profundidad. Los resultados incluyen la identificación de productos de transformación y la participación de algunas enzimas. El uso de un reactor de lecho fluidizado con pellets de T. versicolor para la eliminación simultánea de tres sulfonamidas es también descrito.

Given the the inefficiency of sewage treatment facilities to completely remove organic pollutants, the sludge produced in wastewater treatment plants constitutes an important source of contaminants. Subsequently, the increasingly popular practice of applying sludge in agricultural lands results in the spread of these micropollutants in the environment. The present work describes the development of a biotechnological approach based on the application of a white-rot fungus, Trametes versicolor, for the elimination of emerging contaminants, in particular pharmaceuticals, from sewage sludge. This fungus is known for its wide spectrum of degradation ability towards organopollutants. The first stage in the research deals with the preliminary assessment of fungal colonization of sterile sludge systems (solid-phase and slurry) and the capacity of degradation of two model pharmaceuticals (carbamazepine and naproxen) in those systems. The development of a degradation test called ND24, designed to monitor the metabolic status of T. versicolor in solid-phase bioremediation process is also described. Afterwards, in a second stage, the solid-phase and the biosurry treatments were employed for the degradation of pharmaceuticals at pre-existent concentrations from sterile sewage sludge. Work was undergone in sterile conditions in order to demonstrate that removal was due to the fungus and not to the microbial communities present in the sludge. In the solid-phase biopiles an important removal was observed for all the drugs detected, together with a remarkable reduction in the global toxicity. Similarly, elimination of pharmaceuticals and other groups of emerging pollutants was achieved in the slurry bioreactor. However, in terms of toxicological and removal values, the solid-phase biopiles showed an enhanced performance compared to the slurry, reason why the current were further employed for the treatment of non-sterile sludge. The third stage consisted in the application of T. versicolor in non-sterile biopiles for the elimination of pre-existent pharmaceuticals from sludge. This bioaugmentation process was compared with the action of solely the autochthonous microbiota. Molecular techniques permitted to monitor the colonization and survival of T. versicolor in the process and its effect over the microbial communities, parallel to the removal of the therapeutic drugs. In an attempt to obtain further insights in the mechanism of degradation, the transformation of several sulfonamides, usually found in the sludge and removed by the fungus, was studied in detail. Results include the identification of transformation products and the participation of some enzymes. The use of a continuous fluidized bed reactor with fungal pellets for the simultaneous removal of three sulfonamides is also described.