Biodegradation of pharmaceuticals by Trametes versicolor

Abstract

Els fàrmacs (PhACs) són un important grup de contaminants emergents que degut a la seva presència en el medi ambient i la seva difícil degradació han aixecat un gran interès en la comunitat científica. Alguns d’aquests PhACs són àmpliament utilitzats sense recepta i després de la seva ingestió son excretats per la orina i els fems, ja sigui en forma de compost actiu o com a metabòlit. Aquests productes entren a les estacions depuradores d’aigües residuals, on alguns d’aquests compostos no són eliminats eficaçment, sent capaços d’arribar a les aigües superficials, subterrànies i, posteriorment, a l’aigua potable. El present treball avalua la viabilitat de la bioremeïació dels PhACs per fongs de podridura blanca. Aquests fongs tenen el potencial de degradar una àmplia gamma de contaminants xenobiòtics i recalcitrants degut al seu sistema enzimàtic inespecífic, capaç d’actuar sobre diversos substrats a través de l’acció d’enzims intracel·lulars (com el citocrom P450) i extracel·lulars (com la lacasa i peroxidasas). De tots els fongs, s’ha escollit Trametes versicolor per dur a terme l’estudi sobre la degradació d’analgèsics i anti-inflamatoris (ketoprofen i diclofenac), antiepilèptics (carbamazepina), reguladors de lípids (àcid clofibric), antibiotics (ofloxacina) i un agent de contrast per rajos X (iopromida). El primer pas en la investigació va consistir en el estudi de la degradació de PhACs de forma individual per T. versicolor a escala Erlenmeyer i en condicions estèrils. Per tal d’obtenir més coneixements en el mecanisme de degradació dels PhACs pel fong, es va estudiar en detall la transformació dels fàrmacs anteriorment esmentats i en alguns casos es va proposar la via de degradació. Paral·lelament es va estudiar els enzims implicats en la degradació dels PhACs. També es va avaluar la toxicitat del brou de cultiu, on els productes de degradació estaven presents i d’aquesta manera poder observar si els compostos produïts son més tòxics que el propi fàrmac. Posteriorment, amb l’objectiu d’escalar el procés de la degradació de PhACs, es va utilitzar un bioreactor de llit fluïditzat per la eliminació de la carbamazepina i de l’àcid clofibric, operat tant en continu com discontinu. En els resultats també es va incloure la identificació dels productes de transformació, junt amb l’avaluació de la toxicitat dels efluents. D’altra banda, a causa del gran nombre de publicacions sobre la degradació de PhACs individuals per fongs publicats durant el transcurs d’aquesta tesis, es va realitzar una revisió bibliogràfica sobre aquest camp de recerca. Per últim, en un intent d’escalar el procés a nivells més reals i per tant proporcionar una millor estimació del possible impacte ambiental de l’aplicació d’aquest procés, es va tractar una aigua residual urbana i d’hospital en un bioreactor operat en discontinu. El tractament de l’aigua residual es va fer en condicions no estèrils, on altres microorganismes estan presents, i a les concentracions preexistents dels contaminants, és a dir, sense afegir cap contaminant. En un experiment preliminar amb l’aigua residual urbana, es va observar la necessitat d’afegir una font addicional de carboni i nitrogen per mantenir l’activitat del fong. Per altra banda, els resultats obtinguts van ser positius ja que es va observar l’eliminació de gairebé tots els PhACs detectats en les aigües urbanes i d’hospital, juntament amb una notable reducció de la toxicitat global després del tractament, el que fa concloure que pot ser un tractament adequat i cal seguir investigant en altres aspectes per desenvolupar i optimitzar el procés abans de implementar-lo a escala real.

Pharmaceutical active compounds (PhACs) are an important group of emerging contaminants that have raised an increasing interest in the scientific community due to their ubiquitous presence in the environment and their difficult degradation. Some of these drugs are extensively used as non-prescription drugs and after their intake, are excreted with urine and faeces either as active substances or metabolites. These substances come into wastewater treatment plants where some compounds are not efficiently removed, being able to reach surface, groundwater and subsequently, drinking water. The present work assesses the feasibility of PhACs bioremediation by white-rot fungi (WRF). WRF have the potential to degrade a wide range of xenobiotic and recalcitrant contaminants due to their unspecific enzymatic system, able to act on diverse substrates through the action of intracellular (i.e. cytrochrome P450 system) and extracellular (i.e laccases and peroxidases) enzymes. The fungus Trametes versicolor has been chosen to carry out the degradation study of some analgesics and anti-inflammatory (ketoprofen and diclofenac), anti-epileptics (carbamazepine), lipid regulators (clofibric acid), antibiotics (ofloxacin) and a X-ray contrast agent (iopramide). The first step in the research deals with the preliminary assessment of the individual PhACs degradation by T. versicolor at Erlenmeyer scale and sterile conditions. To obtain further insights in the mechanism of PhACs degradation by the fungus, the transformation products were identified as well as the enzyme responsible for the degradation of the parent compound with the aim of proposing a degradation pathway. In addition, an assessment of the toxicity of the broth, where transformation products were present, was included. Furthermore, with the aim of scale up the PhACs degradation process, a fluidized bed bioreactor was employed for the degradation of carbamazepine and clofibric acid, operated in both continuous and batch mode. Results also include the identification of transformation products and the toxicity assessment.On the other hand, due to the great number of publications about the degradation of pharmaceuticals by white-rot fungi that appeared over the course of this thesis, it was decided to include a literature review to evaluate the current state of the art in this topic. Finally, in an attempt to scale up the process to real approaches and thus provide a better estimation of the potential environmental impact of the application of such process, T. versicolor was used in a non-sterile batch bioreactor treatment for the removal of pre-existent PhACs from urban and hospital wastewater, where many contaminants and other microorganism are present. In preliminary experiments with urban wastewater, it was found the necessity of an extra source of carbon and nitrogen to maintain the activity of the fungus in the wastewater. Moreover, an important removal was observed for almost all drugs detected in both urban and hospital wastewater, together with a remarkable reduction of the overall toxicity.