Fungal biodegradation of pharmaceutical active compounds in wastewater

Abstract

Els fàrmacs constitueixen un grup gran, important i divers, de compostos químics dissenyats per a causar efectes terapèutics sobre la salut principalment humana, però també animal. Per la seva composició, són bioactius i difícils de degradar encara que presentin una dosi mínima. La seva varietat estructural, de composició i efectes és enorme i mentre que alguns d'ells són eliminats completament a les depuradores, d'altres romanen inalterats o parcialment transformats. A més a més, malgrat ser estrictament regulats per assajos clínics abans de la seva distribució al mercat, no existeixen restriccions específiques per al seu alliberament en el medi ambient, i encara manca un mètode de quantificació estàndard per a detectar-los. Cal implementar tecnologies alternatives en les depuradores per a eliminar aquests principis actius de l'aigua abans de ser abocats al medi ambient. Un possible tractament és l'ús de fongs ligninolítics per a degradar aquests compostos. En relació amb aquest tractament, el fong T. versicolor, membre del grup de fongs de podridura blanca, ha estat àmpliament estudiat en l'eliminació de molts fàrmacs en aigües residuals i condicions no estèrils. Tanmateix, encara hi ha diverses qüestions a resoldre d’entre les quals en destaquen: els compostos recalcitrants, la generació de productes de transformació i colls d'ampolla operacionals. Es consideren recalcitrants aquells fàrmacs que romanen inalterats a causa de la seva estructura estable durant els tractaments d’eliminació. En el cas dels tractaments amb fongs, aquesta estabilitat depèn principalment de factors com el mecanisme de degradació, directament afectat pel metabolisme de les espècies de fong emprades. Per tal de descobrir candidats potencials per a l'eliminació i biodegradació de compostos recalcitrants es va realitzar un experiment de cribatge entre 6 espècies diferents de fongs. Espècies poc estudiades, com ara S. rugosoannulata i G. luteofolius, van permetre obtenir importants eliminacions vinculades amb processos de biodegradació. També es va estudiar l'eliminació de fàrmacs tenint en compte els diferents mecanismes de biodegradació i sorció en cultius submergits. Pel que fa a la sorció, les anàlisis dels fàrmacs presents en la fase líquida i en la biomassa del fong mostren resultats semblants respecte de la sorció estimada a partir de controls amb biomassa de fong inactivats per calor. S'ha demostrat que 6 dies no és temps suficient per al fong per a poder degradar els contaminants adsorbits. Pel que fa a la generació de productes de transformació a partir dels compostos principals, es van identificar o-desmethylvenlafaxine i n-desmethylvenlafaxine com els dos principals productes de transformació biològica generats durant la degradació del compost recalcitrant venlafaxina. D'altra banda, els productes de transformació generats pel fong P. ostreatus en la degradació de diclofenac i ketoprofè coincideixen amb les molècules generades per T. versicolor en el mateix tipus de tractament, segons els seus perfils de ressonància magnètica nuclear. A més a més, estudis sobre dos dels principals mecanismes enzimàtics dels fongs, van demostrar que l'enzim extracel·lular lacasa està implicat en la degradació de compostos recalcitrants com l'atenolol, mentre que el complex enzimàtic intracel·lular citocrom P450 intervé en l’eliminació de diclofenac. Els colls d'ampolla operacionals com la competència de la microbiota nativa pels nutrients en els bioreactors fúngics provoquen diversos problemes en l’aplicació del tractament en continu. Per a prevenir la proliferació de bacteris, es va avaluar la implementació d'un biofiltre de sorra per a la reducció de la càrrega bacteriana en aigües residuals d'hospital. Malgrat aconseguir certa reducció bacteriana, aquest pretractament no va permetre reduir prou la càrrega bacteriana d’entrada del reactor amb el fong. En canvi, la microbiota nativa present en el biofiltre de sorra va ser capaç d’eliminar concentracions de l’antibiòtic ciprofloxacina i l'analgèsic ibuprofè. Això va motivar l’anàlisi molecular mitjançant electroforesi en gel de gradient desnaturalitzant (DGGE) per tal d’analitzar els canvis que es produïen en la microbiota com a conseqüència de l’exposició continuada a fàrmacs i quines poblacions microbianes eren candidats potencials responsables de l’eliminació dels fàrmacs en qüestió. Un altre dels problemes operatius a tractar en reactors amb T. versicolor va ser la necessitat de proveir de carboni el reactor per una banda, i del control del pH per l’altra. En aquesta tesi, P. ostreatus i S. rugosoannulata han demostrat poder-se autoproveir de carboni a partir d'aigües residuals amb alts valors de demanda química d'oxigen (DQO), evitant així la necessitat del seu subministrament. A més a més, S. rugosoannulata també va poder reduir el pH de les aigües residuals hospitalàries al seu nivell òptim i, per tant, va mostrar trets prometedors de cara a la seva futura plena implementació en reactors.

Los fármacos son un grupo grande, importante y diverso, de compuestos químicos diseñados para causar efectos terapéuticos sobre la salud principalmente humana, pero también animal. Por su composición, son bioactivos y difíciles de degradar aunque presenten una dosis mínima. Su variedad estructural, de composición y efectos es enorme y mientras que algunos de ellos son eliminados completamente en las depuradoras, otros permanecen inalterados o parcialmente transformados. Además, a pesar de ser estrictamente regulados por ensayos clínicos antes de su distribución en el mercado, no existen restricciones específicas para su liberación en el medio ambiente, y aún falta un método de cuantificación estándar para detectarlos. Hay que implementar tecnologías alternativas en las depuradoras para eliminar estos principios activos del agua antes de ser vertidos al medio ambiente. Un posible tratamiento es el uso de hongos ligninolíticos. En relación con este tratamiento, el hongo T. versicolor, perteneciente al grupo de hongos de podredura blanca, ha sido ampliamente estudiado en la eliminación de muchos principios activos farmacéuticos en aguas residuales y condiciones no estériles. Sin embargo, aún hay varias cuestiones a resolver entre las cuales destacan: los compuestos recalcitrantes, la generación de productos de transformación y cuellos de botella operacionales. Se consideran recalcitrantes aquellos fármacos que permanecen inalterados debido a su estructura estable durante los tratamientos de eliminación. En el caso de los tratamientos con hongos, esta estabilidad depende principalmente de factores como el mecanismo de degradación, directamente relacionado con el metabolismo de las especies de hongo empleadas. En ese sentido se realizó un experimento de cribado entre 6 especies diferentes de hongos para descubrir candidatos potenciales para tratar compuestos recalcitrantes. Especies hasta ahora poco estudiadas, como S. rugosoannulata y G. luteofolius, proporcionaron importantes eliminaciones, vinculadas a procesos de biodegradación. También se estudió la eliminación de fármacos teniendo en cuenta los diferentes mecanismos de biodegradación y sorción en cultivos sumergidos. En cuanto a la sorción, los análisis de los fármacos presentes en la fase líquida y en la biomasa del hongo muestran resultados similares respecto a la sorción estimada a partir de controles con biomasa de hongo inactivada por el calor. Se ha demostrado que 6 días no es tiempo suficiente para que el hongo pueda degradar los contaminantes adsorbidos. En cuanto a la generación de productos de transformación a partir de compuestos principales, se identificaron o-desmethylvenlafaxine y n-desmethylvenlafaxine como los dos principales productos de transformación biológica generados durante la degradación del compuesto recalcitrante venlafaxina. Por otra parte, los productos de transformación generados por el hongo P. ostreatus en la degradación de diclofenaco y ketoprofeno coinciden con las moléculas generadas por T. versicolor en el mismo tratamiento, según sus perfiles de resonancia magnética nuclear. Además, estudios sobre dos de los principales mecanismos enzimáticos de los hongos, demostraron que enzima extracelular lacasa está implicada en la degradación de compuestos recalcitrantes como el atenolol, mientras que el complejo enzimático intracelular citocromo P450 interviene en la eliminación de diclofenaco. Los cuellos de botella operacionales como la contaminación microbiana y la competencia por los nutrientes en los biorreactores fúngicos provocan varios problemas en el mantenimiento de los mismos. Para prevenir la proliferación de bacterias se evaluó la implementación de un biofiltro de arena para la reducción de la carga bacteriana en aguas residuales de hospital. A pesar de conseguir cierta reducción bacteriana, este pretratamiento no permitió reducir suficientemente la carga bacteriana de entrada del reactor con el hongo. En cambio, la microbiota nativa presente en el biofiltro de arena fue capaz de eliminar concentraciones del antibiótico ciprofloxacina y el analgésico ibuprofeno. Esto motivó el análisis molecular mediante electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante (DGGE) para analizar los cambios que se producían en la microbiota como consecuencia de la exposición continuada a fármacos y que poblaciones microbianas eran candidatos potenciales responsables de la elimincación de dichos fármacos. Otro de los problemas operativos a tratar en reactores con T. versicolor es la necesidad de proveer el reactor de carbono por un lado, y del control del pH por el otro. En esta tesis, P. ostreatus y S. rugosoannulata han demostrado poderse autoproveer de carbono a partir de aguas residuales con altos valores de demanda química de oxígeno (DQO), evitando así la necesidad de su suministro. Además, S. rugosoannulata también pudo reducir el pH de las aguas residuales hospitalarias a su nivel óptimo y, por tanto, mostró rasgos prometedores para su futura implementación completa en reactores.

Pharmaceutical active compounds are an important, large and diverse group of chemical compounds designed to cause therapeutic effects on health, mainly human but also animal. Because of their composition, they are bioactive and difficult to be degraded even when present at a minimal dose. Their variety of structure, composition and effects is huge, while some of them are completely removed at wastewater treatment plants, others are only partially or non-removed. Furthermore, despite of being strictly regulated by clinical trials before their market distribution, specific restrictions for their release in the environment are almost non-existent, and there is not a standard quantification method yet. Regarding this situation, there is a need to implement alternative technologies in wastewater treatment plants to remove pharmaceuticals from water before entering the environment. One possible treatment is the use of ligninolytic fungi to degrade these compounds. In relation with this approach, the white-rot fungus T. versicolor has been widely studied in the removal of many pharmaceutical active compounds in wastewater under non-sterile conditions. However, there are still several questions to tackle: recalcitrant compounds unable to be degraded, the generation of transformation products, and operational bottlenecks can be highlighted among many other. Certain pharmaceuticals are considered recalcitrant due to its stable structure when treated for their removal. In fungal treatment, this stability depends mainly on factors such as the degradation mechanism, which is directly affected by the metabolism of the fungal species. A screening experiment among 6 different species of fungi attempted to discover new candidates in the removal and biodegradation of recalcitrant compounds. Scarcely studied species such as S. rugosoannulata and G. luteofolius obtained considerable removals linked to biodegradation processes. The removal of pharmaceutical active compounds has also been studied in terms of biodegradation and sorption mechanisms in submerged cultures. Regarding sorption processes, the analyses of the pharmaceutical active compounds present in liquid phase and in fungal biomass showed similar results respect to the sorption estimated by heat killed control biomass. It has been proven that 6 days is generally insufficient time for fungal biomass to degrade the adsorbed contaminants. Concerning the generation of transformation products from parental compounds, odesmethylvenlafaxine and n-desmethylvenlafaxine were identified as the two main biological transformation products generated during the degradation of the recalcitrant compound venlafaxine. On the other hand, transformation products generated by the fungus P. ostreatus in the degradation of diclofenac and ketoprofen coincide with the molecules generated by T. versicolor in the same treatment according to their nuclear magnetic resonance profiles. Besides, studies on two main fungal enzymatic mechanisms showed that the extracellular enzyme laccase is involved in the degradation of recalcitrant compounds such as atenolol, whereas the intracellular enzymatic complex cytochrome P450 is involved in diclofenac transformation. Operational bottlenecks, such as microbial competition by native microbiota for nutrients in fungal bioreactors, cause several problems in applying continuous treatment. In order to prevent bacteria proliferation, the implementation of a biosand filter for the reduction of a high bacterial load in hospital wastewater was evaluated. This pretreatment was not able to achieve enough reduction in bacterial load of the fungal reactor’s inlet. Instead, the native microbiota present in the biosand filter was able to remove spiked concentrations of the antibiotic ciprofloxacin and the analgesic ibuprofen. This opened the way for a molecular biology study with denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) to analyse which changes in the microbiota could entail the presence of potential candidates for pharmaceutical removal and which could be those microorganisms. Other operational issues to be tackled in T. versicolor reactors were the need for carbon supply and the pH control. In this thesis, P. ostreatus and S. rugosoannulata have proven able to self-obtain its carbon source from wastewaters achieving high chemical oxygen demand (COD) reductions, avoiding the need for carbon supply. Besides, S. rugosoannulata was also able to lower the pH of hospital wastewaters to its optimal, and hence showing promising features to its full implementation in reactors.