Microbial communities driving emerging contaminant removal. Impact of treated wastewater on the ecosystem

Abstract

Actualment, un dels nous reptes de la comunitat científica és fer front a l'increment de contaminants emergents als ambients naturals. La bioremediació s'ha perfilat com una bona alternativa per donar resposta a aquesta necessitat. El propòsit d'aquesta tesi ha estat estudiar les comunitats microbianes responsables de l'eliminació de contaminants emergents en diversos sistemes artificials, així com determinar l'impacte dels efluents resultants quan s'utilitzen com a aigua regenerada. Diferents tècniques moleculars i eines bioinformàtiques han permès caracteritzar els cultius d'enriquiment establerts, així com els bioreactors amb bacteris, algues i fongs, capaços d'eliminar contaminants. Els generes bacterians Dehalogenimonas i Dehalobacterium s'han identificat com a responsables de la degradació d'organohalonenats en dos cultius d'enriquiment i la seva microbiota acompanyant ha estat estat avaluada per posar de manifest possibles sinèrgies. Paral·lelament, s'ha caracteritzat la comunitat desenvolupada en un fotobioreactor a escala pilot durant l'eliminació de contaminants i productes farmacèutics a partir d'aigües residuals urbanes. Pel que fa a compostos estrogènics, s'ha demostrat una millor capacitat d'eliminació per part dels cultius d'enriquiment de microorganismes fototròfics en comparació amb cultius purs. A més a més, s'ha relacionat la presència de cianobacteris filamentosos amb una recuperació ràpida i eficaç de la biomassa fotosintètica. D'altra banda, s'ha analitzat la dinàmica de bacteris i fongs, així com de Trametes versicolor inoculat en bioreactors continus i biopiles fúngiques utilitzats per tractar aigues residuals hospitalàries i llots de depuradora. Tant el fong inoculat com algunes de les comunitats bacterianes indígenes s'han correlacionat amb l'eliminació d'alguns grups de fàrmacs. Finalment, s'ha evaluat l'impacte dels efluent obtinguts a partir de diferents tractaments d'aigues residuals hospitalàries irrigant microcosmos que mimetitzàven el sòl. Els resultats obtinguts han posat de manifest que els efluents fúngics es comporten de manera similar als controls negatius sense productes farmacèutics.

Rising awareness of pollutants not previously detected or monitored (emerging contaminants) has brought new challenges to the scientific community focused in environmental remediation. This thesis aimed to assess the microbial communities responsible of emerging contaminant removal in a variety of human-engineered systems as well as to evaluate the impact of the resulting effluents when they are used as reclaimed water. Molecular microbiology methods were used along with bioinformatic tools to assess the development of enrichment cultures and bioreactors driven by bacteria, algae and fungi, capable of pollutant removal. The bacterial genera Dehalogenimonas and Dehalobacterium were identified as the responsible of organohalide degradation in two enrichment cultures and their concomitant microbiota was assessed to denote putative synergies. The specialized community developed in a pilot-scale photobioreactor was also elucidated during urban wastewater treatment, with efficient removal of pollutants and pharmaceuticals. Efficiency of enrichment cultures, obtained from natural environments, over algal pure cultures was demonstrated in the removal of estrogenic compounds. Moreover, filamentous cyanobacteria were linked to a fast and efficient recovery of photosynthetic biomass. The dynamics of indigenous bacteria, fungi, and the inoculated strain of Trametes versicolor were assessed in continuous bioreactors and fungal biopiles treating hospital wastewater and sewage sludge, respectively. Both the inoculated fungus and some bacterial communities were correlated to the removal of pharmaceutical families. Finally, the effect of effluents obtained from fungal treatment over soil ecosystems were compared to conventionally-treated wastewater in laboratory model systems (microcosms), showing up a similar behavior to the negative controls that did not contain pharmaceuticals.