Developing and scaling up a trickle bed reactor for degrading pesticides from agricultural wastewater by fungi

Abstract

Al llarg de les darreres dècades, la contaminació del medi aquàtic per part de nombrosos micro-contaminants és un dels problemes globals a què s’enfronta la humanitat. Tot i que aquests compostos es detecten a baixes concentracions, susciten considerables preocupacions toxicològiques i representen una greu amenaça pels ecosistemes i els éssers humans. Entre els micro-contaminants, els pesticides, introduïts involuntàriament o deliberadament en el medi ambient com a resultat d’activitats antròpiques, principalment pràctiques agrícoles, es consideren la contribució clau del deteriorament de l’aigua i un desafiament important per a les societats modernes, degut a la seva escassa eliminació en les plantes convencionals de tractament d’aigües residuals. Per tant, es necessita amb urgència el desenvolupament de tecnologies capaces d’eliminar-los de l’aigua. La gran varietat i les característiques de baixa especificitat vers els substrats del sistema enzimàtic degradador de la lignina, permeten als fongs de podridura blanca (WRF) ser una opció per afrontar aquesta creixent preocupació mundial.

La present tesi té com a objectiu desenvolupar una planta pilot que permeti abordar l’eliminació de pesticides de les aigües residuals agrícoles mitjançant un tractament per WRF en condicions no estèrils operant duran períodes llargs de temps sense necessitat de canviar el biocatalitzador.

En primer lloc, es va seleccionar un candidat òptim entre diversos fongs ligninolítics estudiant la degradació de diferents pesticides, que es van detectar amb freqüència en dues zones agrícoles catalanes. Trametes versicolor es va seleccionar per a ser utilitzat en els reactors a causa del seu millor rendiment de degradació. A més, es van investigar les característiques de degradació dels pesticides seleccionats, inclosos el sistema enzimàtic involucrat i la via de degradació.

En segon lloc, es va construir un filtre percolador a escala de laboratori (TBR) amb T. versicolor immobilitzat sobre estelles de fusta de pi. Es va utilitzar per tractar l’aigua agrícola (AW) dopada amb pesticides seleccionats i es va comparar amb el reactor de llit fluïditzat (FBR), ben establert en el grup de recerca, es van analitzar diferents aspectes, com ara l’eficàcia de l’eliminació, la robustesa i el cost econòmic, etc. TBR va resultar la millor opció. Després, es va aplicar per eliminar els pesticides de l’AW real, i es van obtenir bons resultats. Tant amb l’aigua real com amb la dopada es va demostrar que el suport lignocel·lulòsic no només actua com a font de nutrients, sinó que també té un paper vital en el tractament, degut a l’adsorció. A més, els resultats suggereixen que es podria aconseguir una millora en el procés amb més biomassa a l’interior del reactor, per la qual cosa es va canviar de suport, escollint un de l’habitat natural del fong.

Basant-se en els resultats previs, es va construir un TBR a escala pilot amb T. versicolor colonitzat sobre estelles de fusta de roure i va funcionar amb èxit durant 186 dies tractant AW dopada en condicions no estèrils i en continu. Al llarg del període de funcionament, el reactor es va comportar estable i prometedor. El problema de l’obstrucció, com a conseqüència d’un creixement continu del fong, es va abordar eficaçment mitjançant la reordenació del llit empacat, sense danyar el biofilm. L’escalat del reactor va mostrar una bio-activitat persistent i una alta robustesa. En resum, aquest estudi aporta llum a la bioremediació d’aigües contaminades per pesticides mitjançant WRF. A més, serveix com a prova del concepte que els micro-contaminants de les aigües residuals poden ser eliminats mitjançant un tractament a llarg termini amb fongs amb podridura blanca.

Durante las últimas décadas, la contaminación del medio acuático por numerosos microcontaminantes es uno de los problemas globales a los que se enfrenta la humanidad. Aunque esos compuestos normalmente se detectan en bajas concentraciones, suscitan considerables preocupaciones toxicológicas, lo que representa una grave amenaza para el ecosistema y los seres humanos. Entre los microcontaminantes, los pesticidas, introducidos de forma involuntaria o deliberada en el medio ambiente como resultado de actividades antropogénicas, principalmente prácticas agrícolas, se consideran la contribución clave en el deterioro del agua y un importante desafío para las sociedades modernas, debido a su escasa eliminación en las plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales. Por lo tanto, se necesita con urgencia el desarrollo de tecnologías capaces de eliminarlos del agua. La gran variedad y la característica de baja especificidad por el sustrato del sistema de enzimas que degradan la lignina otorgan un alto potencial a los hongos de pudrición blanca (WRF) para abordar esta creciente preocupación mundial.

La presente tesis tiene como objetivo desarrollar una planta piloto que permita eliminar pesticidas de aguas residuales agrícolas con un tratamiento WRF en condiciones no estériles y durante largos periodos sin necesidad de cambiar el biocatalizador.

En primer lugar, se seleccionó un candidato óptimo entre varios hongos ligninolíticos utilizando como sustratos diferentes pesticidas, que se detectaban con frecuencia en dos zonas agrícolas catalanas. Se seleccionó Trametes versicolor para ser utilizado en los reactores debido a su mayor rendimiento de degradación. Además, se investigaron las características de degradación de los pesticidas seleccionados por T. versicolor, incluido el sistema enzimático y la vía de degradación.

En segundo lugar, se construyó un filtro percolador (TBR) a escala de laboratorio con T. versicolor inmovilizado sobre astillas de madera de pino. Se empleó para tratar agua de agricultura (AW) dopada con pesticidas seleccionados, y se comparó con el reactor de lecho fluidizado (FBR) bien establecido en el grupo de investigación, en función de diferentes aspectos, como la eficacia de eliminación, la robustez y el costo económico, etc. En consecuencia, TBR resultó la mejor opción en el estudio comparativo. Posteriormente se aplicó para eliminar pesticidas de AW reales y se obtuvieron buenos resultados. Tanto los experimentos con aguas reales AW, como con AW dopadas indican que el soporte lignocelulósico no solo actúa como fuente de nutrientes, sino que también desempeña un papel vital en el tratamiento, a través de la adsorción. Además, los resultados demuestran que se podría mejorar el proceso aumentando la cantidad de biomasa en el reactor, por lo que se cambio de soporte, eligiendo uno del hábitat natural de hongo.

Sobre la base los resultados previos, se construyó un TBR a escala piloto con astillas de madera de roble colonizadas por T. versicolor y se operó con éxito durante 186 días para tratar el AW dopada, en condiciones no estériles y operando en continuo. Durante el período de tratamiento, se alcanzaron resultados estables y prometedores. El problema de la obstrucción, como consecuencia del crecimiento continuo del hongo, se abordó eficazmente mediante la reorganización del lecho empacado, sin dañar la biopelícula. El reactor ampliado mostró una bioactividad persistente y una gran robustez.

En resumen, este estudio arroja luz sobre la biorremediación de agua contaminada con pesticidas mediante WRF. Además, sirve como prueba de concepto de que los microcontaminantes de las aguas residuales pueden eliminarse mediante un tratamiento prolongado con hongos de podredumbre blanca sin necesidad de adicionar nutrientes ni renovar la biomasa.

Over the last decades, the pollution of aquatic environment by numerous micropollutants is one of global problems facing humanity. Although those compounds are normally present at low concentrations, they raise considerable toxicological concerns, posing severe threat to ecosystem and human beings. Among micropollutants, pesticides, introduced inadvertently or deliberately into environment resulted from anthropogenic activities, mainly agricultural practice, are widely accepted as the key trigger of water deterioration and a major current challenge for modern societies, since their poor elimination in conventional wastewater treatment plant. Thus, the development of technologies capable of reducing them from water body is urgently needed. The richness and low-substrate specificity features of lignin-degrading enzyme system enable the high potential of white-rot fungi (WRF) in addressing this escalating world concern.

The present thesis aims to develop a pilot plant that is allowed to address pesticides from agricultural wastewater in a long-term treatment by WRF under non-sterile conditions.

Firstly, an optimal candidate was screened out from several ligninolytic fungi using different pesticides, which were frequently detected in two Catalonian agricultural area, as substrates. Trametes versicolor was selected for reactors set up owing to its remarked performance. In addition, the degradation characteristics of the targeted pesticides by the chosen alternative were investigated, including enzymatic system and degradation pathway.

Secondly, a lab-scale trickle bed (TBR) was constructed with T. versicolor immobilized on pine wood chips. It was employed to treat agriculture water (AW) fortified by selected pesticides, and compared to the well established fluidized bed reactor (FBR) based on different aspects, such as removal efficacy, robustness, and economic cost, etc. Accordingly, TBR emerged as the preferred option in the comparative study. Then, it was subsequently applied for eliminating pesticides from real AW, turned out good results were obtained. Both spiked and real scenarios indicate that the lignocellulosic carrier not only act as nutrient source, but also played a vital role in treatment, through adsorption effect. Besides, our findings suggest that an enhanced demonstration could be achieved by retaining the biomass inside the reactor.

Based on gained experiences and perspectives, a pilot-scale TBR with T. versicolor colonized on oak wood chips, was installed and successfully operated for 186 days to deal with spiked AW under non-sterile conditions in continuous mode. Throughout the long-term running period, stable and promising performances were approached. The clogging issue, as a consequence of continuous fungal growth, was effectively tackled by rearrangement of the packing bed, without damaging the biofilm. The scaled-up reactor displayed persistent bioactivity and high robustness.

To sum up, this study sheds light into pesticides-contaminated water bioremediation by WRF. Also, it serves as a proof of the concept that micropollutants in the wastewater can be dismissed by a long-term white-rot fungal treatment.