Towards a better water resources management and control using bioelectrochemical systems

Abstract

(English) Freshwater is an extremely scarce yet essential resource for all life forms on planet Earth. Its quality directly impacts the development of human societies as well as the ecosystems balance and health. However, the main causes of freshwater and, consequently, environmental pollution are related to human activities such as agriculture, land use changes or poor water treatment. Therefore, proper treatment of wastewater before disposal is crucial for preserving the quality of the receiving natural environment. Furthermore, the importance of the metabolic activity of microorganisms in both the natural environment and wastewater treatment systems shall be highlighted as they govern the biogeochemical cycles. Indeed, microbial activity is considered as good environmental quality indicator. Given the actual water emergency situation, techniques allowing for fast and efficient monitoring and control of parameters/indicators related to water quality and microbial activity in ecosystems are required. The use of sensors and biosensors might be a good strategy to achieve this goal. Bioelectrochemical systems (BES) are devices capable of generating a small electric current driven by the metabolic activity of electroactive microorganisms. BES, among many other uses, have also been applied as biosensors, for assessing organic substrates and toxic compounds. Therefore, the main objective of this Thesis is to assess the feasibility of using bioelectrochemical systems (BES) for efficient water resources monitoring and control. More specifically, to determine the potential of various types of BES for estimating parameters related to both water quality and the activity of microbial populations inhabiting a given ecosystem. Constructed wetlands (or treatment wetlands, TW) are natural wastewater treatment systems that have been used as a context environment throughout the present Thesis. The results obtained in the first part of the Thesis demonstrate that the implementation of BES in treatment wetlands increases the enzymatic and aerobic activity of the microbial communities, which in turn is related to a better treatment efficiency of these systems compared to conventional ones, i.e., without BES. Subsequently, in the second part, the applicability of different bioelectrochemical systems as biosensors for microbial activity and water quality was evaluated. Regarding the use of MFCs and M3Cs as biosensors, the experiments indicate that both systems can be used to estimate microbial activity and organic matter concentration. Specifically, the parameters that can be estimated with better precision are ATP content and organic matter concentration (measured as chemical oxygen demand, COD), although good results have also been achieved for biomass (measured as volatile solids, VS) and enzymatic activity biosensing. In addition, M3Cs offer better stability, precision, and sensor lifespan compared to MFC ones. Furthermore, the use of current peaks generated during the discontinuous operation of the BES offers better results in terms of sensitivity and precision compared to continuous signal, although information processing is more tedious. Demonstrating that the discontinuous operation of BES is also useful as a biosensing tool allows for widening their applicability to environments in which water saturation conditions are met intermittently. Finally, from the study conducted in a full-scale treatment plant where several MFCs were implemented and used as biosensors, it is found that the BES scaling up is traduced in a decrease of sensor’s precision. However, it allows to determine not only microbial activity and organic matter concentration but also the clogging state of the treatment bed and its hydraulic conductivity. In conclusion, although still in its investigation infancy, bioelectrochemical systems-based biosensors can be used as a holistic monitoring system, at least in water treatment systems, for improving water management and control.

(Català) L'aigua dolça disponible és un bé extremadament escàs però essencial per a qualsevol forma de vida a la Terra. La seva qualitat impacta directament en les poblacions humanes i en la salut i equilibri dels ecosistemes. Malgrat tot, la principal causa de la seva contaminació i, en conseqüència, de la dels ecosistemes naturals, és l'activitat humana. És evident, doncs, que el sanejament adequat de l'aigua residual abans de ser abocada al medi receptor és de capital importància per preservar-ne la qualitat i salut. Per altra banda, l'activitat metabòlica dels microorganismes que habiten tant ambients naturals com els sistemes de sanejament d'aigua és també crucial. De fet, l'activitat microbiana es considera un bon indicador de la qualitat d'un ecosistema. Per tot això, i donada l'actual situació d'emergència hídrica, es requereix de tècniques que permetin un monitoratge i control ràpids i eficients dels paràmetres relacionats amb la qualitat de l'aigua i l'activitat microbiana dels ecosistemes. L'ús de sensors i biosensors pot ser una bona estratègia per aconseguir-ho. En aquest sentit, els sistemes bioelectroquímics (BES, per les seves sigles en anglès) són instruments capaços de generar un petit corrent elèctric gràcies al metabolisme dels microorganismes electroactius, que, entre molts altres usos, s'han aplicat també com a biosensors. Així doncs, l'objectiu principal d'aquesta Tesi és avaluar la viabilitat dels sistemes bioelectroquímics per a un millor monitoratge i control dels recursos hídrics. Concretament, es pretén determinar el potencial de diversos tipus de BES per a l'estimació de paràmetres relacionats amb la qualitat de l'aigua i amb l'activitat microbiana de les poblacions que habiten un ecosistema. Els aiguamolls construïts (o de tractament) són sistemes naturals de tractament d'aigua residual que s'han utilitzat com a sistema de context en aquesta Tesi. Els resultats obtinguts en la primera part de la Tesi demostren que la implementació de BES en aiguamolls construïts incrementa l'activitat enzimàtica i la respiració aeròbica de les comunitats bacterianes, la qual cosa, al seu torn, està relacionada amb una major eficiència de tractament d'aquests sistemes en comparació als convencionals. En la segona part de la Tesi, s'ha avaluat l'ús de diferents BES com a biosensors de l'activitat microbiana i de la qualitat de l'aigua. Els resultats obtinguts demostren l'aplicabilitat de MFCs i M3Cs com a biosensors per a aquesta finalitat. Concretament, els paràmetres que es poden estimar amb més precisió són el contingut d'ATP i la concentració de matèria orgànica, tot i que els resultats també són molt bons per a la biosensorització de la biomassa i de l'activitat enzimàtica. A més, les M3C ofereixen millor estabilitat, precisió i vida útil en comparació a les MFC. Per altra banda, l'ús dels pics de corrent que es generen en l'operació en discontinu d'un BES proporciona més sensibilitat i precisió en comparació al corrent en continu tot i l'augment en el processament d'informació. Demostrar que l'operació en discontinu dels BES és igualment útil com a eina de biosensorització permet ampliar l'aplicabilitat d'aquests biosensors a ambients que estan saturats d'aigua de manera intermitent. Finalment, s'ha estudiat l'ús de MFCs com a biosensors en una planta de tractament d'escala real. D'aquest estudi se'n conclou que l'increment de la dimensió del biosensor provoca una disminució de la precisió d'aquest. Malgrat això, permet determinar no només l'activitat microbiana i la concentració de matèria orgànica, sinó també la colmatació del llit de tractament i la seva conductivitat hidràulica. En conclusió, i malgrat que encara es trobi en un estat incipient de desenvolupament, els biosensors basats en sistemes bioelectroquímics poden utilitzar-se com a sistema de monitoratge i control holístics, almenys en sistemes de tractament, per a la millora de la gestió de l'aigua.

(Español) El agua dulce disponible es un bien extremamente escaso pero esencial para cualquier forma de vida en la Tierra. Su calidad impacta directamente en las poblaciones humanas y en la salud y equilibrio de los ecosistemas. La principal causa de su contaminación, y, en consecuencia, de la de los ecosistemas naturales, es la actividad humana. Es evidente, pues, que el adecuado tratamiento del agua residual antes de su disposición al medio es de capital importancia para preservar su calidad y salud. Por otro lado, la actividad metabólica de los microorganismos tanto en el ambiente natural como en los sistemas de saneamiento del agua es también crucial. De hecho, la actividad microbiana se considera un buen indicador de la calidad de un ecosistema. Por lo expuesto, y dada la actual situación de emergencia hídrica, se requiere de técnicas que permitan un monitoreo y control rápidos y eficientes de los parámetros relacionados con la calidad del agua y la actividad microbiana de los ecosistemas. El uso de sensores y biosensores puede ser una buena estrategia para conseguirlo. En este sentido, los sistemas bioelectroquímicos (BES, por sus siglas en inglés) son instrumentos capaces de generar una corriente eléctrica gracias al metabolismo de los microorganismos electroactivos, que, entre muchos otros usos, se han aplicado también como biosensores. Así pues, el principal objetivo de esta Tesis es evaluar la viabilidad de los sistemas bioelectroquímicos para un mejor monitoreo y control de los recursos hídricos. Concretamente, se pretende determinar el potencial de varios tipos de BES para la estimación de parámetros relacionados con la calidad del agua y con la actividad microbianas de las poblaciones que habitan un ecosistema. Los humedales artificiales (o de tratamiento) son sistemas naturales de tratamiento de aguas residuales que se han usado como sistema de contexto en esta Tesis. Los resultados obtenidos en la primera parte de la Tesis demuestran que la implementación de BES en humedales artificiales incrementa la actividad enzimática y la respiración aeróbica de las comunidades microbianas, lo que, a su vez, está relacionado con una mayor eficiencia de tratamiento de estos sistemas en comparación con los convencionales. En la segunda parte de la Tesis, se ha evaluado el uso de diferentes BES como biosensores de la actividad microbiana y de la calidad del agua. Los resultados obtenidos demuestran la capacidad de MFCs y M3Cs como biosensores para este propósito. Concretamente, los parámetros que se pueden estimar con más precisión son el contenido de ATP y la concentración de materia orgánica, aunque también se han obtenido buenos resultados para la biosensorización de la biomasa y de la actividad enzimática. Además, las M3C ofrecen mejor estabilidad, precisión y vida útil comparadas con las MFC. Por otro lado, el uso de los picos de corriente que se generan en la operación en discontinuo de un BES proporciona más sensibilidad y precisión en comparación con la corriente en continuo a expensas de un aumento del procesado de información. Demostrar que la operación en discontinuo de los BES es igualmente útil como herramienta de biosensorización, permite ampliar la aplicabilidad de estos biosensores a ambientes que están saturados de agua de manera intermitente. Finalmente, se ha estudiado el uso de MFCs como biosensores en una planta de tratamiento de escala real. De este estudio se concluye que el incremento de tamaño del sensor provoca una disminución de la precisión del mismo. A pesar de ello, permite determinar no solo la actividad microbiana y la concentración de materia orgánica, sino también la colmatación del lecho de tratamiento y su conductividad hidráulica. En conclusión, y aunque aún en un estado inicial de desarrollo, los biosensores basados en sistemas bioelectroquímiccos pueden usarse como sistema de monitorización y control holísticos, al menos en sistemas de tratamiento, para la mejora de la gestión del agua.