Novel strategies to reduce persistent, mobile, and toxic substances in groundwater and wastewater: impact on agriculture and human health

Abstract

(English) Water scarcity is one of the most pressing global challenges, particularly in arid and semi-arid regions such as the Mediterranean basin. In countries like Spain, where agriculture is a major consumer of water resources, the reuse of reclaimed water has become essential for ensuring both water and food security. However, treated wastewater effluents and even groundwater can contain organic micropollutants that are partially removed in conventional water treatments. Among these, persistent, mobile, and toxic (PMT) substances are especially concerning due to their resistance to degradation, mobility through water systems, and their toxicity potential in the environment, posing risks to ecosystems, crops, and human health. This PhD thesis explores both the reduction and impact of PMT substances across four experiments. Two focus on treatment technologies, a chemical approach (advanced oxidation process, AOP) and a biological system (nature-based solution, NBS), to eliminate PMT substances from groundwater and wastewater. The other two assess the effects of PMT-contaminated irrigation water on crops, using both hydroponic and soil-based systems. Chapter 3 compares eight oxidation treatments for removing chlorinated solvents from contaminated groundwater, coupled with a human health risk assessment. Chapter 4 investigates four NBS configurations for removing short-chain PFAS and other PMT substances from groundwater and wastewater, focusing on the influence of factors like filter media, grain size, vegetation, and microbial communities. Chapter 5 evaluates PMT uptake and bioaccumulation in lettuce grown in a hydroponic setup, alongside assessments of plant health, metabolomic responses, and implications for food safety. Chapter 7 explores an on-going soil-based irrigation study comparing secondary and pilot-scale quaternary effluents, analysing suspect PMT uptake, and crop quality, complementing the hydroponic findings. Overall, this thesis provides novel insights into PMT substances in water resources and agricultural systems, offering both treatment evaluations and risk-based perspectives that may inform future water reuse strategies and regulatory frameworks.

(Català) L'escassetat d'aigua és un dels reptes globals més urgents, especialment en regions àrides i semiàrides com la conca mediterrània. En països com Espanya, on l'agricultura és un dels principals consumidors dels recursos hídrics, l’us d'aigua regenerada s'ha convertit en essencial per garantir la seguretat hídrica i alimentària. Tanmateix, els efluents d'aigües residuals tractades i fins i tot les aigües subterrànies poden contenir microcontaminants orgànics que els tractaments convencionals eliminen només parcialment. Entre aquests, les substàncies persistents, mòbils i tòxiques (PMT) preocupen per la seva resistència a la degradació, mobilitat en el medi aquàtic i potencial toxicitat ambiental, amb riscos per ecosistemes, cultius i salut humana. Aquesta tesi doctoral estudia la reducció i l'impacte de les substàncies PMT en quatre experiments. Dos sobre tecnologies de tractament, un enfocament químic (procés d'oxidació avançada, AOP) i un sistema biològic (solució basada en la natura, NBS), per eliminar substàncies PMT d'aigües subterrànies i residuals. Els altres dos avaluen els efectes del reg amb aigua contaminada per substàncies PMT en cultius hidropònics i en sòl. El Capítol 3 compara vuit tractaments oxidatius per a l'eliminació de dissolvents clorats en aigües subterrànies contaminades, juntament amb una avaluació del risc per a la salut humana. El Capítol 4 investiga quatre configuracions de NBS per eliminar PFAS de cadena curta i altres substàncies PMT d'aigües subterrànies i residuals, analitzant la influència de factors com material filtrant, mida del gra, vegetació i comunitat microbiana. El Capítol 5 avalua l'absorció i bioacumulació de substàncies PMT en enciams cultivats en hidropònic, juntament amb avaluacions de la salut vegetal, resposta metabolòmica i implicacions per a la seguretat alimentària. El Capítol 7 explora un estudi de reg en sòl que segueix en curs comparant efluent secundari i quaternari, analitzant l’absorció de substàncies PMT, i la qualitat del cultiu, complementant els resultats hidropònics. En conjunt, la tesi aporta nous coneixements sobre les substàncies PMT en recursos hídrics i sistemes agrícoles, oferint avaluacions de tractaments i perspectives basades en riscos que poden orientar futures estratègies de reutilització d'aigua i marcs reguladors.

(Español) La escasez de agua es uno de los desafíos globales más urgentes, especialmente en regiones áridas y semiáridas como la cuenca mediterránea. En países como España, donde la agricultura es un gran consumidor de recursos hídricos, el uso de agua regenerada se ha vuelto esencial para garantizar la seguridad hídrica y alimentaria. Sin embargo, los efluentes de aguas residuales tratadas e incluso las aguas subterráneas pueden contener microcontaminantes orgánicos que los tratamientos convencionales eliminan solo parcialmente. Entre ellos, las sustancias persistentes, móviles y tóxicas (PMT) preocupan por su resistencia a la degradación, movilidad y toxicidad ambiental, con riesgos para ecosistemas, cultivos y salud humana. Esta tesis doctoral estudia la reducción y el impacto de las sustancias PMT en cuatro experimentos: dos sobre tecnologías de tratamiento, un enfoque químico (proceso de oxidación avanzada, AOP) y un sistema biológico (solución basada en la naturaleza, NBS), para eliminar sustancias PMT de aguas subterráneas y residuales, y dos sobre efectos del riego con agua contaminada por substancias PMT en cultivos hidropónicos y en suelo. El Capítulo 3 compara ocho tratamientos oxidativos para la eliminación de disolventes clorados en aguas subterráneas contaminadas, junto con una evaluación del riesgo para la salud humana. El Capítulo 4 investiga cuatro configuraciones de NBS para eliminar PFAS de cadena corta y otras sustancias PMT de aguas subterráneas y residuales, analizando la influencia de factores como material filtrante, tamaño de grano, vegetación y comunidad microbiana. El Capítulo 5 evalúa la absorción y bioacumulación de substancias PMT en lechugas cultivadas en hidroponía, junto con evaluaciones del estado de salud vegetal, respuesta metabolómica e implicaciones para la seguridad alimentaria. El Capítulo 7 explora a través de un estudio de riego en suelo que sigue en curso comparando efluentes secundario y cuaternario, analizando la absorción de substancias PMT, y la calidad del cultivo, complementando los resultados hidropónicos. En conjunto, esta tesis aporta nuevos conocimientos sobre las sustancias PMT en los recursos hídricos y los sistemas agrícolas, ofreciendo evaluaciones de tratamientos y perspectivas basadas en riesgos que pueden orientar futuras estrategias de reutilización de agua y marcos regulatorios.