Development of bioaugmentation and sewage sludge composting technologies to remove emerging and priority pollutants while reducing their toxicity

Resumen

Alrededor de 45 millones de toneladas de lodo seco se producen anualmente en el mundo y se estima que esta cifra ascenderá aún más como consecuencia del aumento de la población y el desarrollo industrial sin precedentes alcanzados durante el último siglo. Los lodos de depuradora poseen una composición variable, la cual depende principalmente de la carga de contaminación del agua residual inicial. En general, estos contienen una amplia diversidad de materia suspendida y disuelta de las cuales se distinguen aquellas con valor agronómico, como los micronutrientes esenciales para el crecimiento vegetal. Los protocolos para su gestión priorizan la valorización y aprovechamiento de estos lodos como enmienda o abono en el sector agronómico, proporcionando un valor al residuo, convertido ya en recurso (siempre en función de los principios de la política de residuos relativos a la protección del medio ambiente y la salud humana). Sin embargo, la presencia de elementos con potencial contaminante como los metales pesados, los agentes patógenos y otros compuestos orgánicos, generan una enorme preocupación y rechazo para su aplicación directa en suelos. Por ende, diversos tipos de tratamientos para la estabilización de este residuo se han propuesto, siendo el compostaje el tratamiento biológico más frecuente para este fin. Si bien, esta técnica permite garantizar la minimización de los riesgos ambientales derivados de su uso en los suelos agrícolas, la creciente presencia de contaminantes prioritarios en los efluentes de las estaciones de depuración de aguas residuales y el desconocimiento y potencial toxicidad de los contaminantes emergentes (CE), aún presentes en el compost maduro, dificulta la estimación de su peligrosidad. El término “contaminante emergente” (CE) engloba una gran variedad de compuestos de diverso origen y naturaleza química cuyos efectos toxicológicos aún son desconocidos en la mayoría de los casos. El número de CEs es indeterminado e incluye, entre otros, a los productos farmacéuticos (incluidos los antibióticos) y de cuidado personal, pesticidas, nanopartículas y disruptores endocrinos. Los CEs se concentran en los lodos de depuradora mediante procesos de sorción y son difícilmente separados o eliminados mediante los tratamientos de estabilización tradicionales. Dado que a diferencia de los contaminantes prioritarios, los CEs no están sometidos a una regulación específica que limite su presencia tanto en aguas residuales como en los lodos compostados, la Comisión Europea estableció una legislación aún más restrictiva de la gestión de los lodos de depuradora (Directiva 2008/98/CE), así como la publicación bienal de la “Lista de Observación” que incluye los CEs que deben analizarse en cada Estado Miembro. Así, el conocimiento y estudio de los CEs proporcionará información sobre la eficacia de su eliminación en las etapas del compostaje, así como la búsqueda y posterior implementación de tecnologías alternativas para la gestión de los lodos, su saneamiento y posterior aprovechamiento. En este trabajo de tesis doctoral se ponen de manifiesto el desarrollo y la aplicación de estrategias de bioaumento en procesos de compostaje de lodos de depuradora, así como el aprovechamiento de cada una de sus etapas de desarrollo (cribado, caracterización y estudio de campo) para la degradación efectiva de diversos CEs, obteniendo aislados fúngicos y bacterianos y consorcios mixtos con potencial de degradación de múltiples CEs. Además, se llevó a cabo un estudio de campo en las instalaciones de EIDER, ecoindustria del reciclado, en Guadix, Granada de un sistema de compostaje de lodos de depuradora acoplado a una técnica de bioaumento con microorganismos autóctonos y alóctonos. Este incluyó tanto su diseño, optimización y montaje en condiciones reales así como los análisis fisicoquímicos (pH, temperatura, humedad, conductividad eléctrica, relación C/N, sólidos volátiles y totales, contenido de materia orgánica total y seca, contenido de carbono orgánico total y seca, materia mineral y materia seca), determinación de macronutrientes, metales pesados, análisis de contaminantes emergentes, fitotoxicidad y modificaciones pre y post inoculación de las comunidades bacterianas y fúngicas nativas. Los sitios contaminados son considerados como una fuente importante de microorganismos con capacidad degradativa de los contaminantes presentes en dicho espacio. Por lo tanto, en el capítulo 1 se aborda la primera etapa del bioaumento referente al cribado de cepas microbianas provenientes de lodos de depuradora. Mediante un ensayo de enriquecimiento bajo presión selectiva con tres compuestos farmacéuticos (diclofenaco, carbamazepina y Ketoprofeno) seleccionados en base a su persistencia después de los procesos de compostaje, se obtuvieron e identificaron diversos aislados fúngicos y bacterianos mediante técnicas cultivables e identificación molecular, cuyos niveles de degradación también se analizaron con técnicas cromatográficas. De los microorganismos identificados, los hongos Cladosporium cladosporioides H1, Alternaria alternata H4 y Penicillium raistrickii H6 mostraron los mejores porcentajes de degradación de los compuestos empleados. Aunque muchos estudios sugieren la efectividad de cepas individuales para la degradación de contaminantes, el empleo de consorcios microbianos amplía el rango y la variedad de CEs que pueden ser degradados. Este acercamiento se explora en el capítulo 2, llevando a cabo el diseño y ensamblaje de co-cultivos mixtos microbianos mediante la herramienta informática B-Social. La composición de cada consorcio se estableció a partir de los tres aislados fúngicos antes mencionados, del hongo Penicillium oxalicum XD 3.1 (previamente estudiado y utilizado para degradación de otros CEs) y de las bacterias coexistentes en el ensayo de enriquecimiento (Micrococcus yunnanensis K1, Oligella ureolytica T4 y Sphingobacterium jejuense T15). Se obtuvo un consorcio artificial compuesto por P. raistrickii, P. oxalicum XD 3.1 y C. cladosporoides, A. alternata y M. yunnanensis cuya estabilidad social, amplio rango de degradación y menores niveles de toxicidad del medio de cultivo resultante (Microtoxicidad en Allivibrio fisherii con Microtox ®) lo definieron como el más adecuado para la eliminación de CEs en medio líquido. El escalado a condiciones reales en un proceso de biorremediación es quizás la etapa más definitiva para la ejecución efectiva de un sistema de bioaumento, siendo los mayores obstáculos las dificultades técnicas en su implementación a gran escala y las complejidades asociadas al uso de sistemas biológicos. En el capítulo 3, se incluyen los detalles de la optimización y montaje de un sistema de compostaje y bioaumento en condiciones reales en dos pasos, utilizando dos tipos de inoculo diferentes (P. oxalicum XD 3.1 y un consorcio nativo obtenido mediante enriquecimiento). Ambos tratamientos resultaron en la reducción del contenido de compuestos farmacéuticos de difícil degradación y en la obtención de un compost maduro más estable, más nutritivo en términos de macro y micronutrientes y menos fitotóxico (analizados mediante ensayos de fitotoxicidad en Lepidium sativum). Por otro lado, las contribuciones microbiológicas en la efectividad del proceso de compostaje gracias a la inoculación se evaluaron en el capítulo 4 empleando técnicas de secuenciación masiva (Illumina Miseq). A pesar de las dificultades que implica la inoculación con microorganismos alóctonos, la utilización de P. oxalicum XD 3.1 como inoculante en la pila de compostaje no produjo ningún efecto negativo en la estabilidad, equilibrio en la funcionalidad, ni cambios en la heterogeneidad de las comunidades microbianas nativas. De hecho, su inoculación presentó mayores beneficios al generar un aumento de la diversidad microbiana (ɑ y ß diversidad) y la mejora de parámetros fisicoquímicos asociados a la degradación de contaminantes.