| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES EMERGENTES DEL AGUA EN SISTEMAS BIOELECTROQUÍMICOS | | Autor/a | Pun García, Álvaro | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Codirector/a | Boltes Espínola, Ana Karina | | Fecha de defensa | 23-03-2023 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Resumen de la tesis:
Pese a que la investigación en los denominados contaminantes emergentes (EC) ha ido en aumento desde que aparecieron las técnicas analíticas que permitían su monitorización, la mayoría de os trabajos publicados en el momento de iniciarse esta tesis correspondían a estudios sobre un único contaminante o unos pocos compuestos estrechamente relacionados. El tema central de esta tesis es evaluar la capacidad de las tecnologías de electroquímica microbiana (MET), y en particular los sistemas METland® para eliminar mezclas complejas de EC similares a las que se dan en las aguas residuales urbanas (ARU).
En primer lugar, se ha evaluado un sistema METland®, alimentado con ARU sintética simulando la de una pequeña población, incluyendo los 13 EC más comunes. Bajo condiciones estables de concentraciones y caudales crecientes el sistema METland® demostró un buen rendimiento sostenido, obteniendo excelentes resultados de eliminación de EC (por encima del 90% para la mayoría en un tiempo de retención hidráulica de 1 día), incluso con tiempos de retención hidráulica de medio día. Los estudios de detoxificación, empleando microcrustáceos y algas unicelulares verdes, mostraron resultados similares, llegando el METland® a eliminar por completo la toxicidad para ambos organismos incluso bajo los caudales más altos.
Se prosiguió con un experimento centrado en contaminantes quirales, compuestos de la familia de los fenoxyácidos (herbicidas) y un coctel de fármacos quirales, en unas aguas tratadas en biofliltros verticales, uno convencional de control y otro METland®. Mediante técnicas de electroforesis capilar se identificaron las concentraciones de estereoisómeros de cada EC, estudiando su eliminación al atravesar los sistemas, así como los cambios en su reparto. Nuevamente, la eliminación de fármacos y herbicidas resultó ser significativamente mayor en el METland®, tanto para fenoxyácidos (50-75% frente al 0%) como para fármacos (80% frente al 50%) en particular para los medicamentos β-bloqueantes. Los ensayos de ecotoxicidad también mostraron una mejor eliminación de esta en el sistema METland®, en particular para microcrustáceos. Los resultados más significativos son los cambios de reparto de enantiómeros, donde todos los herbicidas y el propranolol de entre los medicamentos vieron cambios de hasta 5 veces los observados en el control, indicando un refuerzo de las actividades metabólicas enantioselectivas en METland®, algo fuertemente ligado a la actividad microbiana y reforzando la premisa de los efectos potenciadores de las MET sobre el metabolismo de las comunidades bacterianas.
Para finalizar la transición a ensayos en condiciones reales, se decidió realizar ensayos con ARU reales, aprovechando para ello las instalaciones de CENTA, donde ya se disponía de instalaciones para ensayos a escala real de humedales par tratamiento. Adaptándose uno de los humedales a un diseño de METland® hibrido, y dejando otro como control se procedió a usarlos para tratar las aguas residuales de una población vecina. Tras 2 años de operación se realizó una campaña de análisis de los contaminantes emergentes habitualmente detectados en las ARU de dicha población. Los resultados mostraron como el diseño hibrido ofrecía menores concentraciones de todos contaminantes emergentes en salida y mejores valores de detoxificación para el bioindicador Dafnia magna.
Para complementar este estudio bajo condiciones más controladas se montó un sistema METland® completo en laboratorio, con una capacidad de 2 L, con un tiempo de tratamiento de 1 día, usando como ARU el agua procedente de un edificio de oficinas cercano. Tras 15 meses de funcionamiento se procedió con una campaña de análisis de 4 meses, monitorizando los fármacos de uso habitual por el personal de dicho edificio. La disminución de concentraciones registrada entre entrada y salida mostro mantenerse en los mismos niveles de los ensayos anteriores con aguas sintéticas, alcanzando en su mayoría eliminaciones por encima del 99%. En algunos casos, como el de las hormonas humanas, CAF y CLP con sus respectivos metabolitos, la degradación fue total, alcanzando niveles por debajo de las ppt en la salida. Varios compuestos recalcitrantes, como CBZ y 4-FAA presentaron una eliminación irregular, con fluctuaciones en su eliminación a lo largo de la campaña. Los ensayos de ecotoxicidad con D. magna mostraron importantes fluctuaciones de la toxicidad de entrada, que sin embargo alcanzaron de forma mayoritaria una detoxoficación total en salida, demostrando que el sistema METland® mantiene sus capacidades en el largo plazo.
Como conclusiones, se ha visto que las capacidades de eliminación de EC en los sistemas METland® es elevada, y sus capacidades se mantienen en el tiempo, ofreciendo altas tasas de eliminación para la mayoría de los EC. Las actividades metabólicas de los microorganismos presentes en el biofiltro se ven potenciadas por las condiciones internas de METland®, dando lugar a un avance más rápido en las rutas de degradación de muchos contaminantes, como puede apreciarse en los cambios de quiralidad detectados. De igual forma, la detoxificación registrada en las aguas es completa para el bioindicador Dafnia magna, principal ensayo de ecotoxicidad para aguas urbanas. Estos buenos resultados hacen del METland® una tecnología con grandes expectativas de futuro. |
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