Del Noguerola al Segre: els problemes de la qualitat ambiental de l'aigua

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Els principals objectius del treball són intentar demostrar, cinc anys més tard, si el riu Noguerola és encara fruit d'abocaments residuals en el seu pas subterrani per la ciutat de Lleida, i observar i analitzar com el riu Segre sofreix múltiples impactes ambientals provinents, especialment, de les activitats agrícoles i ramaderes. Es van fer dos campanyes de mostrejos en les confluències de 10 afluents dels marges dret i esquerre del riu Segre, i en 5 punts al llarg d'aquest. Per a cada mostra es van analitzar: conductivitat, temperatura, ph, nitrats, nitrits, amoni, fosfats, duresa i microorganismes. A més a més, es van delimitar i determinar les superfícies de les conques i es van fer balanços hidrometeorològics per determinar les aportacions naturals de l’aigua de pluja, i es van estimar els excedents de reg de totes les conques, per així calcular les masses totals de cada paràmetre, aportades per cada afluent. Les principals conclusions a què s’ha arribat són: que el riu Noguerola continua sent fruit d'abocaments residuals en el seu pas subterrani per la ciutat de Lleida. I que, tant les activitats agrícoles i ramaderes, com les captacions d'aigua dels canals de Balaguer i de Seròs per a l’obtenció d’energia hidroelèctrica, provoquen greus impactes ambientals al riu Segre.

Alternativas tecnológicas para la recuperación y valorización del nitrógeno presente en los residuos orgánicos

La conciencia de los problemas asociados a la gestión de los residuos orgánicos y el interés por las oportunidades de su recuperación y valorización han ido tomando importancia en los últimos años, tanto en el campo de las deyecciones ganaderas como en el sector de las aguas residuales. Consecuentemente, las combinaciones tecnológicas que permitan cerrar los ciclos de los nutrientes y la recuperación energética han adquirido mayor importancia en la investigación así como en las nuevas normativas sectoriales. En este contexto se sitúa el trabajo realizado durante el periodo becado (octubre 2010 - noviembre 2011). En una primera etapa de estudio bibliográfico se identificaron i) el aumento de la eficiencia en el uso del nitrógeno en la agricultura y en la ganadería, ii) la reutilización del nitrógeno en los mismos ecosistemas agrícolas y iii) el tratamiento de las deyecciones para redistribuir el nitrógeno a zonas con poca disponibilidad, como las tres direcciones principales hacia las cuales se está focalizando el interés del sector agrícola. Se puso en marcha una planta piloto de stripping y absorción para estudiar la posibilidad de recuperar y valorizar el amoniaco presente en los purines en forma de solución amoniacal para la industria de fertilizantes. Los resultados obtenidos evidenciaron el rol fundamental de las características iníciales del substrato en el rendimiento global del proceso. En particular, elevados contenidos en materia orgánica resultaron en bajas eficiencias y en elevadas contaminaciones del producto obtenido. Finalmente, considerando sus potenciales ventajas tanto en la gestión de los residuos ganaderos como de las aguas residuales y focalizándose en las perdidas de nitrógeno se estudió un sistema descentralizado de separación de orina instalado en un centro de investigación. Los resultados preliminares permitieron caracterizar los principales procesos que ocurren en el sistema e identificar las posibles líneas futuras de investigación.

Anàlisi comparativa dels processos emergents sharon i anammox per al tractament d’aigües amb una alta càrrega de nitrogen

Estudi de tractaments innovadors en aigües residuals amb elevada concentració de nitrogen mitjançant la tecnologia ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) i SHARON i posterior anàlisi teòrica de la gestió dels fangs residuals d’una EDAR

Obtenció d'estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purins de vaca

Actualment a Catalunya existeixen zones amb importants limitacions per l’aplicació de purins al sòl, pel que és imprescindible trobar alternatives de gestió i tractament que permetin l’aprofitament adequat dels recursos continguts a les dejeccions ramaderes sense afectar el medi. La digestió anaeròbia és una de les tècniques utilitzades en el tractament de les dejeccions ramaderes. L’efluent líquid que s’obté d’aquest tractament no modifica el contingut de nitrogen i fòsfor i per tant ha de ser gestionat correctament. L’objectiu general d’aquest projecte és avaluar la precipitació d’estruvita (sal de magnesi, amoni i fosfat) com una alternativa de gestió de l’efluent líquid d’una planta de digestió anaeròbia i compostatge que tracta dejeccions ramaderes conjuntament amb altres residus orgànics. S’han avaluat els efectes dels diferents paràmetres operacionals en la formació d’estruvita (pH, temperatura, velocitat d’agitació, alcalinitat), mitjançant assaigs en discontinu amb solució sintètica. A continuació s’ha procedit a obtenir estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purí (FLD), en assaigs en discontinu per estudiar l’efecte del contingut de matèria orgànica i sòlids Totals (ST), així com el contingut en fosfats i el pH de reacció. Finalment, s’han optimitzat els paràmetres de procés en continu, mitjançant la posada en marxa d’un reactor a escala de laboratori i estudi de l’efecte de la velocitat d’agitació i de la introducció del stripping de CO2, tant amb solució sintètica com amb la fracció líquida digerida del purí. Dels resultats obtinguts es pot concloure que els factors que tenen una major influència en el procés d’obtenció d’estruvita són el pH (el pH òptim es situa al voltant de 9), i la presència de matèria orgànica i sòlids ens suspensió, que interfereix de forma quantitativa i qualitativa en la formació de l’estruvita. En el procés en continu s’ha aconseguit reduccions d’un 84% i 98% d’amoni i fòsfor respectivament, obtenintse estruvita que pot ser utilitzada com a fertilitzant d’alliberació lenta. Es pot concloure que la precipitació d’estruvita és una bona alternativa per millorar la gestió de les dejeccions ramaderes alhora que permet recuperar nutrients i tancar cicles. La combinació amb un tractament previ que elimini la matèria orgànica, com podria ser la digestió anaeròbia, i una separació de fases, per eliminar els sòlids en suspensió, es presenta com una configuració amb molts avantatges.

Structural and gas-sensing properties of WO3 nanocrystalline powders obtained by a sol-gel method from tungstic acid

WO3 nanocrystalline powders were obtained from tungstic acid following a sol-gel process. Evolution of structural properties with annealing temperature was studied by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. These structural properties were compared with those of WO3 nanopowders obtained by the most common process of pyrolysis of ammonium paratungstate, usually used in gas sensors applications. Sol-gel WO3 showed a high sensor response to NO2 and low response to CO and CH4. The response of these sensor devices was compared with that of WO3 obtained from pyrolysis, showing the latter a worse sensor response to NO2. Influence of operating temperature, humidity, and film thickness on NO2 detection was studied in order to improve the sensing conditions to this gas.

pH Sensitive surfactants from lysine: assessment of their cytotoxicity and environmental behavior

The toxicity and environmental behavior of new pH-sensitive surfactants from lysine are presented. Three different chemical structures are studied: surfactants with one amino acid and one alkyl chain, surfactants with two amino acids on the polar head and one alkyl chain, and gemini surfactants. The pH sensitivity of these compounds can be tuned by modifying their chemical structures. Cytotoxicity has been evaluated using erythrocytes and fibroblast cells. The toxic effects against these cells depend on the hydrophobicity of the molecules as well as their cationic charge density. The effect of hydrophobicity and cationic charge density on toxicity is different for each type of cells. For erythrocytes, the toxicity increases as hydrophobicity and charge density increases. Nevertheless, for fibroblasts cationic charge density affects cytotoxicity in the opposite way: the higher charge density, the lower the toxicity. The effect of the pH on hemolysis has been evaluated in detail. The aquatic toxicity was established using Daphnia magna. All surfactants yielded EC50 values considerably higher than that reported for cationic surfactants based on quaternary ammonium groups. Finally, their biodegradability was evaluated using the CO2 headspace test (ISO 14593). These lysine derivatives showed high levels of biodegradation under aerobic conditions and can be classified as"readily biodegradable compounds".

A general approach to the in situ energy butget of Eudendrium racemosum (Cnidaria, Hydrozoa) in the Western Mediterranean

An in situ energy budget of the hydropolyp Eudendrium racemosum (Cavolini, 1785) is presented. Ingestion and respiration rates and ammonium excretion were studied over two 24 h cycles, with two-hour sample intervals. The species ingested as much as 25.9% of its own biomass per day (minimum rate). Respiration was 1.62 ml O2 g-1 d w h-1 while excretion was 13.6 mM NH4 g-1dw h-1. We estimated that the species increased its biomass at a rate of 9.6% per day (Growth + Reproduction). This value is higher than those previously reported for other cnidarians. We can assume that the capacity of E. racemosum to survive - albeit for a limited period of the year - in the highly-competitive shallow-water communities is based on its high growth rate.

Sedimen-water nutrient fluxes: Preliminary results of in situ measurements in Alfaques Bay, Ebro River Delta.

Sediment-water exchanges of oxygen, ammonium, nitrate, total dissolved nitrogen, phosphate and total dissolved phosphorus were measured by means of an in situ incubator of 7 1 volume and 700 cm2 base area. The incubations lasted for three hours and were done over a whole season on different kinds of sediments in Alfaques Bay. We present some preliminary results on: i) methodological aspects, ii) spatial and temporal variability of fluxes, and iii) estimates of contribution of benthic nutrient regeneration relative to total nutrient loading of the Bay. Oxygen uptake averaged 1700 mmo1 m-2 h-1 (range 200-3500); no differences were found between sandy and muddy sediments. The release of ammonia from the sediment averaged 70 mmo1 m-2 h-1 and was higher in muddy sediments than in sandy ones. Very low to null nitrate and nitrite fluxes and only small fluxes of organic nitrogen were detected. We conclude that ammonium release from sediment is the major path of nitrogen regeneration. Some sediments removed dissolved reactive phosphorus (DRP) from the water and released dissolved organic phosphorus (DOP). Additional manipulative experiments revealed DRP release under particular conditions (turbulence, anoxia). From these data, we estimate that at least 50% of the nitrogen requirements of phytoplankton in the area may be supplied by benthic remineralization.

Identification of haptoglobin as an angiogenic factor in sera from patients with systemic vasculitis.

Angiogenesis is an important process in chronic inflammatory diseases. We observed that sera from patients with systemic vasculitis stimulated angiogenesis in an in vitro model using human umbilical vein endothelial cells cultured on a basement membrane (Matrigel) substrate. After 40% ammonium sulfate precipitation, angiogenic activity remained in the low molecular weight fraction and could be inactivated by heat. SDS-page of serum FPLC fractions exhibiting maximal angiogenic activity demonstrated two prominent species of 45 and 16-20 kD in patients' sera. These bands were much less apparent in sera obtained from control subjects. Amino-terminal sequencing of the 45-kD protein demonstrated that it was haptoglobin. Purified haptoglobin stimulated angiogenesis in a dose-dependent manner. The angiogenic activity of vasculitis patients' sera was partially inhibited by an antihaptoglobin antibody. Furthermore, serum haptoglobin levels in vasculitis patients correlated both with disease and angiogenic activity. Haptoglobin angiogenic activity was confirmed in two in vivo models using an implanted disc and a subcutaneous injection of basement membrane. Stimulation of angiogenesis is a newly recognized biological function of haptoglobin. The increased levels of haptoglobin found in chronic inflammatory conditions may play an important role in tissue repair. In systemic vasculitis, haptoglobin might also compensate for ischemia by promoting development of collateral vessels.

Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Comparació de tres reactors discontinus seqüencials (SBR) amb diferents condicions operacionals

La producció de biopolímers (polihidroxialcanoats (PHA) i substàncies polimèriques extracel·lulars (EPS)) a nivell industrial, resulta una nova àrea d’investigació que recull diverses disciplines, entre elles les Ciències Ambientals. Aquest projecte final de carrera amb el títol: “Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes”, s’ha desenvolupat sota la supervisió de la directora de projecte Dra. María Eugenia Suárez Ojeda del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i s’ha dut a terme per l’estudiant Jordi Pérez i Forner de la Llicenciatura de Ciències Ambientals, Facultat de Ciències de la UAB, en el Departament d’Enginyeria Química de la mateixa universitat. L’objectiu d’aquest projecte ha estat produir biopolímers simultàniament amb l’eliminació de fòsfor i matèria orgànica en aigües residuals per obtenir un residu final amb un alt valor afegit. Aquests biopolímers reuneixen les característiques necessàries per a poder competir amb els plàstics convencionals i així, reduir l’elevat consum del petroli i la generació de residus no biodegradables. En aquest projecte s’ha dut a terme la posta en marxa d’un reactor discontinu seqüencial (SBR) per a l’acumulació de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Diferents investigadors han estudiat que aquests tipus de cultius bacterians arriben a nivells de fins el 53-97% [Pijuan et al., 2009] de contingut de biopolímers a la biomassa, sometent als microorganismes a diferents situacions d’estrés ja sigui per dèficit de nutrients o per variacions en les fases de feast-famine (festí-fam). Durant el projecte, s’ha realitzat el monitoratge del reactor alimentat amb una aigua sintètica, elaborada en el laboratori, amb les característiques d’un aigua residual provinent de la industria làctica. S’ha sotmès als microorganismes a diferents condicions operacionals, una d’elles amb limitació de fòsfor com a nutrient i una tercera condició amb una variació a les fases feast-famine. D’altra banda, com a segon objectiu, s’ha analitzat el contingut de biopolímers a la biomassa de dos SBRs més, del grup de recerca Bio-GLS del Departament d’Enginyeria Química de la UAB, alimentats amb diferents fonts de carboni, glicerol i àcids grassos de cadena llarga (AGCLL), per observar les influències que té el tipus de substrat en l’acumulació de biopolímers. Els resultats obtinguts en la primera part d’aquest projecte han estat similars als resultats d’altres investigadors [Pijuan et al., 2009; Guerrero et al., 2012]. S’ha determinat que sotmetre als microorganismes a situacions d’estrés té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers. També s’ha observat com al mateix temps que acumulaven aquests compostos, els microorganismes desenvolupaven la seva tasca de depurar l’aigua residual, obtenint al final del cicle una aigua amb un baix contingut en matèria orgànica i altres contaminants com amoni i fòsfor, en aquest cas. En la segona part del projecte, s’ha observat com el tipus de substrat té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers i també a l’activitat metabòlica dels microorganismes. Per tant, s’ha conclòs que la producció de biopolímers mitjançant la depuració d’aigües residuals es una via d’investigació molt prometedora pel que fa als resultats obtinguts. Alhora que es tracta un residu, s’obté una producte residual amb un alt valor afegit que pot ser utilitzat per la producció de bioplàstics 100% biodegradables.

Sequentially aerated membrane biofilm reactors for autotrophic nitrogen removal: microbial community composition and dynamics

Membrane-aerated biofilm reactors performing autotrophic nitrogen removal can be successfully applied to treat concentrated nitrogen streams. However, their process performance is seriously hampered by the growth of nitrite oxidizing bacteria (NOB). In this work we document how sequential aeration can bring the rapid and long-term suppression of NOB and the onset of the activity of anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB). Real-time quantitative polymerase chain reaction analyses confirmed that such shift in performance was mirrored by a change in population densities, with a very drastic reduction of the NOB Nitrospira and Nitrobacter and a 10-fold increase in AnAOB numbers. The study of biofilm sections with relevant 16S rRNA fluorescent probes revealed strongly stratified biofilm structures fostering aerobic ammonium oxidizing bacteria (AOB) in biofilm areas close to the membrane surface (rich in oxygen) and AnAOB in regions neighbouring the liquid phase. Both communities were separated by a transition region potentially populated by denitrifying heterotrophic bacteria. AOB and AnAOB bacterial groups were more abundant and diverse than NOB, and dominated by the r-strategists Nitrosomonas europaea and Ca. Brocadia anammoxidans, respectively. Taken together, the present work presents tools to better engineer, monitor and control the microbial communities that support robust, sustainable and efficient nitrogen removal

A simple halide-to-anion exchange method for heteroaromatic salts and ionic liquids

A broad and simple method permitted halide ions in quaternary heteroaromatic and ammonium salts to be exchanged for a variety of anions using an anion exchange resin (A− form) in non-aqueous media. The anion loading of the AER (OH− form) was examined using two different anion sources, acids or ammonium salts, and changing the polarity of the solvents. The AER (A− form) method in organic solvents was then applied to several quaternary heteroaromatic salts and ILs, and the anion exchange proceeded in excellent to quantitative yields, concomitantly removing halide impurities. Relying on the hydrophobicity of the targeted ion pair for the counteranion swap, organic solvents with variable polarity were used, such as CH3OH, CH3CN and the dipolar nonhydroxylic solvent mixture CH3CN:CH2Cl2 (3:7) and the anion exchange was equally successful with both lipophilic cations and anions.

The problem of nitrogen disposal in the obese

Amino-N is preserved because of the scarcity and nutritional importance of protein. Excretion requires its conversion to ammonia, later incorporated into urea. Under conditions of excess dietary energy, the body cannot easily dispose of the excess amino-N against the evolutively adapted schemes that prevent its wastage; thus ammonia and glutamine formation (and urea excretion) are decreased. High lipid (and energy) availability limits the utilisation of glucose, and high glucose spares the production of ammonium from amino acids, limiting the synthesis of glutamine and its utilisation by the intestine and kidney. The amino acid composition of the diet affects the production of ammonium depending on its composition and the individual amino acid catabolic pathways. Surplus amino acids enhance protein synthesis and growth, and the synthesis of non-protein-N-containing compounds. But these outlets are not enough; consequently, less-conventional mechanisms are activated, such as increased synthesis of NO∙ followed by higher nitrite (and nitrate) excretion and changes in the microbiota. There is also a significant production of N(2) gas, through unknown mechanisms. Health consequences of amino-N surplus are difficult to fathom because of the sparse data available, but it can be speculated that the effects may be negative, largely because the fundamental N homeostasis is stretched out of normalcy, forcing the N removal through pathways unprepared for that task. The unreliable results of hyperproteic diets, and part of the dysregulation found in the metabolic syndrome may be an unwanted consequence of this N disposal conflict.

A radiochemical method for carbamoyl-phosphate synthetase I: application to rats fed a hyperproteic diet

A method for the measurement of carbamoyl-phosphate synthetase I activity in animal tissues has been developed using the livers of rats under normal and hyperproteic diets. The method is based on the incorporation of 14C-ammonium bicarbonate to carbamoyl-phosphate in the presence of ATP-Mg and N-acetyl-glutamate. The reaction is stopped by chilling, lowering the pH and adding ethanol. Excess bicarbonate is flushed out under a gentle stream of cold CO2. The only label remaining in the medium was that incorporated into carbamoyl-phosphate, since all 14C-CO2 from bicarbonate was eliminated. The method is rapid and requires only a low pressure supply of CO2 to remove the excess substrate. The reaction is linear up to 10 min using homogenate dilutions of 1:20 to 1:200 (w/v). Rat liver activity was in the range of 89±8 nkat/g. Hyperproteic diet resulted in a significant 1.4-fold increase. The design of the method allows for the processing of multiple samples at the same time, and incubation medium manipulation is unnecessary, since the plastic incubation vial and its contents are finally counted together.

Effect of nitrogen and phosphorus supply on growth, chlorophyll content and tissue composition of the macroalga Chaetomorpha linum (O.F. Mull), Kutz, in a Mediterranean Coastal Lagoon

The effect of dissolved nutrients on growth, nutrient content and uptake rates of Chaetomorpha linum in a Mediterranean coastal lagoon (Tancada, Ebro delta, NE Spain) was studied in laboratory experiments. Water was enriched with distinct forms of nitrogen, such as nitrate or ammonium and phosphorus. Enrichment with N, P or with both nutrients resulted in a significant increase in the tissue content of these nutrients. N-enrichment was followed by an increase in chlorophyll content after 4 days of treatment, although the difference was only significant when nitrate was added without P. P-enrichment had no significant effect on chlorophyll content. In all the treatments an increase in biomass was obseved after 10 days. This increase was higher in the N+P treatments. In all the treatments the uptake rate was significantly higher when nutrients were added than in control jars. The uptake rate of N, as ammonium, and P were significantly higher when they were added alone while that of N as nitrate was higher in the N+P treatment. In the P-enriched cultures, the final P-content of macroalgal tissues was ten-fold that of the initial tissue concentrations, thereby indicating luxury P-uptake. Moreover, at the end of the incubation the N:P ratio increased to 80, showing that P rather than N was the limiting factor for C. linum in the Tancada lagoon. The relatively high availability of N is related to the N inputs from rice fields that surround the lagoon and to P binding in sediments.