Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

Development, implementation and evaluation of an activated sludge supervisory system for the Granollers WWTP

La present tesi pretén recollir l'experiència viscuda en desenvolupar un sistema supervisor intel·ligent per a la millora de la gestió de plantes depuradores d'aigües residuals., implementar-lo en planta real (EDAR Granollers) i avaluar-ne el funcionament dia a dia amb situacions típiques de la planta. Aquest sistema supervisor combina i integra eines de control clàssic de les plantes depuradores (controlador automàtic del nivell d'oxigen dissolt al reactor biològic, ús de models descriptius del procés...) amb l'aplicació d'eines del camp de la intel·ligència artificial (sistemes basats en el coneixement, concretament sistemes experts i sistemes basats en casos, i xarxes neuronals). Aquest document s'estructura en 9 capítols diferents. Hi ha una primera part introductòria on es fa una revisió de l'estat actual del control de les EDARs i s'explica el perquè de la complexitat de la gestió d'aquests processos (capítol 1). Aquest capítol introductori juntament amb el capítol 2, on es pretén explicar els antecedents d'aquesta tesi, serveixen per establir els objectius d'aquest treball (capítol 3). A continuació, el capítol 4 descriu les peculiaritats i especificitats de la planta que s'ha escollit per implementar el sistema supervisor. Els capítols 5 i 6 del present document exposen el treball fet per a desenvolupar el sistema basat en regles o sistema expert (capítol 6) i el sistema basat en casos (capítol 7). El capítol 8 descriu la integració d'aquestes dues eines de raonament en una arquitectura multi nivell distribuïda. Finalment, hi ha una darrer capítol que correspon a la avaluació (verificació i validació), en primer lloc, de cadascuna de les eines per separat i, posteriorment, del sistema global en front de situacions reals que es donin a la depuradora

The use of pulse amplitude modulated fluorescence techniques for metal toxicity assessment in fluvial biofilms

Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach.

A study on the phylogeny and the ecology of ammonia-oxidizing bacteria using a new molecular marker based on the gene amoB

L'agricultura i la industrialització han causat un augment significatiu del nombre d'ambients rics en amoni. La presència de compostos nitrogenats redueix la qualitat de l'aigua, causant problemes de toxicitat, deteriorant el medi ambient i fins i tot afectant la salut humana. En conseqüència, la nitrificació s'ha convertit en un procés global que afecta al cicle del nitrogen a la biosfera. Els bacteris oxidadors d'amoni (AOB) són els responsables de l'oxidació de l'amoni a nitrit, i juguen un paper essencial en el cicle del nitrogen. Els primers oxidadors d'amoni foren aïllats a finals del segle XIX, però la lentitud del seu creixement i les dificultats per cultivar-los feren que fins als anys 80, amb els primers estudis emprant el gen 16SrDNA, no s'assolís un coneixement complert d'aquest grup bacterià. Actualment les bases de dades contenen multitud d'entrades amb seqüències corresponents a AOB. L'objectiu d'aquest treball era trobar, desenvolupar i avaluar eines útils i fiables per a l'estudi dels AOB en mostres ambientals. En aquest treball primer descrivim la utilització de la hibridació in situ amb fluorescència (FISH), mitjançant l'aplicació de sondes amb diana en el 16SrRNA dels AOB. La FISH ens va permetre detectar i recomptar aquest grup bacterià; no obstant, aquest mètode no permetia la detecció de noves seqüències, pel que es necessitava una nova eina. Amb aquesta intenció vam aplicar la seqüència de la sonda Nso1225 en una PCR. El fet d'amplificar específicament un fragment del 16SrDNA dels AOB va suposar el desenvolupament d'una nova eina molecular que permetia detectar la presència i diversitat d'aquests bacteris en ambients naturals. Malgrat tot, algunes seqüències pertanyents a bacteris no oxidadors d'amoni del subgrup β dels proteobacteris, eren també obtingudes amb aquesta tècnica. Així mateix, un dels inconvenients de l'ús del 16SrDNA com a marcador és la impossibilitat de detectar simultàniament els AOB que pertanyen als subgrups β i γ dels proteobacteris. El gen amoA, que codifica per la subunitat A de l'enzim amoni monooxigenasa (AMO), era aleshores àmpliament utilitzat com a marcador per a la detecció dels AOB. En aquest treball també descrivim la utilització d'aquest marcador en mostres procedents d'un reactor SBR. Aquest marcador ens va permetre identificar seqüències de AOB en la mostra, però la necessitat de detectar amoA mitjançant clonatge fa que l'ús d'aquest marcador requereixi massa temps per a la seva utilització com a eina en estudis d'ecologia microbiana amb moltes mostres. Per altra banda, alguns autors han assenyalat l'obtenció de seqüències de no AOB en utilitzar amoA en un protocol de PCR-DGGE. Amb la finalitat d'obtenir una eina ràpida i rigorosa per detectar i identificar els AOB, vam desenvolupar un joc nou d'oligonucleòtids amb diana en el gen amoB, que codifica per a la subunitat transmembrana de l'enzim AMO. Aquest gen ha demostrat ser un bon marcador molecular pels AOB, oferint, sense tenir en compte afiliacions filogenètiques, una elevada especificitat, sensibilitat i fiabilitat. En aquest treball també presentem una anàlisi de RT-PCR basada en la detecció del gen amoB per a la quantificació del gènere Nitrosococcus. El nou joc d'oligonucleòtids dissenyat permet una enumeració altament específica i sensible de tots els γ-Nitrosococcus coneguts. Finalment, vam realitzar un estudi poligènic, comparant i avaluant els marcadors amoA, amoB i 16SrDNA, i vàrem construir un arbre filogenètic combinat. Com a resultat concloem que amoB és un marcador adequat per a la detecció i identificació dels AOB en mostres ambientals, proporcionant alhora agrupacions consistents en fer inferències filogenètiques. Per altra banda, la seqüència sencera del gen 16S rDNA és indicada com a marcador en estudis amb finalitats taxonòmiques i filogenètiques en treballar amb cultius purs de AOB.

Contribution of antioxidant enzymes to toxicity assessment in fluvial biofilms

Per tal d’avaluar l’impacte de la contaminació en els ecosistemes aquàtics, aquesta tesi es centra en una aproximació multi-biomarcador en els biofilms. En complement dels biomarcadors clàssics, es va demostrar que les activitats dels enzims antioxidants (AEA): catalasa, ascorbat peroxidasa i glutatió reductasa eren biomarcardors d'estrès oxidatiu en els biofilms. Tot i que les AEA poden veure's influenciades amb la mateixa mesura per factors naturals (edat del biofilm, llum de colonització o d'exposició) i contaminants (herbicides i farmacèutics), aquestes AEA permeten entendre millor l'efecte dels contaminants. Cal remarcar que assajos de toxicitat aguda es poden utilitzar per comparar la capacitat antioxidant entre comunitats i conèixer la seva pre-exposició a l'estrès oxidatiu. Aquesta aproximació multi-biomarcador a nivell de comunitat és especialment interessant per avaluar la toxicitat dels contaminants emergents (β-blockers) sobre espècies no-diana. Per tal de millorar-la, també es va verificar la possibilitat de mesurar l'expressió gènica en biofilms.

The effect of organic materials on the mobility and toxicity of metals in contaminated soils

Organic materials such as compost are often proposed as suitable materials for the remediation of contaminated brownfield sites intended for soft end-use. In addition to vitalising the soil, they are also believed to immobilise metals thereby breaking contaminant-receptor pathways and reducing the ecotoxicity of the contaminants. However, some research has demonstrated contradictory effects between composts on metal immobilisation. In the present study, four different composts and a liming product containing organic matter (LimeX70) were tested to examine both their metal retention and toxicity reduction capabilities on three different metal contaminated soils. Leaching tests, a plant growth test with Greek cress (Lepidium sativum), an earthworm (Eisenia fetida) survival and condition test and a bacterial toxicity test using Vibrio fischeri were carried out. The leaching test results showed that spent mushroom compost caused an increase in metal concentration in the leachates, while LimeX70 caused a decrease. The variation in behaviour between different amendments for each soil was high, so a generic conclusion could not be drawn. Toxicity tests showed significant reduction of metal bioavailability and toxicity for Greek cress, earthworms and bacteria. The results also suggest that more research should be undertaken to understand the mechanisms involved in metal complexation using different types of organic matter, in order to optimise the use of organic materials like compost for soil remediation. Crown Copyright (C) 2007 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of time on the plant availability of Cd, Ni and Zn after sewage sludge has been applied to soils

A pot experiment was conducted to test the hypothesis that decomposition of organic matter in sewage sludge and the consequent formation of dissolved organic compounds (DOC) would lead to an increase in the bioavailability of the heavy metals. Two Brown Earth soils, one with clayey loam texture (CL) and the other a loamy sand (LS) were mixed with sewage sludge at rates equivalent to 0, 10 and 50 1 dry sludge ha(-1) and the pots were sown with ryegrass (Lolium perenne L.). The organic matter content and heavy metal availability assessed with soil extractions with 0.05 M CaCl2 were monitored over a residual time of two years, while plant uptake over one year, after addition of the sludge. It was found that the concentrations of Cd and Ni in both the ryegrass and the soil extracts increased slightly but significantly during the first year. In most cases, this increase was most evident especially at the higher sludge application rate (50 t ha(-1)). However, in the second year metal availability reached a plateau. Zinc concentrations in the ryegrass did not show an increase but the CaCl2 extracts increased during the first year. In contrast, organic matter content decreased rapidly in the first months of the first year and much more slowly in the second (total decrease of 16%). The concentrations of DOC increased significantly in the more organic rich CL soil in the course of two years. The pattern followed by the decomposition of organic matter with time and the production of DOC may provide at least a partial explanation for trend towards increased metal availability.

Effects of short-term pH fluctuations on cadmium, nickel, lead, and zinc availability to ryegrass in a sewage sludge-amended field

In this field experiment, sewage sludge was applied at 0, 5, 10, and 50 t ha(-1), and the availability of Cd, Ni, Pb, and Zn was assessed both by ryegrass uptake and by DTPA extractions. The aim was to investigate the role of important soil parameters, particularly pH, on heavy metal availability. It was found that metal uptake and extractability increased significantly in the 50 t ha(-1) treatment. In the 16th week of the experiment there was a significant, although temporary, increase in DTPA-extractable Cd, Ni, and Zn concentrations. Metal concentrations in ryegrass were also significantly elevated in week 20 compared to the subsequent cuttings. These fluctuations in both DTPA and ryegrass uptake occurred only at 50 t ha(-1) and were probably induced by a sudden pH decrease measured in the same treatment in week 16. This suggests that soils which have received high applications of sewage sludge may be prone to fluctuations in metal availability. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The influence of mineral solubility and soil solution concentration on the toxicity of copper to Eisenia fetida Savigny

The OECD 14 d earthworm acute toxicity test was used to determine the toxicity of copper added as copper nitrate (Cu(NO3)(2)), copper sulphate (CuSO4) and malachite (Cu-2(OH)(2)(CO3)) to Eisenia fetida Savigny. Cu(NO3)(2), and CuSO4 were applied in both an aqueous (aq) and solid (s) form, Cu-2(OH)(2)(CO3) was added as a solid. Soil solution was extracted by centrifugation, and analysed for copper. Two extractants [0.01 M CaCl2 and 0.005 M diethylenetriminpentaacetic acid (DTPA)] were used as a proxy of the bioavailable copper fraction in the soil. For bulk soil copper content the calculated copper toxicity decreased in the order nitrate > sulphide > carbonate, the same order as decreasing solubility of the metal compounds. For Cu(NO3)(2) and CuSO4, the LC50s obtained were not significantly different when the compound was added in solution or solid form. There was a significant correlation between the soil solution copper concentration and the percentage earthworm mortality for all 3 copper compounds (P less than or equal to 0.05) indicating that the soil pore water copper concentration is important for determining copper availability and toxicity to E. fetida. In soil avoidance tests the earthworms avoided the soils treated with Cu(NO3)(2) (aq and s) and CuSO4 (aq and s), at all concentrations used (110-8750 mug Cu g(-1), and 600-8750 mug Cu g(-1) respectively). In soils treated with Cu-2(OH2)CO3, avoidance behaviour was exhibited at all concentrations greater than or equal to3500 mug Cu g(-1). There was no significant correlation between the copper extracted by either CaCl2 or DTPA and percentage mortality. These two extractants are therefore not useful indicators of copper availability and toxicity to E. fetida.

Does speciation impact on Cu uptake by, and toxicity to, the earthworm Eisenia fetida?

Eisenia fetida were exposed to different concentrations (0.009, 0.049 and 0. 125 mg L-1) of Cu in an aqueous medium. Cu speciation was manipulated through the addition of different concentrations (0. 15, 0.35 and 50 mg L-1) of EDTA. Cu speciation (as labile and non-labile pools) was determined using Differential Pulse Anodic Stripping Voltammetry. Labile Cu includes free Cu ions together with weak inorganic Cu complexes and a small fraction of easily dissociable organic complexes. Metal uptake and earthworm mortality increased with total Cu concentration in the EDTA free solutions. In the presence of EDTA both metal uptake and mortality decreased. These experiments demonstrate that Cu speciation governs uptake and consequent toxicity of Cu to E. fetida. (c) 2007 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Effect of organic complexation on the toxicity of Cu to the earthworm Eisenia fetida

The relationship between Cu speciation in solution and mortality and tissue Cu concentrations in Eisenia fetida was investigated. E. fetida were exposed to solutions containing 0.009, 0.049 and 0.125 mg Cu L-1 and 0, 0.15, 0.35 and 50 mg EDTA L-1. Mortalities of 100, 60, 50 and 25% were recorded in the 0.125 mg Cu L-1 solutions containing 0, 0.15, 0.35 and 50 mg EDTA L-1, respectively. Similarly tissue body burden decreased with increasing EDTA concentration. Complexation capacity of the solution increased with EDTA concentration. In the 0.125 mg Cu L-1 solution labile Cu concentration decreased with increasing EDTA concentration. These trends are attributed to complexation of free Cu ions with EDTA molecules, and the non-bioavailable nature of the resultant Cu-EDTA complex. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Soil mobility of sewage sludge-derived dissolved organic matter, copper, nickel and zinc

A soil (sandy loam) column leaching study aimed to determine the extent of mobility and co-mobility of Cu, Ni, Zn and dissolved organic matter (DOM) released from a surface-application (equivalent to 50 t ds ha(-1)) of anaerobically-digested sewage sludge. Leaching of DOM through It the soil column was found to be almost un-retarded. Decidedly similar behaviour was exhibited by Ni suggesting that it migrated as organic complexes. Whilst Cu was also found to be leached, significant retardation was evident. However, the importance of DOM in promoting the mobility of both Cu and Ni was evidenced by their lack of mobility when added to the soil column as inorganic forms. The presence of DOM did not prevent Zn from becoming completely adsorbed by the soil solid phase. In relation to WHO drinking water guidelines, only Ni concentrations showed potential environmental significance. due to the relatively poor retention of Ni by the sludge solid phase. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of dissolved organic matter on the solubility of heavy metals in sewage-sludge-amended soils

Sewage-sludge-amended soils generally contain elevated levels of organic matter and heavy metals compared to control soils. Because organic matter is known to complex with heavy metals, the solubility behavior of the organic matter in such soils may exert a significant influence on the solubility of the metals. Little is known about such a process. Using batch experiments in which the solubility of organic matter in a heavily sludge-amended soil was artificially manipulated, we show that the solubilities of the heavy metals copper (Cu), nickel (Ni), and lead (Pb) show a strong positive relationship to the solubility of organic matter, particularly at high pH. The results suggest that under field conditions, spatiotemporal variations in the solid-solution partitioning of organic matter may have a bearing on the environmental significance (mobility and bioavailability) of these heavy metals.