Metabolism of sulphonated anthraquinones in rhubarb, maize and celery: the role of cytochromes P450 and peroxidases

Sulphonated anthraquinones are precursors of many synthetic dyes and pigments, recalcitrant to biodegradation, and thus contaminating many industrial effluents and rivers. In the development of a phytotreatment to remove sulphonated aromatic compounds, rhubarb (Rheum rhaponticum), a plant producing natural anthraquinones, as well as maize (Zea mays) and celery (Apium graveolens), plants not producing anthraquinones, were tested for their ability to metabolise these xenobiotics. Plants were cultivated under hydroponic conditions, with or without sulphonated anthraquinones, and were harvested at different times. Either microsomal or cytosolic fractions were prepared. The monooxygenase activity of cytochromes P450 towards several sulphonated anthraquinones was tested using a new method based on the fluorimetric detection of oxygen consumed during cytochromes P450-catalysed reactions. The activity of cytosolic peroxidases was measured by spectrophotometry, using guaiacol as a substrate. Results indicated that the activity of cytochromes P450 and peroxidases significantly increased in rhubarb plants cultivated in the presence of sulphonated anthraquinones. A higher activity of cytochromes P450 was also detected in maize and celery exposed to the pollutants. In these two plants, a peroxidase activity was also detected, but without a clear difference between the control plants and the plants exposed to the organic contaminants. This research demonstrated the existence in rhubarb, maize and celery of biochemical mechanisms involved in the metabolism and detoxification of sulphonated anthraquinones. Taken together, results confirmed that rhubarb might be the most appropriate plant for the phytotreatment of these organic pollutants.

A potential application of sludge-based catalysts for the anaerobic bio-decolorization of tartrazine dye.

Two highly efficient (K2CO3/sludge carbon and ZnCl2/sludge carbon) solids were prepared by chemical addition following carbonization at 800 °C and were tested for anaerobic reduction of tartrazine dye in a continuous upflow packed-bed biological reactor, and their performance was compared to that of commercial activated carbon (CAC). The chemical and structural information of the solids was subjected to various characterizations in order to understand the mechanism for anaerobic decolorization, and efficiency for SBCZN800 and SBCPC800 materials was 87% and 74%, respectively, at a short space time (τ) of 2.0 min. A first-order kinetic model fitted the experimental points and kinetic constants of 0.40, 0.92 and 1.46 min(-1) were obtained for SBCZN800, SBCPC800 and CAC, respectively. The experimental results revealed that performance of solids in the anaerobic reduction of tartrazine dye can depend on several factors including chemical agents, carbonization, microbial population, chemical groups and surface chemistry. The Langmuir and Freundlich models are successfully described in the batch adsorption data. Based on these observations, a cost-effective sludge-based catalyst can be produced from harmful sewage sludge for the treatment of industrial effluents.

Characterization and performance of carbonaceous materials obtained from exhausted sludges for the anaerobic biodecolorization of the azo dye Acid Orange II.

This work presents the preliminary study of new carbonaceous materials (CMs) obtained from exhausted sludge, their use in the heterogeneous anaerobic process of biodecolorization of azo dyes and the comparison of their performance with one commercial active carbon. The preparation of carbonaceous materials was conducted through chemical activation and carbonization. Chemical activation was carried out through impregnation of sludge-exhausted materials with ZnCl2 and the activation by means of carbonization at different temperatures (400, 600 and 800°C). Their physicochemical and surface characteristics were also investigated. Sludge based carbonaceous (SBC) materials SBC400, SBC600 and SBC800 present values of 13.0, 111.3 and 202.0m(2)/g of surface area. Biodecolorization levels of 76% were achieved for SBC600 and 86% for SBC800 at space time (τ) of 1.0min, similar to that obtained with commercial activated carbons in the continuous anaerobic up-flow packed bed reactor (UPBR). The experimental data fit well to the first order kinetic model and equilibrium data are well represented by the Langmuir isotherm model. Carbonaceous materials show high level of biodecolorization even at very short space times. Results indicate that carbonaceous materials prepared from sludge-exhausted materials have outstanding textural properties and significant degradation capacity for treating textile effluents.

Dissolution-Precipitation in Porous Media: Experiments and Modelling

The evolution of porosity due to dissolution/precipitation processes of minerals and the associated change of transport parameters are of major interest for natural geological environments and engineered underground structures. We designed a reproducible and fast to conduct 2D experiment, which is flexible enough to investigate several process couplings implemented in the numerical code OpenGeosys-GEM (OGS-GEM). We investigated advective-diffusive transport of solutes, effect of liquid phase density on advective transport, and kinetically controlled dissolution/precipitation reactions causing porosity changes. In addition, the system allowed to investigate the influence of microscopic (pore scale) processes on macroscopic (continuum scale) transport. A Plexiglas tank of dimension 10 × 10 cm was filled with a 1 cm thick reactive layer consisting of a bimodal grain size distribution of celestite (SrSO4) crystals, sandwiched between two layers of sand. A barium chloride solution was injected into the tank causing an asymmetric flow field to develop. As the barium chloride reached the celestite region, dissolution of celestite was initiated and barite precipitated. Due to the higher molar volume of barite, its precipitation caused a porosity decrease and thus also a decrease in the permeability of the porous medium. The change of flow in space and time was observed via injection of conservative tracers and analysis of effluents. In addition, an extensive post-mortem analysis of the reacted medium was conducted. We could successfully model the flow (with and without fluid density effects) and the transport of conservative tracers with a (continuum scale) reactive transport model. The prediction of the reactive experiments initially failed. Only the inclusion of information from post-mortem analysis gave a satisfactory match for the case where the flow field changed due to dissolution/precipitation reactions. We concentrated on the refinement of post-mortem analysis and the investigation of the dissolution/precipitation mechanisms at the pore scale. Our analytical techniques combined scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron X-ray micro-diffraction/micro-fluorescence performed at the XAS beamline (Swiss Light Source). The newly formed phases include an epitaxial growth of barite micro-crystals on large celestite crystals (epitaxial growth) and a nano-crystalline barite phase (resulting from the dissolution of small celestite crystals) with residues of celestite crystals in the pore interstices. Classical nucleation theory, using well-established and estimated parameters describing barite precipitation, was applied to explain the mineralogical changes occurring in our system. Our pore scale investigation showed limits of the continuum scale reactive transport model. Although kinetic effects were implemented by fixing two distinct rates for the dissolution of large and small celestite crystals, instantaneous precipitation of barite was assumed as soon as oversaturation occurred. Precipitation kinetics, passivation of large celestite crystals and metastability of supersaturated solutions, i.e. the conditions under which nucleation cannot occur despite high supersaturation, were neglected. These results will be used to develop a pore scale model that describes precipitation and dissolution of crystals at the pore scale for various transport and chemical conditions. Pore scale modelling can be used to parameterize constitutive equations to introduce pore-scale corrections into macroscopic (continuum) reactive transport models. Microscopic understanding of the system is fundamental for modelling from the pore to the continuum scale.

RUNOFF FROM COAL PILES: EFFECTS ON THE ENVIRONMENT AND THE PUBLIC'S HEALTH

The use of coal for fuel in place of oil and natural gas has been increasing in the United States. Typically, users store their reserves of coal outdoors in large piles and rainfall on the coal creates runoffs which may contain materials hazardous to the environment and the public's health. To study this hazard, rainfall on model coal piles was simulated, using deionized water and four coals of varying sulfur content. The simulated surface runoffs were collected during 9 rainfall simulations spaced 15 days apart. The runoffs were analyzed for 13 standard water quality parameters, extracted with organic solvents and then analyzed with capillary column GC/MS, and the extracts were tested for mutagenicity with the Ames Salmonella microsomal assay and for clastogenicity with Chinese hamster ovary cells.^ The runoffs from the high-sulfur coals and the lignite exhibited extremes of pH (acidity), specific conductance, chemical oxygen demand, and total suspended solids; the low-sulfur coal runoffs did not exhibit these extremes. Without treatment, effluents from these high-sulfur coals and lignite would not comply with federal water quality guidelines.^ Most extracts of the simulated surface runoffs contained at least 10 organic compounds including polycyclic aromatic hydrocarbons, their methyl and ethyl homologs, olefins, paraffins, and some terpenes. The concentrations of these compounds were generally less than 50 (mu)g/l in most extracts.^ Some of the extracts were weakly mutagenic and affected both a DNA-repair proficient and deficient Salmonella strain. The addition of S9 decreased the effect significantly. Extracts of runoffs from the low-sulfur coal were not mutagenic.^ All extracts were clastogenic. Extracts of runoffs from the high-sulfur coals were both clastogenic and cytotoxic; those from the low-sulfur coal and the lignite were less clastogenic and not cytotoxic. Clastogenicity occurred with and without S9 activation. Chromosomal lesions included gaps, breaks and exchanges. These data suggest a relationship between the sulfur content of a coal, its mutagenicity and also its clastogenicity.^ The runoffs from actual coal piles should be investigated for possible genotoxic effects in view of the data presented in this study.^

Physical oceanography during UPAT cruise to the Amvrakikos Gulf, August 2009

Oceanographic research in the Amvrakikos Gulf in Western Greece, a semi-enclosed embayment isolated from the Ionian Sea by a narrow, shallow sill, has shown that it is characterised by a fjord-like oceanographic regime. The Gulf is characterised by a well-stratified two layer structure in the water column made up of a surface layer and a bottom layer that are separated by a strong pycnocline. At the entrance over the sill, there is a brackish water outflow in the surface water and a saline water inflow in the near-bed region. This morphology and water circulation pattern makes the Amvrakikos Gulf the only Mediterranean Sea fjord. The investigations have also shown that the surface layer is well oxygenated, whereas in the pycnocline, the dissolved oxygen (DO) declines sharply and finally attains a value of zero, thus dividing the water column into oxic, dysoxic and anoxic environments. At the dysoxic/anoxic interface, at a depth of approximately 35 m, a sharp redox cline develops with Eh values between 0 and 120 mV occurring above and values between 0 and -250 mV occurring below, where oxic and anoxic biochemical processes prevail, respectively. On the seafloor underneath the anoxic waters, a black silt layer and a white mat cover resembling Beggiatoa-like cells are formed. The dysoxic/anoxic conditions appeared during the last 20 to 30 years and have been caused by the excessive use of fertilisers, the increase in animal stocks, intensive fish farming and domestic effluents. The inflicted dysoxia/anoxia has resulted in habitat loss on the seafloor over an area that makes up just over 50% of the total Gulf area and approximately 28% of the total water volume. Furthermore, anoxia is also considered to have been responsible for the sudden fish mortality which occurred in aquaculture rafts in the Gulf in February 2008. Therefore, anoxic conditions can be considered to be a potential hazard to the ecosystem and to the present thriving fishing and mariculture industry in the Gulf.

Desarrollo de malezas en cultivos regados con efluentes domésticos tratados : Mendoza (Argentina)

La incidencia en el crecimiento de malezas por la utilización de efluentes domésticos para riego es uno de los aspectos económicos negativos del aprovechamiento de este tipo de aguas. El objetivo de este trabajo es comparar el crecimiento de malezas en cultivos regados con: a. efluentes domésticos tratados b. agua de perforación y agregado de fertilizante nitrogenado c. agua de perforación sin fertilizante La información se obtuvo de un ensayo de riego con cinco bloques al azar, realizado en Mendoza, Argentina, utilizando los efluentes de una planta depuradora con zanja de oxidación y se determinó el número y el peso de malezas (peso seco al aire). Se concluyó que el crecimiento de malezas (peso seco) es mayor cuando se utilizan efluentes que cuando se usa agua de perforación sin agregado de fertilizante: 1 200 % y también -pero en menor grado: 180 %- cuando se utiliza agua de perforación fertilizada En cuanto al número de malezas, no se encontraron diferencias significativas entre las medias de los tratamientos. Se interpretó que el aporte de nitrógeno y fósforo fue responsable del mayor crecimiento de malezas en parcelas regadas con efluentes.

Caracteres físico-químicos de efluentes de fábricas de aceite de oliva : Mendoza (Argentina)

La producción de aceite de oliva genera distintos subproductos entre los cuales el efluente o alpechín representa un serio problema mediambiental. En los países productores el alpechín es un residuo muy contaminante debido a su elevada composición orgánica, sus efectos inhibitorios y la tendencia de sus componentes a sufrir oxidación biológica. Estas características y la estacionalidad de su producción dificultan su eliminación. La industria del aceite de oliva está actualmente en expansión en Argentina. En Mendoza, dicha actividad tiene una gran tradición y un impacto ambiental considerable. El objetivo de este trabajo fue analizar los caracteres físico- químicos de los efluentes de fábricas de aceite oliva en Mendoza (Argentina) para conocer la realidad de la industria local y rever las especificaciones legales para efluentes. Los efluentes de dos fábricas fueron evaluados en tres puntos de muestreo: agua de entrada al proceso, salida de la fábrica y pileta de deposición final de los efluentes. Se analizó el contenido de iones, pH, conductividad eléctrica, DBO y DQO. Los resultados obtenidos permiten concluir que las características del efluente dependen del método de extracción utilizado y la eventual dilución con agua de lavado. La calidad del agua subterránea utilizada en el proceso no es un factor determinante para lograr un efluente fácilmente tratable. El problema medioambiental que se plantea es la producción de un efluente con alto contenido orgánico, salino y bajo pH, caracteres que impiden su vuelco en cursos de agua superficial o red de cloacas, por no cumplir con los requisitos indicados en la normativa vigente. Por lo tanto, las fábricas elaboradoras de aceite de oliva serán las encargadas de que dichos efluentes reciban un adecuado proceso de depuración que permita su eliminación o reutilización.

Calidad del agua en el área regadía del Río Mendoza (Argentina)

El río Mendoza conforma el oasis norte que es el más importante de la provincia. El crecimiento urbano ha avanzado sobre áreas originalmente agrícolas, rodeando la red de canales y desagües, que también recibe los desagües pluviales urbanos, producto de tormentas convectivas. La actividad antropogénica utiliza el recurso para bebida, saneamiento, riego, recreación, etc., y vuelca sus excedentes a la red, contaminándola. Para conocer la calidad del agua de esta cuenca se seleccionaron, estratégicamente, 15 sitios de muestreo: 3 a lo largo del río y a partir del dique derivador Cipolletti (R_I a R_III), 5 en la red de canales (C_I a C_V) y 7 ubicados en los colectores de drenaje (D_I a D_VII). Se realizaron los siguientes análisis físico-químicos y microbiológicos; en el río y en la red de canales: conductividad eléctrica, temperatura, pH, aniones y cationes (cálculo de RAS), oxígeno disuelto (OD), sólidos sedimentables, demanda química de oxígeno (DQO), bacterias aerobias mesófilas (BAM), coliformes totales y fecales y metales pesados. En la red de drenaje sólo se realizaron los cuatro primeros. Los resultados de los análisis, se incorporaron a una base de datos y se sometieron a un análisis estadístico descriptivo e inferencial. Este último consistió en la aplicación de diversas pruebas en busca de posibles diferencias entre los sitios de muestreo, para cada variable respuesta, a un α = 0.05. Se realizó el análisis de la varianza de efectos fijos y de efectos aleatorios y se probaron los supuestos de homocedasticidad y de normalidad de los errores. En el caso de violación de los supuestos, se utilizó la prueba de Kruskal- Wallis. Se compararon los siguientes sitios de muestreo entre sí: ríos, R_I-canales y drenajes. Se concluyó que hay un aumento significativo de la salinidad y la sodicidad en R_II, que los cambios de calidad ocurridos entre R_II y R_III podrían deberse al aporte de otras aguas. Con respecto a la comparación de los parámetros entre la cabeza del sistema (R_I) y la red de canales se puede decir que los aportes realizados por los escurrimientos urbanos ubicados hacia el oeste del canal Cacique Guaymallén, sumados a los vuelcos de Campo Espejo (detectados en C_II), incrementan significativamente la salinidad (+55 %) y sodicidad del agua (+95 %) respecto del punto R_I, aunque el valor de sodicidad sigue siendo bajo. También se han encontrado incrementos de salinidad (+80 %), de DQO (+1159 %) y BAM (+2873 %) con lógica disminución de OD (-58 %) en el punto C_V (canal Auxiliar Tulumaya) respecto del punto R_I, ocasionados por aportes urbanos (Gran Mendoza) sumados a la carga contaminante del canal Pescara. Los metales pesados no presentan grandes diferencias entre sitios de muestreo.

Gestión de efluentes y consumo de agua en bodega

Se estudió la gestión de efluentes y el consumo de agua en una bodega productora de vinos tintos ubicada en Maipú (Mendoza, Argentina) y se propusieron alternativas para mejorar la situación actual organizando y reduciendo el consumo de agua y disminuyendo el impacto ambiental que causan los efluentes. La empresa no mide con precisión el consumo de agua, estimándolo por las veces que se llena y vacía la pileta que recoge los efluentes. Con ese dato, y en función del volumen elaborado de vino, se infirió que el gasto de agua quintuplica aproximadamente al de un establecimiento similar en Francia. Tampoco son medidas la salinidad y la toxicidad de las aguas residuales. Los cambios propuestos se basaron en: • la medición de los flujos de aguas de lavado y efluentes; • la reducción del consumo de agua adaptando materiales y maquinarias; estableciendo protocolos de limpieza y sensibilizando e instruyendo al personal; • la separación de los efluentes tóxicos; • la separación eficiente de los residuos sólidos de los líquidos; • los tratamientos oxidativos en aguas efluentes; • la reutilización parcial de las aguas tratadas en usos no bromatológicos.

Evaluación sensorial del impacto ambiental : industrias vitivinícola y aceitera

El objetivo de este trabajo fue probar y poner a punto un método para la valoración del impacto sobre el ambiente, generado por las industrias vitivinícolas y aceiteras. Sus efluentes líquidos se evaluaron sensorialmente durante dos años, en momentos y horarios clave de producción. Se practicaron pruebas de valoración de intensidad -mediante escalas de intervalo- y de ordenamiento, tanto para atributos: olor, color, turbidez y sedimento de efluentes líquidos, como para impactos: visual, olfativo y auditivo. Se caracterizaron las variables en cada tipo de establecimiento y por etapa considerada. Se elaboró una cartilla de color de efluentes líquidos mediante comparación con la escala Munsell. Se obtuvieron perfiles sensoriales de cada punto de muestreo. Las pruebas de ordenamiento (nivel de significancia = 0,05) arrojaron diferencias significativas para las variables y puntos de muestreo en estudio. Las pruebas de comparación múltiple indicaron los puntos de muestreo que debían mantenerse.

Caracterización química de efluentes de bodegas, Mendoza (Argentina)

La industria vitivinícola genera efluentes sólidos y líquidos en cantidad apreciable. Los sólidos son aprovechados en distintas aplicaciones e inclusive tienen valor comercial. En cambio, los líquidos pueden originar problemas cuando es necesario decidir cómo desecharlos o transformarlos en desechables. En Mendoza (Argentina), es común enviarlos después de su decantación a cauces y campos abiertos. En ambos casos aparece un serio riesgo de contaminación. Visto que generalmente se desconoce la composición de tales efluentes, este trabajo pretende caracterizarlos físico-químicamente en el período de elaboración de vinos, determinando: pH, conductividad eléctrica, DBO, DQO, cloruros, sulfatos, carbonatos y bicarbonatos, calcio, magnesio, sodio y potasio. La calidad de los efluentes varía notablemente con el agua empleada en los lavados, que aporta mayoritariamente aniones y cationes. Cuando el agua de lavado es abundante, los valores de pH, DBO y DQO de los efluentes permiten su eliminación junto con otros residuos cloacales o en campo abierto.

Contaminación por fosfatos en el oasis bajo riego del río Mendoza

El oasis bajo riego del río Mendoza, en la provincia argentina del mismo nombre -al igual que casi todas las ciudades en la actualidadpresenta problemas de avance de la urbanización sobre las tierras agrícolas, multiplicidad de usuarios y disminución de la disponibilidad del recurso hídrico, tanto en cantidad como en calidad. Si bien se destinan esfuerzos e inversiones tendientes a asegurar la disponibilidad de agua (mejora de eficiencias, ahorro de agua) no pasa lo mismo en relación con la preservación de su calidad. La agricultura mendocina resulta víctima de la contaminación producida por la urbanización y la industria a través del vuelco (puntual y/o difuso) de sus efluentes a la red de riego. Estudios realizados en el Oasis Norte de Mendoza pusieron de manifiesto la existencia de altos niveles de contaminación fosfatada en las aguas del río Mendoza. El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la evolución espacio-temporal y detectar las fuentes de esta contaminación. Los resultados del diagnóstico basado en una serie de muestreos realizados en 2003 - 2009 ponen de relieve la existencia de una moderada contaminación por fosfatos en las aguas del río Mendoza que riegan el Oasis Norte provincial. Asimismo, se detectaron niveles considerablemente altos de fosfatos en tres sitios específicos del oasis: 1. la superficie regadía servida por los canales Cacique Guaymallén y Jocolí -se observa un incremento de seis veces el contenido de fosfatos del agua: de 0,2 mg L-1 (R I) a 1,2 mg L-1 (C II)-; en este último sitio sólo se riega un pequeño sector que se aproxima a las 7.300 ha; 2. la superficie regada por el Colector Pescara aguas abajo del punto D VIII (1.250 ha), en la que los valores medios arrojaron un contenido diecisiete veces mayor (8,5 mg L-1 ) que los del sitio D I (0,49 mg L-1 ) que recibe desagües agrícolas y urbano pluviales; 3. la zona del Bajo río Mendoza (en esta zona se registró un aumento de dieciséis veces más fosfatos entre la parte media y la cola del sistema, con valores medios de 0,2 mg L-1 en el sitio R II y de 3,25 mg L-1 en R III).

Evaluación de la contaminación de acuíferos producida por actividades de saneamiento y re-uso de efluentes en el norte de la provincia de Mendoza

En la zona norte de la provincia de Mendoza se desarrollan actividades que pueden afectar la calidad natural del agua subterránea: disposición y re-uso de efluentes industriales para riego agrícola, utilización de fertilizantes, saneamiento in-situ, fugas de redes de alcantarillado, etc. En esta región, surcada superficialmente por los ríos Mendoza y Tunuyán, la sedimentación cuaternaria determinó la formación de dos grandes unidades hidrogeológicas: acuíferos libres (sector de conos aluviales), y acuífero freático superior y acuíferos subyacentes confinados y/o semiconfinados. El área de estudio se encuentra ubicada en esta última unidad hidrogeológica donde se ha detectado contaminación de acuíferos por nitratos. El objetivo de este trabajo es identificar el origen de la contaminación, utilizando metodología hidroquímica mediante la evaluación de diversos parámetros físicoquímicos y biológicos, y técnicas isotópicas para corroborar la procedencia del agua subterránea y el origen de los nitratos. Los resultados obtenidos muestran que la presencia de nitratos en los acuíferos semiconfinado y confinado no proviene de la influencia del acuífero libre suprayacente, afectado por el re-uso de efluentes, sino que se relaciona con el ingreso de flujo horizontal de aguas subterráneas contaminadas provenientes del área del Gran Mendoza, debido a las pérdidas en las redes de alcantarillado y obras de saneamiento in situ.

Territorial Intelligence of Vulnerability Systems 2- Sustainable Modelling of Globalization Challenge

Globalization as progress of economic development has increased population socioeconomical vulnerability when unequal wealth distribution within economic development process constitutes the main rule, with widening the gap between rich and poors by environmental pricing. Econological vulnerability is therefore increasing too, as dangerous substance and techniques should produce polluted effluents and industrial or climatic risk increasing (Woloszyn, Quenault, Faburel, 2012). To illustrate and model this process, we propose to introduce an analogical induction-model to describe both vulnerability situations and associated resilience procedures. At this aim, we first develop a well-known late 80?s model of socio-economic crack-up, known as 'Silent Weapons for Quiet Wars', which presents economics as a social extension of natural energy systems. This last, also named 'E-model', is constituted by three passive components, potential energy, kinetic energy, and energy dissipation, thus allowing economical data to be treated as a thermodynamical system. To extend this model to social and ecological sustainability pillars, we propose to built an extended E(Economic)-S(Social)-O(Organic) model, based on the three previous components, as an open model considering feedbacks as evolution sources. An applicative illustration of this model will then be described, through this summer's american severe drought event analysis