Wastewater treatment from pharmaceutical substances with filamentous fungi

• The ever-increasing concern about the widespread occurrence of pharmaceutical substances in the aquatic environment has been recognized as an emerging environmental issue as it can cause undesirable effects on the ecosystem and human health. The current wastewater treatment methods are not designed to treat municipal wastewater from the contamination of various pharmaceutical substances. As a result, pharmaceuticals can enter the environment and pose a threat to life forms. Therefore, it is important to enhance the classical wastewater treatment process in order to meet the challenges by advancing the technologies. Currently, the biological treatment method with filamentous fungi has been considered a promising, cost- effective, and environmentally friendly method for removing pharmaceutical substances from municipal wastewater. The thesis “Wastewater treatment from pharmaceutical substances with filamentous fungi” demonstrates the potential application of fungi in removing pharmaceutical substances and their expedience to incorporate into the classical municipal wastewater treatment process. The investigation focused on selecting suitable fungal strains that could adapt without adjusting physico-chemical parameters and compete with the microbial community in the municipal wastewater. Further, the thesis investigated whether fungal strains could reduce nutrients and pharmaceutical substances in lab-scale and pilot-scale setup and the mechanisms of pharmaceutical substance removal. The thesis consists of two main stages. In the first stage, the batch- scale experiments were carried out under laboratory conditions, finding out the most suitable fungal strains for the removal of pharmaceutical substances from wastewater. The results demonstrated that fungi compete with each other since higher removal efficiency was observed if the fungi were grown individually. Batch-scale experiments showed that Trametes versicolor a laboratory strain and Aspergillus luchuensis an environmental isolate from a municipal wastewater treatment plant – can be a promising strain for removing pharmaceutical substances in a non-sterile municipal wastewater treatment without the adjustment of pH level. Therefore, these strains were used for further study. In the second stage, the pilot-scale system with a fungal fluidized bed pelleted bioreactor was developed. The results demonstrated that a high potential to remove phosphorus from municipal wastewater efficiently and successfully under a batch scale experiment with non-sterile municipal wastewater while the results from the fluidized bed bioreactor did not demonstrate any significant decrease of phosphorus. Additionally, the fluidized pelleted bioreactor was optimized to perceive bioaugmentation as a strategy with the frequent addition of fungal biomass. The results from the optimization process showed that bioaugmentation is a relatively efficient approach to build on fungi in the fluidized pelleted bioreactor. Furthermore, the results from the AI-based platform with modeling study showed that optimization of bioaugmentation with fungi increases the removal efficiency of pharmaceutical substances from non-sterile municipal wastewater. The author of this study showed that both the literature review and the results from the batch and pilot-scale experiments provided new knowledge that can be used for future investigations of wastewater treatment with fungi. The thesis will help to improve and better understand the possible application of fungi in the municipal wastewater treatment process. The thesis is written in English and consists of 68 pages, 14 figures, 4 tables, and 133 literature sources were used for the development of the thesis. 

• Promocijas darba “Mikroskopisko sēņu izmantošana sadzīves notekūdeņu attīrīšanā no farmaceitiski aktīvajām vielām” ietvaros ir veikta mikroskopisko sēņu izpēte un pilnveidota alternatīva metode notekūdeņu attīrīšanai no farmaceitiski aktīvajām vielām. Klasiskās notekūdeņu attīrīšanas metodes ne vienmēr var attīrīt sadzīves notekūdeņus no farmaceitiski aktīvo vielu piesārņojuma. Šī iemesla dēļ apkārtējā vidē var nonākt farmaceitiski aktīvās vielas un radīt apdraudējumu dzīvajiem organismiem. Lai novērstu farmaceitiski aktīvo vielu nokļūšanu apkārtējā vidē no sadzīves notekūdeņiem, nepieciešams meklēt jaunas un alternatīvas tehnoloģijas, lai uzlabotu gan jau esošās metodes, gan izstrādātu jaunas notekūdeņu attīrīšanas metodes. Kā viena no metodēm šī mērķa sasniegšanai var tikt izmantota bioloģiskā metode ar mikroskopiskajām sēnēm. Promocijas darba pētījums ir sadalīts divās galvenajās daļās. Pirmajā daļā tika veikti laboratorijas mēroga eksperimenti, lai noskaidrotu atbilstošākās mikroskopiskās sēnes notekūdeņu attīrīšanai no farmaceitiski aktīvajām vielām. Promocijas darba gaitā tika noskaidrots, ka mikroskopisko sēņu augstākā efektivitāte farmaceitisko vielu attīrīšanā no notekūdeņiem tika sasniegta, ja sēnes tiek izmantotas atsevišķi, nevis kombinētas savā starpā. Tika noskaidrots, ka Trametes veriocolor un Aspergillus luchuensis ir vispiemērotākās mikroskopiskās sēnes notekūdeņu attīrīšanai no farmaceitiskajām vielām. Tāpēc šīs mikroskopiskās sēnes tika izmantotas promocijas darba otrajā daļā. Promocijas darba otrajā daļā tika izstrādāts pilota mēroga bioreaktors. Šajā bioreaktorā tika pārbaudīta izvēlēto mikroskopisko sēņu efektivitāte farmaceitiski aktīvo vielu attīrīšanā no sadzīves notekūdeņiem. Darba gaitā tika pārbaudīta bioaugmentācija kā iespējamā metode, lai uzlabotu mikroskopisko sēņu efektivitāti farmaceitiski aktīvo vielu attīrīšanā no sadzīves notekūdeņiem. Tāpat darba gaitā tika pārbaudīta mikroskopisko sēņu spēja attīrīt notekūdeņus no fosfora un slāpekļa savienojumiem. Tika noskaidrots, ka mikroskopiskās sēnes spēj samazināt kopējo fosfora daudzumu sadzīves notekūdeņos. Tāpat iegūtie rezultāti parādīja, ka mikroskopiskās sēnes spēj sadzīves notekūdeņus attīrīt no farmaceitiski aktīvo vielu piesārņojuma un bioagmentācijas izmantošana var kalpot kā efektīva metode, lai uzturētu nepārtrauktu bioreaktora darbību ar mikroskopiskajām sēnēm. Promocijas darbs ir uzrakstīts angļu valodā un satur 68 lappuses, 14 attēlus, 4 tabulas, un 133 literatūras avoti tika izmantoti promocijas darba izstrādē. 

• Den ständigt ökande oron om läkemedelsresters vida spridning i den akvatiska miljön är ett globalt erkänt växande problem, då dessa substanser orsakar oönskade effekter på människa och miljö. Dagens avloppsvattenreningsmetoder är inte designade för att rena vattnet från läkemedelsrester, vilket resulterar i att dessa substanser sprids och riskerar orsaka skada. På grund av detta är det viktigt att förbättra den konventionella reningsprocessen för att möta framtidens krav på läkemedelsrening. En lovande teknik för att åstadkomma denna förbättring är biologisk rening med hjälp av filamentösa mikrosvampar, vilken visat sig vara både kostnadseffektiv och miljövänlig. Syftet med denna avhandling var således att undersöka möjligheten att tillämpa mikrosvampar för att rena vatten från läkemedelsrester, men också hur väl en sådan lösning skulle kunna passa in i ett konventionellt reningsverk. Arbetet fokuserade på att hitta lämpliga stammar av mikrosvampar som kunde anpassa sig till miljön i en konventionell avloppsvattenreningsprocess utan att konkurrera med den aktiva mikrobiologiska floran, eller att behöva förändra rådande fysikalisk-kemiska parametrar. Vidare undersöktes hur väl lämpliga kandidater av mikrosvampar reducerade näringsämnen och läkemedelsrester, samt dess mekanismer, både i labbskale- och pilotskaleförsök. Avhandlingen består av två delar i vilken den första behandlar batch- experiment i labbskala som genomfördes i labbmiljö där lämpliga stammar av mikrosvampar utvärderades efter dess förmåga att rena vatten från läkemedelsrester. Resultaten visade att svamparna konkurrerar med varandra då högre reduktion observerades i de fall svamparna odlades individuellt. Två lovande kandidater att använda i en icke-steril miljö utan pH-justering var Trametes versicolor, en laboratoriestamm, samt Aspergillus luchuensis, ett isolat från ett kommunalt avloppsreningsverk. Dessa två kandidater användes i avhandlingens andra del, vilken behandlar utvecklingen av en FPB-bioreaktor (fluidiserad pelletbädd-bioreaktor) i pilot-skala. Resultaten visade en hög potential för att effektivt minska halten fosfor i icke-sterilt vatten från ett kommunalt avloppsreningsverk. Vidare optimerades bioreaktorn med avseende på bioaugmentering, genom kontinuerlig tillförsel av svamp-biomassa. Resultaten från optimeringen visade att bioaugmentering är en effektiv metod för att snabbt bygga upp biomassa i bioreaktorn. En modelerings-studie med hjälp av en AI-baserad plattform visade dessutom att optimeringen av bioaugmentering ökade systemets effektivitet för att minska halten läkemedelsrester från icke- sterilt avloppsvatten. Författaren av den här avhandlingen har därmed visat att litteraturstudien samt resultaten från experimenten bidragit till ny kunskap som kan användas i framtida forskning om avloppsvattenrening med hjälp av mikrosvampar. Det här arbetet kommer förbättra och utöka förståelsen för hur mikrosvampar kan appliceras i kommunala vattenreningsprocesser. Avhandlingen är skriven på engelska och består av 68 sidor, 14 figurer, 4 tabeller, samt 133 litteratur-referenser. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Vattenteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Water Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Filamentous fungi

municipal wastewater

pharmaceutical substances

fungal fluidized bed pelleted bioreactor

nutrients

diclofenac

ketoprofen

Trametes versicolor

Aspergillus luchuensis

Mikroskopiskās sēnes

sadzīves notekūdeņi

farmaceitiskās vielas

mikroskopisko sēņu bioreaktors

diklofenaks

ketoprofens

Trametes versicolor

Aspergillus luchuensis

Filamentösa svampar

kommunalt avloppsvatten

läkemedelsrester

bioreaktor

näringsämnen

diklofenak

ketoprofen

Trametes versicolor

Aspergillus luchuensis

Biotechnology

Bioteknologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)