Factors influencing the bioremoval of copper and zinc from wastewater using microalgae, bacteria, and their consortia

Abstract

Water pollution by toxic heavy metals is a severe socio-sanitary problem that requires efficient, environmentally friendly, and economically viable solutions. Typical pig diets have a high content of phytates, which reduces the availability of Zn and Cu. Thus, to ensure animal health, welfare and productivity, pig diets are supplemented with these elements that are partially released to the ambient through the urine and feces. These residues represent an alarming problem nowadays, due to their high concentrations of carbon, nitrogen, phosphorous, and, of course, heavy metals and pharmaceutical products. Therefore, it is essential to develop an effective treatment of slurry generated in livestock facilities, which not only prevents contamination but also allows the recovery of organic matter and nutrients present in them, applying the concept of circular bioeconomy. This work aims to provide a sustainable solution to this issue, using microorganisms to treat and valorize wastewater from the food industry, in general, and livestock, in particular. The study focuses on the elimination of two metals (Cu and Zn) that, although essential at low concentrations, can be toxic when prolonged exposure to concentrations higher than required takes place. A bibliographic review has been carried out to evaluate the retention capacity of these elements by microalgae, bacteria, and their consortia, the experimental conditions in which metal retention takes place, and the predominant bioaccumulation mechanisms in each type of biomass. In the experimental part, a complete factorial design of 144 experiments has been applied to evaluate the effect of six factors on the bioelimination capacity of copper and zinc and the growth of the biomass. Three types of biomass were used: a pure Scenedesmus Almeriensis strain, a bacterial sludge, and a consortium of Scenedesmus Almeriensis and bacteria grown in slurry water. Furthermore, we selected other factors intending to study whether they influenced the retention process or not, such as organic matter, the CO2, the initial concentration of metals, the light, and the contact time. After the statistical analysis of the results, it was determined that the most important factors are the type of biomass (the pure microalgae showed the highest metal retention capacities), the initial metal concentration (the higher the concentration, the higher the retention), and stirring time (short times resulted in higher retention). For pure microalgae and slurry-grown biomass, significant biomass growth was observed. The results obtained from the retention capacities are promising since very high values were reached for copper and zinc metals, which makes it possible to consider the treatment of wastewater with high organic load and metals in photobioreactors as a promising method for the elimination heavy metal.

La contaminación de las aguas por metales pesados tóxicos es un grave problema sociosanitario que requiere soluciones eficientes, respetuosas con el medio ambiente y económicamente viables. Típicamente, las dietas porcinas tienen un alto contenido en fitatos, que reducen la disponibilidad de Zn y Cu. Con el fin de asegurar su correcto desarrollo, los piensos que se dan a los cerdos se suplementan con estos dos elementos. La mayor parte de esos metales se expulsa con las heces, que suponen actualmente un problema medioambiental muy importante debido a sus elevadas concentraciones de carbono, nitrógeno y fósforo y, por supuesto de metales pesados y productos farmacéuticos. Resulta imprescindible, en la actualidad, un tratamiento efectivo de los purines generados en las instalaciones ganaderas, que no sólo evite la contaminación, sino que permita la recuperación de la materia orgánica y nutrientes presentes en los mismos, aplicando el concepto de bioeconomía circular. Este trabajo pretende dar una solución sostenible a este problema, usando microorganismos para tratar y valorizar aguas residuales de la industria alimentaria, en general, y ganadera, en particular. El estudio se centra en la eliminación de dos metales (Cu y Zn) que, aunque esenciales a bajas concentraciones, pueden resultar tóxicos cuando tiene lugar una exposición prolongada a concentraciones superiores a la requerida. Se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica para evaluar la capacidad de retención de estos elementos por microalgas, bacterias y sus consorcios, las condiciones experimentales en las que la retención de metales tiene lugar y los mecanismos de bioacumulación predominantes en cada tipo de biomasa. En este trabajo se ha aplicado un diseño factorial completo de 144 experimentos para evaluar el efecto de seis factores sobre la capacidad de bioeliminación de cobre y cinc y sobre el crecimiento de la biomasa. Se hizo uso de tres tipos de biomasa: una cepa Scenedesmus Almeriensis pura, un fango de bacterias, y un consorcio de Scenedesmus Almeriensis y bacterias crecido en aguas de purín. Además, seleccionamos otros factores con la intención de estudiar si influían en el proceso de retención, como la materia orgánica, el CO2, la concentración inicial de metales, la luz, y el tiempo de contacto con la disolución. Tras el análisis estadístico de los resultados, se determinó que los factores más importantes son el tipo de biomasa (la microalga pura mostró las capacidades de retención de metales más altas), la concentración inicial de metal (a mayor concentración, mayores retenciones), y el tiempo de agitación (tiempos cortos resultaron en mayores retenciones). Para la microalga pura y biomasa crecida en purín, se observó un crecimiento de biomasa significativo. Los resultados que se obtuvieron de las capacidades de retención son prometedores, pues se alcanzaron valores muy altos para los metales cobre y cinc, que hacen que podamos considerar el tratamiento de aguas residuales con elevada carga orgánica y metales en fotobioreactores un método prometedor para la eliminación de metales pesados.