Impact of bio-reduced graphene oxide on the anaerobic transformation of emerging pollutants

Abstract

ENG- Human society has developed around a central pillar that enhances our well-being, increases life expectancy, and improves health. However, while medicines have been instrumental in solving many health issues, they also pose an environmental problem. Simply by living, we generate waste substances that must be expelled from our bodies, and the drugs we consume are no exception. Eventually, these drugs are released into the environment.

To mitigate this, we have constructed a network of wastewater treatment plants designed to manage the waste we produce daily. These plants encourage bacterial growth by providing large amounts of oxygen for them to "breathe”. However, these facilities were primarily designed to remove organic matter and some nutrients, not to address the challenges posed by so-called emerging contaminants. Emerging contaminants are pollutants that, until recently, were difficult to detect, but advances in detection methods have revealed their significant environmental impact.

The research conducted for this thesis investigated the addition of a nanomaterial derived from graphene (graphene oxide) to enhance the growth of microorganisms that do not use oxygen for respiration. The advantage of using these microorganisms is that they can convert organic matter in wastewater into methane, thus allowing energy recovery from wastewater. However, these microorganisms are slow to act. Graphene oxide serves as a support structure for these microorganisms, allowing them to grow more effectively and exchange energy (electrons) through its matrix.

The conclusion of this doctoral research reveals an ambivalent effect from adding graphene oxide. During the adaptation phase, microorganisms were able to degrade even the most persistent drugs in wastewater more efficiently, but methane production decreased. Nevertheless, once microorganisms had adapted to the new material, drug elimination was no longer enhanced, but methane production increased significantly. This finding is crucial because it opens the door to exploring new conditions that might favor the removal of pharmaceutical contaminants from wastewater

CAT- Els humans hem desenvolupat una societat al voltant d'un pilar central que afavoreix el nostre benestar i augmentar la nostra esperança de vida, la sanitat. No obstant això, l'ús de medicaments és, a la vegada que la solució a moltes malalties, un problema mediambiental. Pel sol fet d'existir els éssers vius generem substàncies de rebuig que hem d'expulsar del nostre organisme, i per tant els fàrmacs que consumim eventualment són expulsats. Per protegir el medi ambient dels residus que generem hem construït una xarxa d'estacions depuradores pel tractament de l'aigua residual que generem diàriament, concebudes per fer créixer bacteris aportant grans quantitats d'oxigen perquè puguin “respirar”. Tanmateix, aquestes instal·lacions van ser concebudes per eliminar matèria orgànica, i algunes nutrients, però no per poder fer front a la problemàtica dels anomenats contaminants emergents. Aquests, són contaminants que fa uns anys no es tenien en compte per ser difícils de detectar, però que en els darrers anys s'ha pogut quantificar el seu impacte negatiu al medi ambient.

La recerca que s'ha dut a terme en el marc d'aquesta tesi ha estudiat l'addició d'un nanomaterial derivat del grafè (òxid de grafè), per potenciar el creixement de microorganismes que no respiren amb oxigen. L'avantatge d'utilitzar aquests microorganismes és que transformen la matèria orgànica de l'aigua residual en metà, i per tant podem recuperar energia de les aigües residuals, però són microorganismes lents. Per la seva banda, l'òxid de grafè serveix de xarxa de suport perquè els microorganismes hi creixin a sobre, i intercanviïn energia (electrons) a través de la seva estructura. Com a conclusió d'aquesta tesi doctoral, afegir òxid de grafè té un efecte ambivalent. Durant el procés d'adaptació al nou material els microorganismes són capaços de degradar millor els fàrmacs presents a l'aigua residual, fins i tot els més persistents, però la producció de metà es veu reduïda. Per altra banda, un cop adaptats l'eliminació de fàrmacs no es veu beneficiada, però augmenta significativament la producció de metà. Nogensmenys important, aquesta observació obre la porta a explorar noves condicions per afavorir l'eliminació de fàrmacs en aigües residuals