Decolorization of textile waste water, with an emphasis on microbial treatment processes

Promovendus/a: Ken Meerbergen

Promotor(en): Prof. dr. ir. Bart Lievens, Prof. dr. ir. Jan Van Impe, Prof. dr. ir. Lise Appels

Textielafvalwater wordt getypeerd door een intense kleur en bevat hoge concentraties aan kleurstoffen, additieven en diverse chemicaliën, waarvan sommige niet biodegradeerbaar en/of toxisch, mutageen of carcinogeen zijn. Het is daarom noodzakelijk om textielafvalwater te behandelen om deze substanties te verwijderen alvorens het water te lozen in de omgeving. De voorbije jaren werd uitvoerig onderzoek gevoerd naar de verwijdering van kleurstoffen in verschillende afvalwaters door middel van chemische, biologische of gecombineerde behandelingsmethoden. Desalniettemin is onze kennis over de microbiële ecologie en microbiële gemeenschappen in biologische afvalwaterzuiveringssystemen (AWZS) die textielafvalwater behandelen, alsook over de efficientië van deze systemen voor de verwijdering van recalcitrante kleurstoffen beperkt. In deze doctoraatsthesis werden reactieve azokleurstoffen gebruikt als modelcomponent om verschillende aspecten te bestuderen die kunnen bijdragen tot een beter begrip van de degradatie van textielkleurstoffen en hun verwijdering uit textielafvalwater. Reactieve azokleurstoffen vormen een belangrijke groep toxische, recalcitrante textielkleurstoffen die een grote hoeveelheid van de gebruikte kleurstoffen in de textielindustrie vertegenwoordigen, en zijn bijgevolg zeer geschikt voor deze studie.

In eerste instantie werden een aantal beschikbare moleculaire tools geïmplementeerd en geëvalueerd voor onderzoek naar de samenstelling van de microbiële gemeenschap en belangrijke genfuncties in actief slib van (textiel) AWZS (Hoofdstuk 2). Meer concreet werd een moleculair-ecologische toolbox ontwikkeld, bestaande uit specifieke SYBR Green-gebaseerde kwantitatieve real-time PCR (qPCR) protocols voor monitoring van de abundantie van bacteriële en archaeale 16S ribosomale RNA (rRNA) genen alsook een aantal functionele genen betrokken bij stikstofverwijdering. Bijkomend werd een 454 pyrosequencing protocol ontwikkeld op basis van 16S rRNA gen amplicons om de samenstelling van de archaeale en bacteriële gemeenschappen in actief slibsystemen te beschrijven.

Microbiële gemeenschappen van actief slib in AWZS zijn het voorbije decennium grondig bestudeerd geweest. Desalniettemin is er nog steeds weinig bekend over de samenstelling van de microbiële gemeenschappen en hun manier van functioneren in actief slib van textiel AWZS. Daarom was de doelstelling van Hoofdstuk 3 om de microbiële gemeenschap in actief slib van goed functionerende textiel AWZS te vergelijken met municipale AWZS verspreid over twee seizoenen (zomer en winter), en de onderlinge verschillen te verklaren via omgevingsparameters. In totaal werden 160 archaeale en 1645 bacteriële operationele taxonomissche eenheden (OTUs (Operational Taxonomic Units), surrogaatbegrip voor species) bekomen. De bekomen resultaten suggereren dat actief slib van textiel AWZS een microbiële gemeenschap herbergt die verschillend is van die van municipale AWZS. De OTU-rijkdom van zowel de archaea als bacteriën was significant hoger in stalen van municipale AWZS in vergelijking met textiel AWZS. De bacteriële phyla Planctomycetes, Chloroflexi, Chlorobi en Acidobacteria waren meer abundant in actief slib van textiel AWZS, tesamen met het archaeale phylum Thaumarchaeota. Daarnaast werden sulfaatreducerende bacteriën bijna enkel teruggevonden in textiel AWZS, terwijl nitrificerende en denitrificerende bacteriën alsook fosfaataccumulerende bacteriën meer abundant waren in municipale AWZS. De resultaten toonden ook aan dat microbiële gemeenschappen van textiel AWZS onderling meer verschillend zijn dan deze van municipale AWZS, mogelijk door een grotere variatie aan omgevingsstressoren waaraan microbiële gemeenschappen uit textiel AWZS blootgesteld worden. Een hoog zoutgehalte, hoge organische belasting en hogere watertemperaturen werden gevonden als belangrijke variabelen achter de samenstelling van microbiële gemeenschappen in actief slib van textiel AWZS. Om te achterhalen hoe deze microbiële gemeenschappen in textiel AWZS tot stand komen, werd de respons van actief slib microbiële gemeenschappen na blootstelling aan textielkleurstoffen bestudeerd. Daarvoor werd de samenstelling van de microbiële gemeenschap in actief slib van municipale AWZS bestudeerd voor en na blootstelling aan azokleurstoffen (Reactive Violet 5 (RV5)) (Hoofdstuk 4). Moleculaire analyse toonde aan dat microbiële gemeenschappen die blootgesteld werden aan recalcitrante azokleurstoffen verschuiven van een diverse naar een minder diverse gemeenschap bestaande uit geadapteerde taxa met azokleurstof degraderende activiteit.

Verschillende (fysico)chemische en biologische methoden werden reeds voorgesteld voor de verwijdering van kleurstoffen uit textielafvalwaters. Hierbij lijkt een combinatie van een chemische methode voor partiële afbraak van de kleurstof, gevolgd door een biologische behandeling, een veelbelovende methode voor kosteneffectieve ontkleuring van gekleurde afvalwaters. Vandaar werd in Hoofdstuk 4 een gecombineerde afbraakmethode bestaande uit Fentonoxidatie en actief slib geëvalueerd voor de ontkleuring van azokleurstoffen. Gebruik makende van RV5 als modelkleurstof was de kleurverwijdering significant hoger wanneer deze gecombineerde methode werd toegepast in tegenstelling tot wanneer beide methoden apart werden toegepast. Meer specifiek zorgde de voorbehandeling met Fenton’s reagens ervoor dat 52.9, 83.9 en 91.3 % kleur werd verwijderd uit een 500 mg l-1 waterige oplossing van RV5 gebruik makende van respectievelijk 1.0, 1.5 en 2.0 mM H2O2. Indien deze chemische voorbehandeling gevolgd werd door een biologische behandeling met actief slib werd gemiddeld 70.2 % van de nog aanwezige RV5 concentratie verder verwijderd. Deze bevindingen suggereren dus dat de kleurstoffen partieel gedegradeerd werden tot componenten die meteen bruikbaar zijn voor de microorganismen in het actief slib.

In tegenstelling tot het combineren van een biologische en chemische behandeling voor verbeterde zuivering van textielafvalwater, kan als alternatief gekozen worden voor een directe toepassing van microorganismen met kleurstofdegraderende capaciteit. Daarom bestond de doelstelling van Hoofdstuk 5 eruit om bacteriële stammen afkomstig uit actief slibsystemen te isoleren en karakteriseren, die in staat zijn om azokleurstoffen te ontkleuren en/of te degraderen (monoazokleurstof Reactive Orange 16 en diazokleurstof Reactive Green 19). Na een prescreening van 125 isolaten voor hun ontkleuringspotentieel, werden vijf stammen weerhouden voor verdere evaluatie van hun ontkleuringssnelheid en het effect van fysicochemische parameters door middel van microtiterplaatexperimenten. Van deze vijf stammen scoorden een Acinetobacter stam (ST16.16/164) en Klebsiella stam (ST16.16/034) het beste. Bijkomend werd vastgesteld dat deze Acinetobacter stam mogelijk een nieuwe soort vertegenwoordigt, die zeer nauw verwant is aan Acinetobacter johnsonii. Beide stammen oefenden een sterke ontkleuring uit (> 80 %) over een breed temperatuursgebied (20 °C tot 40 °C) en vertoonden zelfs bij lagere temperaturen (10 °C) goede ontkleuringsactiviteit (voornamelijk stam ST16.16/034), wat perspectieven biedt voor praktische toepassingen daar de enzymatische activiteit van de isolaten stabiel moet zijn tijdens de verschillende fasen van de zuiveringscyclus (thermotolerant). Binnen de geteste pH waarden (4, 7 en 10) werd de hoogste kleurstofverwijdering vastgesteld bij pH 7, maar bleef de ontkleuringsefficiëntie bij meer alkalische condities (pH 10) nog steeds relatief hoog. Voor geen van beide isolaten werd de ontkleuringsefficiëntie negatief beïnvloed door hoge zout- of kleurstofconcentraties. Verder vertoonden beide stammen de hoogste ontkleuringssnelheid van alle geteste stammen en waren ze in staat om de azokleurstoffen volledig (ST16.16/034) of gedeeltelijk (ST16.16/164) af te breken.

Samengevat heeft deze doctoraatsthesis onze kennis rond de microbiële ecologie en microbiële gemeenschappen in textiel AWZS, alsook de behandeling van deze afvalwaters verruimd, en moet ze bijdragen aan een meer effectieve, haalbare en duurzame behandeling van kleurstof bevattend afvalwater.