Αδρανοποίηση παθογόνων μικροοργανισμών και ιών και απομάκρυνση γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά από λύματα τεχνητών υδροβιότοπων

Abstract

The need for efficient and integrated wastewater treatment is now becoming imperative for the protection of public health, while the increasing consumption requirements make water reuse crucial. As many areas still do not have access to clean water, reuse is of particular importance. The presence of pathogenic microorganisms in the effluents of wastewater treatment plants is of great concern, since they pose considerable risk to public health, especially if the effluent is intended for reuse. In addition to pathogenic microorganisms, in recent years an emerging problem from the spread of resistant bacteria and resistance genes is arising. The wastewater treatment plants and the conventional processes, such as the activate sludge, are not able to remove efficiently persistent pathogens like viruses or antibiotic resistance genes. Moreover, the construction, maintenance cost and the generation of harmful byproducts are limiting factors for their installation.The aim of the study was to examine the capability of economic and eco-friendly treatments to encounter the challenge to offer water safety. In this perspective and within the framework of the present study, pilot scale constructed wetlands and heterogeneous photo-catalytic processes using semiconductor oxides processes were developed as alternative wastewater treatment systems with the view to evaluate their disinfection efficiency, in terms of their potential to remove fecal bacterial indicators (E. coli, Enterococci) and bacteriophages (MS2), and the elimination of enteric viruses, namely adenoviruses and enteroviruses. In order to compare the different systems an alternative statistic approach using the Bayesian model was applied. In addition, the concertation of the antibiotic resistance genes in different types of genetic material was estimated and the alterations of antibiotic resistance profile of bacteria were examined. A multi linear regression model was developed in an effort to estimate the role of the resistance genes to population’s reduction after the exposure to the selected antibiotics. Results showed the ability of the horizontal subsurface constructed wetlands to eliminate substantially bacterial indicators and also to achieve reduction of the viruses’ concentration. Regarding the resistance genes, they continue to be present in the system’s effluent, while no clear pattern in terms of bacterial resistance profile was observed. Moreover, it was not clear which of the resistance genes are involved in the bacterial antibiotic resistance. As far as the process of photocatalysis is concerned, there was a significant removal of fecal bacterial indicators and the use of doped photocatalysts contributed in the overall acceleration of the inactivation under solar irradiation. Also, photocatalytic processes achieved satisfactory inactivation of the tested viruses. However, significant concentration of resistance genes was observed in the effluents after the aforementioned processes.Compared to conventional treatment methods, the examined treatments provided promising results taking into account their advantages. However, as shown by the quantitative microbial risk assessment, public health risks still remain, especially if the water is intended for reuse. The hazards arise mainly due to the presence of viruses in the final effluents of the systems. Particular attention should be paid on the presence of resistant bacteria and resistance genes as it is still difficult to assess the future risks that they may cause. The failure of bacterial indicators to predict the presence and risks that viruses may cause makes imperative to select carefully the water quality indicators that will be used to indicate the presence of viruses. In this trend, factors such as the kind of the treatment and the type and composition of the wastewater should always be taken into account.

Η ανάγκη για αποτελεσματική και ολοκληρωμένη επεξεργασία λυμάτων καθίσταται πλέον επιτακτική για την προάσπιση της δημόσιας υγείας, ενώ οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις κατανάλωσης κάνουν την επαναχρησιμοποίηση του νερού μονόδρομο. Δεδομένου ότι πολλές περιοχές εξακολουθούν να μην έχουν πρόσβαση σε νερό κάνουν την επαναχρησιμοποίηση ιδιαίτερης σημασίας. Η παρουσία παθογόνων μικροοργανισμών, όπως οι ιοί, στους είτε στους υδάτινους αποδέκτες είτε στο νερό που προορίζεται για επαναχρησιμοποίηση εγκυμονούν κίνδυνο πανδημιών. Εκτός από τους παθογόνους μικροοργανισμούς, έχει αρχίσει να αναδεικνύεται τα τελευταία χρόνια το σημαντικό πρόβλημα το οποίο ανέρχεται από την εξάπλωση των ανθεκτικών βακτηρίων αλλά και των γονιδίων ανθεκτικότητας.Οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων με μεθόδους επεξεργασίας όπως η ενεργός ιλύς αδυνατούν να αντιμετωπίσουν τους ιούς και τα γονίδια ανθεκτικότητας, ενώ αδυναμίες ως προς την απομάκρυνση τους παρουσιάζουν και οι συμβατικές μέθοδοι απολύμανσης. Επιπλέον, το κόστος κατασκευής, συντήρησης αλλά και η δημιουργία παραπροϊόντων είναι ανασταλτικοί παράγοντες για την εγκατάσταση τέτοιων μονάδων. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η ικανότητα εναλλακτικών, οικονομικών και φιλικών προς το περιβάλλον συστημάτων να αντιμετωπίσουν την πρόκληση της απόδοσης αφελέστερου νερού. Στο πλαίσιο αυτό εξετάστηκαν συστήματα τεχνητών υδροβιοτόπων ελεύθερης επιφάνειας και οριζόντιας υποεπιφανειακής ρoής δεχόμενα πρωτοβάθμιο και δευτεροβάθμιο λύμα. Επιπλέον, εξετάστηκαν και διεργασίες ετερογενούς φωτοκατάλυσης, σε εργαστηριακό και πιλοτικό επίπεδο, κάνοντας χρήση διαφορετικών ντοπαρισμένων καταλυτών, Στο πλαίσιο αυτό ποσοτικοποιήθηκαν οι συγκεντρώσεις για τα κοπρανώδη βακτηρία (E. coli, Enterococci) και των ιών εντερικής προέλευσης (αδενοϊοί, εντεροϊοί) των βακτηριοφάγων (MS2) όπως και των γονιδίων ανθεκτικότητας στις εκροές των συστημάτων και εξετάστηκαν οι μεταξύ τους συσχετίσεις. Επίσης, η σύγκριση των συστημάτων πραγματοποιείται με τη χρήση της μπεϋζιανής στατιστικής χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα τα οποία προσφέρει.Ακόμα, ποσοτικοποιήθηκαν οι συγκεντρώσεις γονιδίων ανθεκτικότητας σε διαφορετικού τύπου γενετικό υλικό και εξετάστηκαν οι αλλαγές στο προφίλ ανθεκτικότητας των βακτηρίων πριν και μετά την επεξεργασία. Αναπτύσσοντας ένα μοντέλο πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης έγινε μια προσπάθεια να εκτιμηθεί ο ρόλος των γονιδίων στην μείωση του βακτηριακού πληθυσμού μετά την έκθεση σε αντιβιοτικάΤα αποτελέσματα της διατριβής αρχικά σημειώνουν την ικανότητα των τεχνητών υδροβιοτόπων οριζόντιας υποεπιφανειακής ροής να απομακρύνουν τους βακτηριακούς δείκτες αλλά και να επιτύχουν σημαντική μείωση των ιών εντερικής προέλευσης. Όσον αφορά στα γονίδια ανθεκτικότητας εξακολουθούν να βρίσκονται στις εκροές των συστημάτων, ενώ δεν παρατηρήθηκε ξεκάθαρο μοτίβο ως προς το προφίλ ανθεκτικότητας των βακτηρίων. Επίσης, παραμένει ασαφές το ποια γονίδια συμβάλλουν στην ανθεκτικότητα κατά την επεξεργασία με τα αντιβιοτικά. Όσον αφορά στις διεργασίες φωτοκατάλυσης, παρουσιάζουν εξίσου σημαντική μείωση των κοπρανωδών βακτηρίων ενώ η χρήση των ενισχυμένων φωτοκαταλυτών έδειξε ότι επιταχύνει την αδρανοποίησή τους. Οι φωτοκαταλυτικές διεργασίες έδειξαν να επιτυγχάνουν ικανοποιητική αδρανοποίηση των εξεταζόμενων ιών. Ωστόσο, στις εκροές και αυτών των διεργασιών παρατηρήθηκαν σημαντικές συγκεντρώσεις γονιδίων ανθεκτικότητας.Συγκριτικά με τις συμβατικές μεθόδους, οι εξεταζόμενες επεξεργασίες δίνουν υποσχόμενα αποτελέσματα δεδομένου των πλεονεκτημάτων τους. Ωστόσο, όπως παρουσιάζεται από την ποσοτική αξιολόγηση μικροβιακού κινδύνου, οι κίνδυνοι για τη δημόσια υγεία εξακολουθούν να υφίστανται, ειδικά στην περίπτωση που το νερό προορίζεται για επαναχρησιμοποίηση. Οι κίνδυνοι προκύπτουν κυρίως λόγο της παρουσίας των ιών στις τελικές εκροές των συστημάτων. Ιδιαίτερη σημασία θα πρέπει να δίνεται και στην παρουσία ανθεκτικών βακτηρίων και γονιδίων ανθεκτικότητας καθώς παραμένει δύσκολο να εκτιμηθούν τα μελλοντικά προβλήματα που δύνανται να προκαλέσουν. Η αποτυχία των βακτηριακών δεικτών να προβλέψουν την παρουσία και τον κίνδυνο που ενδέχεται να προκαλέσουν οι ιοί, κάνει επιτακτική την ανάγκη να επιλεχθούν με προσοχή οι δείκτες ποιότητας νερού που θα χρησιμοποιούνται για την ένδειξη της παρουσίας των ιών, ενώ θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και παράγοντες όπως το ποια είναι η εκάστοτε επεξεργασία αλλά και οι επιδράσεις που θα μπορούσε να έχει ο τύπος και η σύσταση του λύματος.