Processi di rimozione biologica di arsenico da acque sotterranee: caratterizzazione e potenzialità metaboliche delle comunità microbiche autoctone

Abstract

Questa tesi aveva l’obiettivo di esplorare la composizione filogenetica e le proprietà funzionali delle comunità microbiche in ambienti acquatici di origine geotermale ricchi di arsenico (As) e di elucidare i principali gruppi microbici funzionali che possono influenzare le trasformazioni di As in ambienti contaminati. Le comunità microbiche miste associate in biofilm sono inoltre state analizzate in un ambiente geotermale ricco di As lungo un gradiente naturale di temperatura, pH ed ossigeno. Questo studio ha investigato il processo biologico di pre-trattamento di acque contaminate da arsenico in sistemi in scala di laboratorio valutando i principali parametri operativi che influenzano la performance del processo. Questo studio ha fornito una descrizione dettagliata delle caratteristiche strutturali e funzionali delle comunità microbiche autoctone in acque ricche di As e associate in biofilm. In quegli ambienti i processi di detossificazione di As prevalevano sui processi metabolici, contemporaneamente all'interessante presenza di nuovi termofili in grado di tollerare alti livelli di As. Questo lavoro ha evidenziato il contributo di batteri autoctoni di acque sotterranee nel processo di ossidazione di As(III) in biofiltri in scala di laboratorio, in condizioni utilizzabili in un sistema di trattamento su scala domestica. I batteri nativi delle acque sotterranee erano in grado di resistere ad elevate concentrazioni di As e di formare facilmente un biofilm As(III)-ossidante. L’influenza di svariate condizioni sperimentali (es. diversi materiali di riempimento, tassi di flusso, concentrazioni di As(III) iniziali, rapporto As(III):As(V), volume dei biofiltri) sull’efficienza e la velocità ossidativa del processo microbiologico di As(III)-ossidazione è stata elucidata.

This work aimed to explore the phylogenetic composition and functional properties of microbial communities in As-rich freshwater environments of geothermal origin and to elucidate the key microbial functional groups that directly or indirectly may influence As-transformations across a natural range of geogenic arsenic contamination. Mixed microbial communities associated with biofilm were also analysed in an As-rich geothermal environment along natural temperature, pH and oxygen gradients. Furthermore, this study investigated the biological pre-treatment process of arsenic-contaminated waters in laboratory-scale systems by evaluating the main operational parameters affecting the process performances. The study provided the detailed description of structural and metabolic traits of native microbial communities in arsenic-rich freshwaters and associated with biofilm. The As detoxification processes prevailed over As metabolic processes in such environments, concomitantly with the intriguing occurrence of novel thermophiles able to tolerate high levels of As. This work also highlighted the contribution of native groundwater bacteria to As(III)-oxidation in laboratory-scale biofilters, under conditions suitable for a household-scale treatment system. The native groundwater bacteria were able to withstand high As concentration and easily formed highly As(III) oxidizing biofilms. The influence of a variety of experimental conditions (i.e., various filling materials, flow rates, As(III) inflow concentration, As(III):As(V) ratio, filter volumes) on the microbially-mediated As(III)-oxidation process in terms of oxidation efficiency and rate was also elucidated.