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Experimental evaluation of nanoplastics fouling behavior on ultrafiltration membranes using optical coherence tomography (OCT)
No full textUltrafiltration membranes find widespread use in water treatment but suffer from performance losses due to fouling. This study investigates the fouling behaviors of commercial polyethersulfone (PES), regenerated cellulose (RC), and recycled PES membranes during the filtration of wastewater containing polystyrene (PS) nanoparticles and a mixture of PS and bovine serum albumin (BSA). Optical coherence tomography (OCT) is used for real-time, in-situ examination of fouling, providing unique insights into nanoplastics-induced fouling formation. Membrane performance was evaluated through flux decline and permeability recovery measurements. Results indicate that nanoparticles form a uniform cake layer, with membrane characteristics such as zeta potential and hydrophobicity influencing fouling reversibility. The RC membrane showed complete permeability recovery after physical cleaning, while hydrophobic interactions hindered recovery for PES membranes. Notably, flux reduction was greater for PES membranes (particularly with a 150 kDa MWCO) during PS filtration and worsened with the combined PS and BSA solution. Using the OCT technique, we observed two distinct types of fouling and their resulting structures: (i) a loose or fluffy-like formation; and (ii) flocs or particle agglomerates. This study also combined OCT with conventional techniques like SEM and CLSM. This knowledge offers guidance for choosing the proper membrane material in water treatment applications
Enhanced Removal of Chiral Emerging Contaminants by an Electroactive Biofilter
No full text50% of pharmaceuticals and 25% of herbicides used worldwide are chiral. Each enantiomer has a unique toxicity and biodegradation profile, affecting differently to organisms. Chirality plays a key role in the behavior of these emerging contaminants (ECs) in terms of their pharmacological or herbicidal activity, but this peculiarity is often overlooked in environmental research. The complexity of chiral ECs is underestimated, as the varying sensitivity of biological systems to enantiomers is rarely considered. Biofilters can promote the activity of specific microbial communities, facilitating the degradation of ECs, due to the greater interaction between water and microorganisms and their compact design. Here, we show that an electroactive biofilter can alter the chirality of drugs and herbicides in wastewater treatment, impacting their removal and toxicity. The electrochemical biofilter (BioeF) removed 80% of pharmaceuticals and 50–75% of herbicides, outperforming the conventional filter (ConF). BioeF also showed greater chiral alterations and lower ecotoxicity. This work provides the first evidence of a relationship between changes in contaminant chirality and detoxification capacity, enhanced by electroactive systems. The increased microbial activity observed in the BioeF suggests that bioelectrochemical systems offer a valuable advance for ECs removal and ecotoxicity reduction, addressing the environmental challenge posed by ECs
The use of diagnostic tools to assess the risks of chemicals to freshwater ecosystems: towards a unified evaluation framework
No full textThe risk assessment of chemicals relies on multiple tools to quantify the ecological responses of ecosystems to existing chemical pollution. These tools are broadly categorized into three major groups: toxic pressure assessments, bioassays, and ecological monitoring. Here, we examine the strengths and limitations of these approaches, their current level of implementation for freshwater ecosystems across Europe, and their ability to evaluate the impacts of chemicals under field conditions. Additionally, we analyze the correspondence between results obtained from these tools when applied to a monitoring dataset from German streams. Our evaluation showed that no single tool can perfectly characterize the environmental impacts of chemical mixtures. However, each provides distinct lines of evidence, enabling the identification of chemicals driving ecological risks and the biological endpoints most likely to be affected, with ecological monitoring tools having the potential to show long-term ecosystem impairment. Finally, we propose recommendations to better understand the discrepancies between the outcomes of different methods and explore their potential integration into a unified water quality evaluation framework
Including impacts of microplastics in marine water and sediments in life cycle assessment
No full textMicroplastics (MPs) pose a threat to marine ecosystems. When released, MPs first reach the water column, where
they can be ingested by pelagic species. MPs can then reach marine sediments, a potential sink, where they may
affect sediment-dwelling species. However, current life cycle impact assessment (LCIA) methods do not consider
the impact of MPs in sediments, providing an incomplete picture when comparing environmental profiles of
products and services.
This work builds on the MarILCA working group characterization factors (CFs) by computing updated physical
effects on biota CFs that include both water and sediment compartments, as previous factors did not consider the
latter. A simplified fate of MPs in the marine environment is modelled, combining fate in water and sediments
and differentiating between MP polymers, sizes, and shapes. A combined exposure and effect factor for MPs in
sediments (EEFsed) is developed, calculated from a hazardous concentration for 20 % of species (HC20), derived
from a species sensitivity distribution (SSD) of effect concentrations of 10 % (EC10) values. A methodology
accounting for species feeding behaviour is proposed to derive ecosystem-level impacts via exposure through
different compartments, expressed as the potentially affected fraction (PAF) of marine species.
Combining the fate, EEFsed, and EEFw (water) yielded updated marine CFs including impacts on both water and sediment-dwelling biota. CFs were tested in a textile LCA case study. Sediments were found to be a sink for high-density MPs, with EEFsed (16 PAF m3/kg) significantly lower than the previously reported EEFw (1068 PAF m3/kg). Developed marine CFs range from 34 to 5.4 × 108 PAF m3 d/kg and are available for use in environmental decision-making
Elucidating the dynamics of salinity gradient energy research
No full textThis study uses bibliometric methods, machine learning, and data analysis to examine Salinity Gradient Energy (SGE), a renewable energy source derived from saline water sources of different concentrations such as seawater, waste brines and mining industries. SGE's use of advanced membrane processes efficiently extracts energy from the difference in salinity between different waters. Based on the dataset collected up to January 22, 2024 that contains 1270 articles, the following in-depth analysis sheds light on the SGE scientific progress, trending topics, strong collaborations, current trends, dominant authors, influential articles, important affiliations, basic statistics, common words, sentiments, and emotions to reveal the quality, quantity, and impact of the domain. Since the first SGE paper published in 1976, SGE research has attracted considerable attention from researchers over the last 20 years. Reverse Electrodialysis (RED) and Pressure Retarded Osmosis (PRO) are identified as the leading energy harvesting technologies. However, in recent years, the number of research studies on RED has increased. Institutions from China and the USA contributed more to the SGE progress. ``Ion current rectification'' is the trending topic of 2023. Sentiment and emotion scores revealed researchers' optimistic and neutral views on SGE technologies
Kinetic and mechanistic insights into the photo-Fenton oxidation of polystyrene nanoplastics in water
No full textMicroplastics and nanoplastics (NPs) are widespread in aquatic environments and readily accumulate along the food chain. Given their varied sizes in real systems, evaluating degradation processes at various scales is essential for a comprehensive understanding of their fate. In this study, the photo-Fenton degradation of polystyrene (PS) nanospheres with initial particle sizes of D0 = 140, 252, 460, 909, and 1100 nm was investigated. Oxidation evolution and treatment efficiency were assessed using turbidity and Total Organic Carbon (TOC) measurements, while Transmission Electron Microscopy (TEM) provides insights into particle size and morphological changes. Pyrolysis–Gas Chromatography/Mass Spectrometry (Py-GC/MS) and Ion Chromatography (IC) were used to identify intermediate degradation products. The results demonstrated that smaller particles degraded more rapidly due to their higher surface-to-volume ratio, with complete TOC removal achieved for all particle sizes in relatively short reaction times (40–80 min). The degradation kinetics were accurately described using the Shrinking Core Model and the Prout-Tompkins Model, which revealed distinct stages of reactivity and sigmoid behavior. During the initial activation phase, oxygenated surface groups were incorporated into the PS NPs, followed by chain scission and oxidation into low-molecular-weight aromatic and aliphatic compounds. Finally, these intermediates were fully mineralized into CO2 and H2O, leaving no detectable leached by-products or residual NPs
Generando biomasa con Aguas regeneradas: Oportunidad para la bioeconomía circular
No full textLa industria cervecera es una de las más relevantes en el sector agroalimentario, siendo la cerveza la quinta bebida más consumida en el mundo. Su fabricación, además de requerir importantes cantidades de agua como recurso, también genera un gran volumen de aguas residuales, cuyo tratamiento resulta costoso y complejo. Hoy en día, a medida que los desafíos medioambientales, económicos y sociales propios de un contexto de cambio climático como el que vivimos cobran cada vez más relevancia, la necesidad de promover un modelo de desarrollo sostenible y economía circular es cada vez mayor. Las soluciones Basadas en la Naturaleza (SBN) pueden jugar un papel crucial en esta transición. Los Filtros Verdes (FV) son un tipo de SBN para el tratamiento de las aguas residuales, en la cual estas aguas se emplean para regar una extensión de terreno, generalmente una plantación forestal, aprovechando los procesos de atenuación natural para depurar el agua, siendo un ejemplo de fitorremediación. El objetivo principal de este trabajo es evaluar la aplicabilidad de los FV forestales para tratar las aguas residuales de la industria cervecera, al tiempo que se produce biomasa. Del mismo modo, también se busca desarrollar un proceso replicable y extrapolable a otros escenarios distintos, siguiendo una metodología “del-Laboratorio-al-Campo”, en el que cada fase de estudio se ha diseñado a partir de los resultados de las anteriores. Así, la investigación llevada a cabo a lo largo de esta tesis doctoral ha permitido profundizar en el conocimiento de los FV a un mayor nivel del alcanzado hasta ahora en la literatura científica. Además, también ha servido para sentar un punto de partida acerca de la aplicabilidad de estos sistemas en el tratamiento de las aguas residuales de la industria cervecera y la producción de biomasa de manera conjunta. Se han identificado los parámetros clave en los procesos de atenuación natural que acontecen en estos sistemas, así como las mejores prácticas para maximizar su rendimiento. De entre estas prácticas, destaca la necesidad de un simple pero riguroso proceso de mantenimiento, que garantice el correcto desarrollo de la plantación, abandonando el concepto de los FV como un sistema de “desechar y olvidar”. Esto se ha mostrado como cierto para todo FV, sin importar el contexto en el que se apliquen, y se ha visto confirmado en el caso utilizar aguas procedentes de la industria cervecera. La aplicación de riego con cargas hidráulicas o de contaminantes demasiado altas, junto con la presencia de suelos de textura gruesa con bajos tiempos de retención del agua o el escaso desarrollo microbiano en la rizosfera, están entre las causas principales de fracaso en el uso de estas tecnologías. El incompleto tratamiento del nitrógeno y su consiguiente infiltración hacia el acuífero en forma de nitrato es la principal consecuencia negativa de ello. En este sentido, la selección de un material vegetal apropiado y la existencia de un pretratamiento adecuado juegan un papel clave en el éxito de estas plantaciones. Las especies pertenecientes a la familia de las salicáceas, como los chopos y los sauces, destacan como el material vegetal más empleado en estos sistemas, gracias a sus características fisiológicas adaptadas a las condiciones de humedad, presentando altas tasas de transpiración y una elevada tasa de captación de nutrientes, haciéndolos candidatos perfectos para soluciones de fitorremediación, al tiempo que son capaces de generar biomasa como recurso sostenible y valorizable para múltiples usos. En los diversos ensayos llevados a cabo, tanto en condiciones de invernadero como de campo, estas especies han mostrado bajas tasas de mortalidad en presencia del agua residual secundaria de la industria cervecera, demostrando ser capaces de desarrollarse correctamente. Sin embargo, su capacidad de producción se vio mermada en ambos casos, comparando con los grupos de control o con las producciones medias obtenidas en este tipo de plantaciones al utilizar agua limpia para el riego. Resulta de mayor interés que estos ensayos también han permitido identificar diferencias significativas en la respuesta que los diferentes genotipos estudiados han mostrado a la exposición a este tipo de agua, tanto en términos de producción como de actividad fisiológica y capacidad de atenuación de contaminantes. Por ello, la selección del material vegetal adecuado deberá realizarse teniendo en cuenta el objetivo final de cada caso concreto, priorizándose unos genotipos sobre otros en función de si se busca un mayor rendimiento de depuración o de producción. Los genotipos híbridos ‘AF34’ (Populus) y ‘Levante’ (Salix) resultaron ser los más productivos (4,12Mg ha-1 de producción estimada en el caso de ‘AF34’, siendo la media de la plantación 1,62Mg ha-1); los genotipos híbridos ‘2000Verde’ e ‘I-214’ (ambos del género Populus) los que mejor adaptación fisiológica presentaron (además de buenas tasas de atenuación de nitrógeno); y el genotipo de chopo autóctono ‘PO-10-10-20’ una elevada capacidad de atenuación, aunque menor tasa de producción de biomasa. El tratamiento del agua residual de la industria cervecera utilizando FVs forestales ha resultado ser todo un desafío. De entre sus características fisicoquímicas, las elevadas concentraciones en Na+ han supuesto el mayor de los inconvenientes, unido a las particulares características texturales e hidrodinámicas del suelo (afectado por la actividad industrial durante décadas). Se ha observado la ocurrencia de procesos de intercambio catiónico tanto a escala de laboratorio como de campo. El aporte de importantes cantidades de Na+ al suelo ha llevado a un empobrecimiento de sus propiedades hidráulicas, limitando la infiltración del agua y afectando a la capacidad de tratamiento del sistema, así como al desarrollo vegetal. Limitar los aportes de este ion durante las fases de pretratamiento de las EDAR en la industria cervecera sería de gran interés para mejorar el rendimiento de los FV en estos contextos. De igual forma que en lo observado en la literatura disponible, el lixiviado de contaminantes, y en concreto del nitrógeno, también ha supuesto un problema en esta investigación. Este lixiviado se ha producido en parte como consecuencia del efecto nocivo del Na+, que ha provocado condiciones de encharcamiento perpetuo, interrumpiendo los ciclos de nitrificación-desnitrificación en el suelo. Además, la ocurrencia de fuertes eventos de lluvia también ha propiciado la desorción de los nutrientes retenidos en el suelo. Aun con todo, la plantación piloto ha demostrado ser capaz de obtener buenos resultados de atenuación de los contaminantes presentes en el agua residual secundaria de la industria cervecera. Se han obtenido especialmente buenos porcentajes de eliminación -superiores al 90%- en el caso de la materia orgánica, los sólidos en suspensión y el fósforo. Al mismo tiempo, se ha recargado el acuífero subyacente, con un aporte total de 482,1 m3 de agua infiltrada. Además, cabe destacar que, aunque la elevada sodicidad (y, por tanto, salinidad) del agua haya supuesto un detrimento en el desarrollo y el rendimiento del FV, también se han conseguido muy buenos porcentajes de atenuación de estos parámetros (superiores al 85%), cuyo tratamiento no se realiza durante los procesos convencionales de la EDAR instalada en la parcela donde se ha desarrollado esta investigación. Del mismo modo, a pesar de haber obtenido menores rendimientos en términos de producción de biomasa que otras plantaciones con agua limpia, el valor de este tipo de sistemas radica en la revalorización de un residuo, preservando los recursos hídricos para otros fines. El uso de enmiendas orgánicas que propicien la actividad microbiológica en el suelo y que mejoren sus características hidráulicas, así como la implementación de unas adecuadas prácticas de cultivo y manejo del suelo, junto con la adición de compuestos inorgánicos ricos en Ca2+, suponen prácticas recomendables que podrían paliar los efectos nocivos observados al aplicar este tipo de agua residual al suelo, aunque la limitación de las fuentes de Na+ en primer lugar resultaría de gran interés. Todo esto llevaría a una mejora general en la salud del suelo, el desarrollo de la vegetación, y el rendimiento general del sistema, obteniendo una mejor atenuación natural de contaminantes y permitiendo la aplicación de mayores volúmenes de agua, una mayor producción de biomasa y una recarga efectiva del acuífero subyacente con un agua de mejor calidad. El procedimiento experimental llevado a cabo a lo largo de la investigación de esta tesis doctoral ha demostrado ser de gran interés tanto para testar un alto número de materiales vegetales diferentes –poniendo en evidencia la elevada variabilidad intra- e inter- específica presente en las salicáceas– como para emular posibles eventos que tendrán lugar en un caso real a escala de campo, pudiendo identificar los procesos responsables de los mismos. En general, es necesario investigar más a fondo las posibles mejoras en la aplicación de los FV forestales en el proceso de tratamiento de aguas residuales en la industria cervecera, tanto en términos de atenuación de contaminantes como de producción de biomasa. Variaciones en el diseño de la plantación, en su mantenimiento y en los tratamientos previos podrían suponer cambios muy significativos en los resultados obtenidos. De igual modo, es necesario profundizar en los diferentes beneficios adicionales que estos sistemas pueden aportar al entorno donde se implementan, como son el secuestro o captura de carbono o el incremento de biodiversidad asociada (flora y fauna) a través de la creación de nichos ecológicos diversos, así como la valoración y cuantificación de otros servicios ecosistémicos como la regulación de la calidad el aire, la protección de suelo o regulación del ciclo hidrológico