Assessment of the biological risks associated to the use of biosolids and wastewater

Abstract

(English) The circular economy is an emerging concept presented as a solution to counteract the damage caused by the linear economic scheme followed in the past decades. It is based on the principle of "closing the life cycle" and seeks, through reuse and revaluation, to extend the value of products, materials, and resources, such as water and energy, minimizing the generation of waste. In this context, the European Union (EU) aims to build a food system that could work under all circumstances, ensuring a safe and sustainable food and water supply for all citizens by applying circularity. Ensuring the availability of water and fertilizers for agriculture is probably the major challenge for achieving this goal. In this respect, the EU contemplates the use of effluents collected from water treatment plants (WWTP) for irrigation or aquifer recovery. Similarly, the use of solid waste such as sludge from WWTPs, the organic fraction of urban solid waste (OFMSW), or livestock waste, at different processing levels, is a promising alternative to mineral/chemical fertilization, promoting a self-sustainable, circular food system. However, the use of these recycled materials is not free from risks. They contain hazards of emerging concern including Contaminants of Emerging Concern (CECs) (like prescription drugs, endocrine disruptors and antibiotics) as well as different microbial hazards (not only pathogens, which are legally regulated and tested, but also antibiotic resistant bacteria known to spread the resistance to different antibiotics to the microbiomes from waterbodies, soils, and crops). Upcoming legislations that aim to promote and regulate their use agree on the fact that the main challenge relies on correctly assessing their associated risks for environmental and human health. This thesis aims to evaluate the biological activities associated to livestock wastes, OFMSW and WWTP effluents and associated biosolids in order to determine their potential hazards and the level of exposure for the environment and for the general population in the context of their use. For this purpose, we specifically evaluated the impact of organic fertilization on agroecosystems through ABs, ARGs and ARBs transmission and microbiome modulation monitoring. Moreover, we assessed the impact linked to WWTP effluents through the screening of ARGs and ARBs and associated toxic activities. Consequently, we developed an environmental risk analysis framework associated to biosolids and wastewater reuse considering the occurrence of the monitored hazards and their potential impacts on exposed environments. In the studies included in this thesis we observed that the selective pressure posed by the analyzed organic fertilizers was enough to favor the soil colonization by antibiotic-resistant bacteria and to increase horizontal gene transfer (HGT) in both target soils and crops. The fact that this impact appeared transient highlights the importance of respecting fertilization rates and the time elapsing from fertilization to harvest. Moreover, the processing of wastes favoring bacterial succession appeared as a valuable tool to reduce this risk. On the other hand, we detected high loads of both chemical and microbial hazards in WWTP effluents, underscoring the need of tertiary treatments able to reduce them in order to ensure a safe reuse of wastewater. In this regard, Soil Aquifer Treatment (SAT) technologies appeared in our studies as cost-effective alternatives to other tertiary treatments given their efficiency on removing biological (particularly ARG loads) and chemical hazards and their potential ability to promote the displacement of gut-related, copiotrophic bacteria by groundwater-like microbiomes, enhancing in this way the removal of ARGs, CECs and toxic activities.

(Català) L'economia circular és un concepte emergent que es presenta com una solució per contrarestar els danys causats per l'esquema econòmic lineal en les últimes dècades. Es basa en el principi de "tancar el cicle de vida" i busca, a través de la reutilització i la revaloració, allargar la vida i el valor de productes, materials i recursos, com l'aigua i l'energia, minimitzant la generació de residus. En aquest context, la Unió Europea (UE) té com a objectiu construir un sistema alimentari resilient, garantint un subministrament d'aliments i aigua segur i sostenible per a tots els ciutadans aplicant els principis de la circularitat. Assegurar la disponibilitat d'aigua i fertilitzants per a l'agricultura és probablement el gran repte per assolir aquest objectiu. En aquest sentit, la UE contempla l'ús d'efluents de les estacions de depuració d'aigües residuals (EDAR) per al reg o la recuperació d'aqüífers. De la mateixa manera, l'ús de residus sòlids com els fangs de les EDAR, la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORM) o els residus ramaders, a diferents nivells de processament, és una alternativa prometedora a la fertilització mineral/química, promovent un sistema alimentari autosostenible i circular. No obstant això, l'ús d'aquests subproductes no està exempt de riscos químics i biològics. Això és degut a què en la composició d'aquests efluents i residus es poden detectar concentracions (rellevants) de contaminants emergents (CE) (com ho són els medicaments, els disruptors endocrins i els antibiòtics), així com la presència d’altres vectors de contaminació d'origen microbià (no només patògens regulats, sinó també bacteris resistents als antibiòtics coneguts per propagar la resistència a diferents antibiòtics a través dels microbiomes aquàtics i dels sòls i cultius). L'elaboració de polítiques que tenen com a objectiu promoure i regular el seu ús identifiquen la l’avaluació de riscos associats a la salut ambiental i humana com el principal repte. Aquesta tesi té com a objectiu avaluar les activitats biològiques associades als residus ramaders, FORM i efluents d’EDAR i biosòlids associats per tal de determinar els seus riscos potencials i el nivell d'exposició per al medi ambient i per a la població en general en el context del seu ús. Amb aquesta finalitat, hem avaluat específicament l'impacte de la fertilització orgànica en els agroecosistemes mitjançant la transmissió d'ABs, ARGs i ARBs i el monitoratge de la modulació del microbioma. A més, hem avaluat l'impacte vinculat als efluents de les EDAR mitjançant el cribratge d'ARGs i ARBs i activitats tòxiques associades. En conseqüència, aquset treball ha desenvolupat un marc d'anàlisi de riscos ambientals associat als biosòlids i a la reutilització d'aigües residuals tenint en compte l'ocurrència dels perills monitoritzats i els seus impactes potencials en els ambients exposats. En els estudis inclosos en aquesta tesi hem observat que la pressió selectiva que exerceixen els fertilitzants orgànics analitzats és suficient per afavorir la colonització del sòl per bacteris resistents als antibiòtics i per augmentar la transferència horitzontal de gens (THG) tant en sòls diana com en cultius. El fet que aquest impacte sigui transitori posa de manifest la importància de respectar les freqüències d'aplicació de fertilitzant als sòls i el temps transcorregut des de la fertilització fins a la collita. A més, s'ha identificat que el processament de residus afavorint la successió bacteriana és una eina molt valuosa/efectiva/útil per reduir aquest risc. D'altra banda, hem detectat altes càrregues de riscos tant químics com microbians als efluents de les EDAR, fet que evidencia la necessitat de tractaments terciaris capaços de reduir-los per garantir una reutilització segura de les aigües residuals. En aquest sentit, les tecnologies basades en la recàrrega artificial d'aqüífers (SAT) apareixen als nostres estudis com a alternatives altament rendibles.