El projecte MELISSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) estudia el desenvolupament d'un sistema de suport de vida biològic per les missions espacials de llarga durada. Per assolir aquest fi aquest projecte proposa, com a primer model, la utilització de quatre compartiments microbiològics i un compartiment de plantes superiors.Una de les vessants més importants d'aquest projecte és l'estudi de la connexió dels seus compartiments. L'objectiu d'aquest sistema és treballar de forma contínua en períodes llargs d'operació. Cal doncs estudiar l'evolució d'aquesta connexió tant en condicions òptimes de funcionament com davant de possibles pertorbacions.En aquest treball s'ha estudiat inicialment la connexió amb un medi sintètic dels compartiments II, III i IVa del bucle MELISSA a escala de laboratori. Aquesta connexió s'ha dut a terme satisfactòriament sense que s'evidenciïn efectes tòxics o nocius en cap dels compartiments al treballar en diferents condicions d'operació. S'ha procedit també a la connexió dels compartiments III i IVa a escala pilot, comprovant el seu bon funcionament i corroborant el sistema de control del compartiment IVa quan aquest treballa en connexió.També s'han estudiat dues de les pertorbacions possibles del sistema: l'entrada d'àcid acètic en el tercer compartiment i l'entrada de nitrits en el quart compartiment. Cap de les dues pertorbacions ha tingut efectes negatius en el funcionament dels compartiments on s'han dut a terme. Finalment s'ha procedit a la connexió completa en fase líquida i a escala de laboratori dels quatre compartiments microbiològics del bucle global del sistema MELISSA. Aquests estudis s'han dut a terme amb els diferents bioreactors dels quals es disposa a la planta pilot del projecte MELISSA de la UAB, lloc on s'efectua la integració i demostració dels diferents elements del bucle i del seu conjunt.Per altra banda s'ha fet un estudi del dimensionat dels diferents compartiments del projecte MELISSA i del grau de tancament assolit en el sistema, en diferents escenaris d'operació. Aquests inclouen tant la seva operació en el laboratori, utilitzant animals d'experimentació, com la seva aplicació al manteniment de la vida humana. / The MELISSA project (Microbiological Ecological Life Support System Alternative) of the European Space Agency (ESA) is a tool for the development of a biological life support system to be used during Manned Space Missions. In order to achieve this purpose the project proposes the connection between five compartments, four of which contain microbial organisms and one higher plants. To assure the satisfactory operation of the system, it is important to study the connection between these bioreactors not only at optimal conditions but also taking into account possible deviations in the behaviour of any of them.The connection between compartments II, III and IVa at laboratory scale and using an artificial medium has been studied at different operational conditions in this work. Using these different test conditions, the connection showed an excellent functioning during more than 5 residence times. Non relevant toxic effects have been observed.The connection between compartments III and IVa at pilot plant scale, as well as the feasibility of the control system of compartment IVa while it is working in connection to compartment III, have been also successfully tested. Two different deviations from the optimal operational conditions in the connection of compartments II, III and IVa have been studied: the income of volatile fatty acids in compartment III and the income of nitrite in compartment IVa. None of these two deviations produced any significant modification on the performance of these bioreactors. Finally, the connection of the whole MELISSA microbial loop at liquid stage has been performed at laboratory scale without presenting any major problem. In parallel, the compartments size and the achieved closure degree have been evaluated for different operational scenarios of the MELISSA loop. These scenarios include its use as a laboratory tool using experimental animals and its use as a life support system for a human crew.

Actualment, un dels grans reptes de la bioremeiació és disposar de microorganismes que siguin capaços de degradar, en diferents hàbitats, una gran diversitat d’estructures químiques complexes. En el cas dels tractaments amb fongs de podridura blanca, aquests han demostrat la seva capacitat de degradar, tant en sòl com en medi líquid, una gran varietat de compostos recalcitrants. El treball de Tesi que es presenta engloba diferents aspectes de l’estudi de la degradació de diferents contaminants orgànics halogenats mitjançant el fong de podridura blanca Trametes versicolor. Els resultats corresponents es presenten en quatre apartats diferenciats: El primer apartat tracta el disseny i posterior aplicació d’un reactor per degradar tricloroetilè (TCE) en fase aquosa mitjançant el fong. En la primer lloc es determinen els diferents paràmetres necessaris per al disseny del bioreactor, que corresponen a l’equilibri gas-líquid i sòlid-líquid del contaminant i el consum d’oxigen del fong. A continuació, es presenta el disseny del reactor, incloent la determinació de l’equació cinètica de degradació de TCE. En tercer i últim lloc, es mostra l’aplicació del procés de disseny en un reactor hermètic agitat mecànicament per comprovar la seva validesa i l’estudi de l’efecte de diferents paràmetres en la degradació de TCE. El segon apartat correspon a la degradació de polibromodifenil éters (PBDEs) en medi líquid mitjançant el fong. S’ha estudiat la capacitat del fong per degradar les mescles de decabromodifenil éter (decaBDE), octabromodinfenil éters (octaBDEs) i pentabromodifenil éters (pentaBDEs). En tots els casos el fong és capaç d’eliminar els compostos presents a les diferents mescles amb un elevat percentatge. La prova d’inhibició enzimàtica realitzada indica que el citocrom P450 és l’enzim responsable del primer pas de degradació d’aquests contaminant mitjançant el fong. En el cas de les mescles d’octaBDEs i pentaBDEs, s’ha detectat la formació d’un hexabromodifenil éter monohidroxilat i d’un tetrabromodifenil éter monohidroxilat, respectivament, per a un temps de 12 hores. Aquests dos compostos són degradats posteriorment pel fong. En el cas del decaBDE, no s’ha detectat la formació de cap PBDE hidroxilat, però s’ha de tenir en compte que no s’ha disposat de mostres de degradació per a temps inferiors a 24 h. El tercer apartat correspon a l’estudi de la degradació de contaminants mitjançant el procés de biooxidació avançada amb el fong, que es basa en l’oxidació de contaminants mitjançant radicals hidroxils induïts pel fong. Primer, es mostra l’optimització de la degradació de TCE en ampolles de sèrum mitjançant aquest procés, a partir de l’estudi de l’efecte de la velocitat d’agitació, de la relació de volum entre la fase gas i la fase líquida i de la concentració de biomassa en el procés de degradació. Els percentatges de degradació de TCE obtinguts en un reactor hermètic agitat mecànicament han estat significativament inferiors als obtinguts en ampolles de sèrum. En segon i últim lloc, es presenta l’aplicació en reactor d’aquest procés per degradar la carbamazepina. S’ha treballat amb un reactor fluïditzat per polsos d’aire en mode discontinu seqüencial i en continu. En els dos casos, el procés és capaç de degradar la carbamazepina durant un temps llarg, obtenint majors percentatges de degradació operant en mode discontinu seqüencial. El quart i últim apartat es centra en l’aplicació de l’anàlisi isotòpic d’elements estables en la degradació de contaminants mitjançant el fong. Entre tots els contaminants estudiats, només en el cas del TCE i el tetracloroetilè s’ha obtingut un percentatge de degradació suficientment elevat per a poder aplicar la tècnica esmentada amb fiabilitat. Per aquests dos compostos, el fraccionament de carboni obtingut a causa del procés de degradació no es pot considerar significatiu. / Nowadays, one of the most challenges for bioremediation is to have microorganisms that are able to degrader, in different environments, a large diversity of complex chemical structures. In the case of treatments by white-rot fungi, they are able to degrade, both in soil and water, a large variety of recalcitrant compounds. The PhD work that is presented includes different aspects about the study of some halogenated organic compounds by the white-rot fungi Trametes versicolor. The results obtained are presented in four different sections: The first section describes the reactor design and application to degrade trichloroethylene (TCE) in liquid medium by the fungus. First of all, the determination of several important parameters related to reactor design, which correspond to TCE gas-liquid and solid-liquid equilibriums and fungus oxygen consume, is shown. After that, the reactor design is presented, including the TCE degradation equation. At last, it is showed the design process application in a mechanical agitated and hermetical reactor to check its validity and to study the effect of different parameters in TCE degradation. The second section corresponds to polibromodiphenyl ethers (PBDEs) degradation in liquid medium by the fungus. The fungus capacity to degrade decabromodiphenyl ether (decaBDE), octabromodiphenyl ethers (octaBDEs) and pentabromodiphenyl ethers (pentaBDEs) mixtures has been studied. In all cases, the fungus is able to eliminate all the compounds included in these mixtures in a high percentage. The enzymatic inhibition test performed indicates that the cytochrome P450 is the enzyme involved in the first step of decaBDE degradation. In relation to octaBDEs and pentaBDEs mixtures, a hydroxilated hexabromodiphenyl ether and a hydroxilated tetrabromodiphenyl ether have been detected, respectively, at a time of 12 hours. These two compounds are later degraded by the fungus. In the case of decaBDE, it has not been detected any hydroxilated PBDE as a degradation product, but it is important to indicate that it has not been possible to analyze samples for an experimental time earlier than 24 hours. The third section corresponds to study of pollutants degradation by the fungus under quinone redox cycling conditions, which consists of compounds oxidation by hydroxyl radicals induced by the fungus. Firstly, the TCE degradation optimisation in serum bottles is shown. This optimisation is based on the study of agitation speed, gas-liquid volume relation and biomass concentration effects on pollutant degradation. TCE degradation percentages obtained in a mechanical agitated and hermetical reactor have been significantly lower than the results obtained in serum bottles. After that, the mechanism application in a reactor in order to degrade carbamazepine is presented. The experiments have been carried out in an air pulses bioreactor in sequenced batch mode and continuous mode. In both cases, the degradation process is able to degrade the pollutant for a long time period, obtaining higher degradation percentages if sequenced batch reactor is performed. The last section is focused on compound-specific stable isotope analysis application in pollutant degradation by the fungus. Among all the pollutants degraded, only TCE and tetrachloroethylene degradation percentages have been high enough to obtain a reliable application of this technique. In both cases, the carbon fractionation obtained due to degradation process is not significant.

La present memòria té com a principals objectius investigar sobre la relació dels diferents protozous ciliats vers els paràmetres d'enginyeria que s'utilitzen per al cootrol dels reactors biològics de fangs actius de les estacions depuradores d'aigües residuals, així com poder utilitzar els resultats obtinguts per al millorament del funcionament i control de les plantes depuradores d'aigües residuals. Per altra banda i per a comprendre els factors limitants dels reactors biològics s'estudien diversos tòxics, concretament s'efectua l'estudi en bioassatjos i s'han escollit dos metalls pesants (el Zinc i el Plom) i el Fenol. Posteriorment s'efectua l'estudi del Zinc en Planta Pilot. Alhora s'analitza també un control de les concentracions de metall en una planta pilot experimental i en una planta urbana. L'estudi es basa en els resultats de les anàlisis biològiques, físiques i químiques obtingudes en una planta pilot i en tres plantes depuradores urbanes durant un any.L'estudi dels microorganismes i específicament dels ciliats ens aporta informació en dos camps el de la sistemàtica, i ecologia de les espècies del sistema que constitueix els fangs actius i en el funcionament biològic de les plantes de fangs actius. L'estudi de les metodologies emprades en aquest camp ens ha portat a aprofundir-les per treure'n més informació. Hem elaborat noves metodologies i hem efectuat modificacions a d'altres ja existents. Destaquem els principals resultats i cooclusions obtinguts;1) Es determinen faunísticameot 33 espècies de ciliats. El nombre d'espècies fixades al substrat és superior a les altres formes i cal destacar l'Ordre Peritrichida. En nombre d'individus els ordres Peritrichida i Hypotrichida són els més abundants i en algun cas l'abundàocia de l'ordre Scuticociliatid correspon a elevats creixements de Uronema marinum.2) Es desenvolupa una equació matemàtica per tal de poder quantificar fàcilment els difernts tipus d'organismes filamentosos en viu i en fresc. Després de la realització de nombroses observacions s'ha arribat a la conclusió que existeix una relació molt estreta entre la longitud d'un segment i el nombre d'interseccions que s'obté creuant aquest segment amb una mostra de línies a l'atzar i independentment de la forma d'aquestes línies o filaments. S'obté que el nombre d'interseccions obtingudes és directament proporcional a la longitud total dels filaments d'una mostra.3) Es desenvolupa un nou model d'enginyeria per tal de valorar l'edat dels fangs. L'estudi del citat model amb dades reals demostra la seva utilitat obtenint interessants resultats sobre la dinàmica de poblacions mentre augmenta l'edat dels fangs. S'obté que per sobre de 12 dies d'edat de fangs no hi ha augment de la concentració de ciliats.En l'estudi de la relació entre els paràmetres físico-químics i les concentracions de protozous ciliats, el paràmetre que dóna un coeficient de correlació més elevat a nivell multivariant (múltiples espècies) i univariant (una sola espècie) és l'edat de fangs obtinguda a partir del model proposat.4) S'estudia la variació de la velocitat de divisió cel.lular, el resultat del qual enfront a la concentració d'individus ens dóna un nou valor de judici, tant o més important per valorar la relació de les espècies amb un detenninat paràmetre i per poder trobar el rang òptim de desenvolupament de cada espècie. Es determina per a cada espècie estudiada la variació de la velocitat de divisió segons els següents paràmetres físico-químics: Oxigen dissolt, edat de fangs (a partir del model proposat), càrrega màssica i DBO, de decantador primari i secundari.5) L'estudi de l'afinitat de les espècies de ciliats ens permet concloure que la interdependència que existeix respecte entre les espècies es efímera i canvia d'una estació a un altre. Per tant, les associacions trobades varien principalment segons els valors dels paràmetres físico-químics.6) S'observa que existeix una relació inversament proporcional entre la diversitat específica dels ciliats i la càrrega màssica. Essent així els ciliats indicadors no tan sols de la qualitat de l'aigua tractada sinó de la qualitat de l'aigua que entra en el procés.7) En l'estudi de la toxicitat del Zn s'observa que la seva disponibilitat pot variar al llarg del tractament. En l'efluent es produeix una redissolució del Zn, atribuïble molt probablement a la disminució de la matèria orgànica. La seva toxicitat indueix l'encistament d' Opercularia minima. Respecte el Pb s'observa que en les aigües residuas utilitzades precipita tot, i a 550 mg/l. màxima concentració testejada no es produeixen efectes tòxics.8) La concentració d'oxígen dissolt és un dels principals factors que limiten la velocitat de creixement cel.lular dels ciliats, essent el gènere Vorticella el que necessita una concentració més elevada d'oxigen dissolt per sobre de 3 ppm per assolir una velocitat de divisió més elevada.9) L'augment de la concentració de ciliats significa una reducció de la DBO, de l'efluent, si bé per disminuir-la per sota dels 15 ppm, ha d'augmentar molt el quocient (concentració de ciliats/càrrega màssica) respecte la DB05 de l'efluent, la corba que s'obté té una forma semblant a una exponencial inversa.10) Es proposen unes taules estadístiques per relacionar els diferents organismes i els paràmetres d'enginyeria. La utilització de les quals optimitza el diagnòstic. Aquestes taules estadístiques es basen amb les dades obtingudes i s'obté per a cada concentració d'individus d'una espècie determinada un valor mitjà de cada paràmetre físico-químic estudiat. Per a cada valor mitjà també s'obté la seva variança, de forma que alhora de pronosticar un paràmetre físico-químic s'efectua la mitjana ponderada respecte la variança. / This thesis aims to study the relationship between protozoan ciliates and the engineeringparameters that are used in activated sludge wastewater treatment plants. The results may be used to improve the functioning and control of such plants. Furthermore, in order to understand the limiting factors in biological reactors, various toxics are studied: zinc, lead and phenol. The study is based on the results of biological, chemical and physical analyses obtained in a pilot plant and in three urban sewage treatment plants over one year. Methodological studies in this field have not only provided more information but have also helped in the modification and development of existing methods.1) A mathematical equation bas been developed which will easily aid the counting the different kinds of filamentous organisms "in vivo".2) A new engineering model bas been developed which will determine the MCRT. The study of this model with real data demonstrated its utility, since interesting results were obtained on the of population dynamics as the MCRT varies.3) We study variation in the cell growth rate, whose results constitute new values for characterization of the process.4) We determine the existence of an inverse proportional relationship between ciliate specific diversity and organic loading rate.5) It was observed that availability of zinc could vary during the treatment. Its toxicity induced encystement of "Opercularia minima". In sewage water lead salts were rapidly precipitated, and when the maximum concentration tested reached 500 mg/l no toxic effects were observed.