INFLUENCE OF ESTABLISHMENT PERIODS, AERATION, AND SILVER NANOPARTICLES ON THE FUNCTION OF VERTICAL FLOW CONSTRUCTED WETLANDS

Abstract

Constructed wetlands (CWs) are a self-adaptive, passive, energy efficient and cost-effective substitute to conventional wastewater treatment methods. The microbial communities in CWs are responsible for much of the complex wastewater treatment potential. CWs require a start-up period after initialization for the ecosystem (microbial, plant) to establish before wastewater treatment processing is optimized. To improve wastewater treatment capacity CWs may use certain intensification designs, such as artificial aeration. Emerging contaminants may enter CWs from wastewater streams after leaching from medial, consumer and personal care products. These emerging contaminants, such as nanoparticles, may affect CW ecology and wastewater treatment performance. The overall objective of this thesis is to evaluate the effects of various perturbations to wetland steady-state (initialization, planting and antimicrobial exposure). First, the development period for twelve planted CW mesocosms was evaluated over a three-month period. The effects of artificial aeration were investigated on water chemistry, wastewater treatment ability, nutrient cycling, microbial activity/function, and plant health. Secondly, Phalaris arundinacea was seeded in a different set of twelve CWs, which had developed unplanted for 4 months prior to seeding. The effects of plant addition and establishment were evaluated for the same metrics as previous. Finally, the effects of antimicrobial silver nanoparticles (Ag NPs) (differing concentrations and types) on CW microbial communities were evaluated using an ex-situ technique involving community level physiological profiling. Microbial communities from both aerated and non-aerated CWs were evaluated as the presence of oxygen alters the environmental conditions within the wetland and therefore may alter both the inherent microbial communities, and the fate/transformation of Ag NPs. During the planted wetland development period stabilization of water chemistry parameters occurred readily and differentiation was evident between aerated and non-aerated mesocosms. The addition of aeration did not enhance the start-up efficiency for the CW mesocosms. Microbial stabilization occurred after approximately 60 to 75 days in both aerated and non-aerated mesocosms. The addition of Phalaris arundinacea to a set of well-developed CW mesocosms exerted a stabilizing effect on the microbial community, starting to bridge the microbial catabolic functionality between the two system types (aerated and non-aerated). TOC and TN mass removal increased as a result of planting in non-aerated systems. In aerated systems, TOC removal was high (>95%) independent of plant addition, TN removal fluctuated more after plant establishment. The effect of plants on the mesocosms was more defined in non-aerated systems than in aerated systems. The exposure of microbial communities from both aerated and non-aerated CW mesocosms, to Ag NPs showed aerated microbial communities to be much more susceptible to toxicity from silver. This may be a result of fundamental differences in water chemistry between wetland types and the nature of aqueous chemistry for silver. Artificially sulphidized Ag NPs were not toxic to the microbial communities tested. The wash water from Ag NP containing socks catabolically inhibited the microbial communities at a concentration that is environmentally relevant for the release of silver from wastewater treatment plants (0.1 mg/L). Ag NPs preferentially reduced the microbial utilization of carbohydrates and carboxylic and acetic acids, while the utilization of amines and amides was less hindered. The characterization methods used in this thesis to holistically evaluate CW mesocosms elucidated the subtle effects of wetland development and plant addition on the overall wetland dynamics. Complex interactions between plants, water chemistry and microbial communities lead to changes in pollutant removal in the aerated and non-aerated systems. This thesis validates the importance of rigorous characterization of wetland health and function. Studying wetlands using several lines of evidence informs research and industry on subtle interactions between microbial communities, plants and wastewater components. Further research should continue to examine CWs from a variety of perspectives (physical, chemical, microbial, vegetation, water treatment potential), as well as utilizing the most environmentally relevant concentrations and forms of emerging contaminants available for ecotoxicity studies.

Le marais filtrant artificiel (MFA) est une technologie extensive, économique et nécessitant peu énergie comparativement aux méthodes classiques de traitement des eaux usées. Les communautés microbiennes dans les MFA sont responsables d'une grande partie du traitement des eaux usées. Les MFA nécessitent une période de démarrage afin que l'écosystème (microbien, plante) s’établisse et que le traitement des eaux usées soit optimisé. Pour améliorer la capacité de traitement des eaux usées, les MFA peuvent utiliser des processus d'intensification, tels que l'aération artificielle. Les contaminants émergents dans les eaux usées proviennent de la lixiviation de certains produits de consommations et peuvent entrer dans les MFA. Ces contaminants émergents, tels que les nanoparticules, peuvent avoir une incidence sur l'écologie et le traitement des eaux usées. L'objectif général de cette étude est d'évaluer les effets de diverses perturbations sur la stabilité des marais filtrants artificiels (initialisation, plantation et exposition aux agents antimicrobiens). La période de développement a d’abord été évaluée sur douze mésocosmes plantés sur une période de trois mois. Les effets de l'aération artificielle sur la chimie de l'eau, la capacité de traitement des eaux usées, le cycle des nutriments, l'activité / la fonction microbienne et la santé des plantes. Ont été étudiés la deuxièmement partie de l’expérience consistait de mesurer l’effet de l'addition et de l'établissement des plantes sur les MFA selon les mêmes paramètres que l’expérience précédente. Pour ce faire, douze nouveaux mésocosmes ont été alimentés avec des eaux usées pendant 4 mois et ont été par la suite ensemencés de Phalaris arundinacea. Finalement, les effets antimicrobiens des nanoparticules d'argent (NP-Ag), de différentes concentrations et types, sur les communautés microbiennes ont été évalués à l'aide de la mesure du profil microbien. Les communautés microbiennes des MFA aérés et non aérés ont été évaluées, car la présence d'oxygène modifie les conditions environnementales des MFA et peut donc modifier à la fois les communautés microbiennes inhérentes et le devenir / la transformation des NP-Ag. Au cours de la période de développement des marais filtrants artificiels, la stabilisation des paramètres de la chimie de l'eau s'est avérée facile et la différenciation était évidente entre les mésocosmes aérés et non aérés. L'ajout d'aération n’a pas influencé la période de démarrage des mésocosmes. La stabilisation microbienne s'est produite après environ 60 à 75 jours dans les mésocosmes aérés et non aérés. L'ajout de Phalaris arundinacea aux mésocosmes bien établies a exercé un effet stabilisant sur la communauté microbienne, en réduisant l’écart entre la fonctionnalité microbienne catabolique des deux types de système (aérés et non aérés). L'élimination du carbone organique total (COT) et de l’azote total (AT) a augmenté dans les systèmes plantés non aérés. Dans les systèmes aérés, l'élimination des COT était élevée (> 95%) indépendamment de l'addition de la plante, l'élimination de AT a fluctué davantage après l'établissement des plantes. L'effet des plantes sur les mésocosmes était plus défini dans les systèmes non aérés que dans les systèmes aérés. L'exposition des communautés microbiennes des mésocosmes aérés et non aérés aux Ag NP a montré que les communautés microbiennes de mésocosmes aérés étaient beaucoup plus susceptibles. Cela peut résulter de différences fondamentales dans la chimie de l'eau entre les types MFA ainsi que la chimie de l'argent. Les NP-Ag sulfuré artificiellement n'étaient pas toxiques pour les communautés microbiennes testées. L'eau de lavage contenant NP-Ag a inhibé cataboliquement les communautés microbiennes à des concentrations possiblement présentes dans l’environnement lors de la libération d’Ag par les stations de traitement des eaux usées (0,1 mg/L). Les NP-Ag ont préférentiellement réduit l'utilisation microbienne des glucides et des acides carboxylique et acétique, tandis que l'utilisation d'amines et d'amides était moins affectée. Les méthodes de caractérisation utilisées dans cette thèse pour évaluer globalement les marais filtrants artificiels ont permis d'élucider les effets subtils du développement des MFA et l'addition de plantes sur la dynamique des MFA. Les interactions complexes entre les plantes, la chimie de l'eau et les communautés microbiennes entraînent des changements dans l'élimination des polluants dans les systèmes aérés et non aérés. Cette thèse confirme l'importance d'une caractérisation rigoureuse de la santé et de la fonction des MFA. Étudier les MFA en utilisant plusieurs techniques informe la recherche et l'industrie sur les interactions subtiles entre les communautés microbiennes, les plantes et les composantes des eaux usées. Das recherches subséquentes devraient permettre d'examiner les MFA sous diverses perspectives (physique, chimique, microbienne, végétale, potentiel de traitement de l'eau), ainsi que l'utilisation des concentrations et des formes de contaminants émergents représentant ce qui est susceptible d’être libérés dans l'environnement et causé de l'écotoxicité.