A MULTIPHASIC ASSESSMENT OF THE IMPACTS AND FATE OF PRISTINE AND INCIDENTALLY RELEASED SILVER NANOMATERIALS FROM TEXTILES IN MESO-SCALE TREATMENT WETLANDS

Abstract

Treatment wetland (TW) systems have become a popular nature-based alternative for decentralized wastewater treatment due to their low-cost, limited energy usage and ease of operation for individual homes and rural areas. The majority of pollutant degradation and transformation in these systems is attributed to the activity and productivity of their diverse microbial communities, primarily housed in biofilms. These systems, though originally designed for the treatment of domestic wastewater, are increasingly being used to treat more complex pollutants and emerging contaminants in wastewater streams, including silver nanomaterials. Silver nanomaterials are released from consumer products through anthropogenic use, enter TWs through wastewater streams, and generally considered toxic to ecological systems based on their antimicrobial properties.

The overall objective of this thesis was to evaluate the impacts and fate of incidental silver nanomaterials from commercial products to the microbial communities in the interstitial water and biofilm matrix in treatment wetlands mesocosms. To that end, a multiphasic study was developed in four phases. For the first phase, a meta-analysis was conducted to assess the current trends and the scalability of mesoscale studies. Following this, biofilm samples were harvested from established TW systems and imaged using both traditional light microscopy and environmental scanning electron microscopy (E-SEM). Morphological characteristics were quantified to develop a conceptual model for microscale TW biofilm dynamics. Thirdly, two in-situ exposure experiments at different concentration (0.1 mg Ag/L and 1 mg/L) were conducted using twenty-four batch-fed subsurface flow TW mesocosms, planted with Phalaris arundinacea monitored over a cumulative total of 217 days. Mesocosms were exposed to ionic silver, polyvinylpyrrolidone coated nanoparticles (pristine), or incidental silver nanomaterials released from textiles. The effects of the silver exposures were assessed in terms of the mesocosm water chemistry, water treatment performance, microbial activity/function/structure, and in-situ nanomaterial dynamics. Finally, the overall fate of silver within the mesocosms was determined through destructive sampling of the constructed wetland biofilm, plant roots and aboveground plant biomass. Gravel-associated and rhizospheric microbial biofilm were assessed for structural and function impacts.

The meta-analysis revealed that the global research field of treatment wetlands is expanding and diversifying its use of mesoscale system. Treatment performances of full-scale and meso-scale systems were comparable for the biochemical oxygen demand (BOD) removal rates. In the second phase, E-SEM images of biofilm revealed a structurally heterogenous morphology with features such as water channels and pores, which reached several microns in diameter. Through visual evidence and image analysis, a new more reflective conceptual model was developed to describe microscale TW biofilm dynamics and morphology. During the silver nanomaterial exposure periods, no significant changes were noted to for any metrics at 0.1 or 1 mg Ag/L suggesting the wetland mesocosms were resilient to silver. Following the exposure period, the TW mesocosms were dismantled showing the majority of silver was located in biofilm and predominately in the lower 30 – 60 cm layer. Investigating the microbial biofilm communities showed that functional and structural shifts occurred within the mesocosms due to the varying silver exposures. Although these functional and structural shifts occurred, no major loss of water treatment was seen throughout the study.

Les marais filtrants artificiels (MFA) sont devenus une alternative populaire fondées sur la nature pour le traitement décentralisé des eaux usées en raison de leur coût peu élevé, consommation d'énergie limitée et convivialité pour les maisons individuelles et les zones rurales. La majorité de la dégradation et transformation des polluants dans ces systèmes est attribuée à l’activité et à la productivité de leurs diverses communautés microbiennes, principalement trouvées dans des biofilms. Ces systèmes, bien que conçus à l'origine pour le traitement des eaux usées domestiques, sont de plus en plus utilisés pour traiter des polluants complexes et des contaminants émergents, notamment les nanomatériaux d'argent dans les flux d'eaux usées. Les nanomatériaux d'argent sont rejetés des produits de consommation par l'utilisation anthropique et peuvent entrer dans les MFA par les eaux usées et sont généralement considérés comme toxiques pour les systèmes écologiques en raison de leurs propriétés antimicrobiennes.

L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les impacts et le devenir des nanomatériaux d'argent fortuits provenant de produits commerciaux sur les communautés microbiennes des interstitielle de l'eau et du biofilm dans les mésocosmes des marais filtrants. À cette fin, une étude multiphasique a été réalisé en quatre phases. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les impacts et le devenir des nanomatériaux d'argent fortuits provenant de produits commerciaux sur les communautés microbiennes des interstitielle de l'eau et du biofilm dans les mésocosmes des marais filtrants. À cette fin, une étude multiphasique a été réalisé en quatre phases. Tout d'abord, une méta-analyse a été réalisée pour évaluer les tendances actuelles et l'évolutivité des études méso-échelle. Par la suite, des échantillons de biofilms ont été prélevés dans des systèmes de MFA établis et imités à l'aide de la microscopie optique traditionnelle et de la microscopie électronique à balayage environnemental (E-SEM). Les caractéristiques morphologiques ont été quantifiées afin d'élaborer un modèle conceptuel pour la dynamique du biofilm TW à l'échelle microscopique. En troisième lieu, deux expériences d'exposition in situ à différentes concentrations (0,1 mg Ag/L et 1 mg/L) ont été réalisées à l'aide de 24 mésocosmes TW d'écoulement souterrain nourris par lots, plantés de Phalaris arundinacea et surveillés pendant un total cumulé de 217 jours. Les mésocosmes ont été exposés à de l'argent ionique, à des nanoparticules revêtues de polyvinylpyrrolidone (vierges) ou à des nanomatériaux argentés incidentel libérés des textiles. Les effets de l'exposition à l'argent ont été évalués en fonction de la chimie de l'eau du mésocosme, du rendement du traitement de l'eau, de l'activité/fonction/structure microbienne et de la dynamique in situ des nanomatériaux. Enfin, le devenir de l'argent dans les mésocosmes a été déterminé par échantillonnage destructif du biofilm des MFAs, des racines végétales et de la biomasse végétale aérienne. Les effets structuraux et fonctionnels des biofilms microbiens associés au gravier et rhizosphériques ont été évalués.

La méta-analyse a révélé que le domaine de recherche mondial des marais filtrants artificiels se développe et diversifie l’utilisation des systèmes à méso-échelle. Les performances de traitement des systèmes à grande échelle et à méso-échelle étaient comparables en ce qui concerne les taux d'élimination de la demande biochimique en oxygène (DBO). Au cours de la deuxième phase, les images E-SEM du biofilm ont révélé une morphologie structurellement hétérogène avec des caractéristiques telles que des canaux d'eau et des pores, qui atteignent plusieurs microns de diamètre. Grâce à des preuves visuelles et à l'analyse d'images, un nouveau modèle conceptuel plus réfléchi a été réalisé pour décrire la dynamique et la morphologie du biofilm TW à l'échelle microscopique. Pendant les périodes d'exposition aux nanomatériaux d'argent, aucun changement significatif n'a été observé pour les paramètres à 0,1 ou 1 mg Ag/L, ce qui suggère que les mésocosmes des MFA sont résistants à l'argent. Après la période d'exposition, les mésocosmes TW ont été démontés, montrant que la majorité de l'argent se trouvait dans le biofilm et principalement dans la couche inférieure de 30 à 60 cm. L'étude des communautés microbiennes du biofilm a montré que des changements fonctionnels et structurels se sont produits dans les mésocosmes en raison des différentes expositions à l'argent. Malgré ces changements fonctionnels et structurels, aucune perte majeure de traitement de l'eau n'a été observée tout au long de l'étude.