FATE AND EFFECT OF TRICLOSAN AND SULFAMETHOXAZOLE WITHIN MESO-SCALE VERTICAL FLOW CONSTRUCTED WETLANDS

Abstract

The presence of pharmaceuticals and personal care products are increasing in our natural environment due to their incomplete removal within traditional wastewater treatment plants. Constructed wetlands are used as secondary or tertiary wastewater treatment and as such may receive both pharmaceuticals and personal care products with subsequent implications for their treatment efficacy. The aim of this study was to examine the fate and effects of antimicrobials in planted and unplanted vertical flow constructed wetlands. Twelve mesocosms were inoculated with activated sludge from the Cataraqui Bay Wastewater Treatment Plant. Six were planted with reed canary grass (Phalaris arundinacea) and the remaining six were left unplanted. The wetland mesocosms were assessed using a variety of parameters including water treatment (chemical oxygen demand removal rate), hydrological (porosity, evapotranspiration/evaporation) water quality (temperature, pH, specific conductivity, dissolved oxygen, redox potential, total dissolved solids), ecological (plant height and stem count), and microbial community function (community level physiological profiling).. Community-level physiological profiles were gathered for the wetland microbial community using Biolog EcoplatesTM. The development phase was initially characterized for all mesocosms over a ninety-day period to establish ecological stability. The microbial communities were then subjected to ex-situ, dose-response exposures (0 – 1000 μg/L) for trimethoprim, triclosan and sulfamethoxazole to gain an understanding of the ecotoxicity of these antimicrobials. Following the ex-situ exposures, in-situ exposures were performed with triclosan and sulfamethoxazole at low (100 μg/L) and high (500 μg/L) concentrations. The low concentration was selected based on literature reviews of the levels found in water bodies and the high concentration was selected to represent a shock-loading scenario. Hydrological, ecological and microbial parameters were monitored before, immediately after and over a recovery period of four weeks following each exposure. During the developmental period both the planted and unplanted mesocosms developed similarly and ecological stability was established. However, a distinct microbial community profile was observed in the planted mesocosms. In the ex-situ dose-response experiments the effect of trimethoprim was negligible on the planted microbial communities but with some removal of microbial function for the unplanted microbial communities. Triclosan exposure led to a moderate decline in microbial function for both the planted and unplanted communities. Sulfamethoxazole exposure led to a severe decline in microbial function in both the planted and unplanted microbial communities, so much so that negligible activity was observed at 1000 μg/L. Following the in-situ low and high exposures of triclosan and sulfamethoxazole there was a significant removal of the compounds (>80%) from the mesocosm water column. The effects of both low and high triclosan and sulfamethoxazole exposures were minimal within the exposed mesocosms. There were no major changes observed with respect to the water treatment ability, hydrological or ecological parameters. Following the low triclosan exposure, the planted microbial communities showed some removal of microbial activity in the week following the exposure while the unplanted microbial communities were unaffected. No other microbial community effects were observed for any of the exposure scenarios. Following sulfamethoxazole exposures, the water treatment ability (COD removal rate) of the exposed mesocosm systems was reduced in some cases, however not consistently. No adverse effects on water treatment ability were observed for the triclosan exposures. Over the course of these experiments, the planted and unplanted mesocosms continued to develop distinct microbial community profiles. These findings suggest that whilst triclosan and sulfamethoxazole are potentially harmful to wetland microbial communities, based on ex-situ results, they have a limited effect within the wetland mesocosms (in-situ). Based upon these observations, vertical flow constructed wetland have shown to be robust and able to handle shock loads from these common pharmaceutical compounds. Further research should examine longer-term and multiple compound antimicrobial exposures to gain a better understanding the fate and effect of pharmaceuticals in constructed wetlands.

La présence de produits pharmaceutiques et de soins personnels sont en augmentation dans notre environnement naturel en raison de leur utilisation croissante et une élimination incomplète au sein des usines traditionnelles de traitement des eaux usées. Les marais artificiels sont de plus en plus utilisés comme traitement d'eaux usées secondaire ou tertiaire et en tant que tel peut recevoir à la fois des produits pharmaceutiques et de soins personnels qui a des répercussions subséquentes sur leur efficacité de traitement. Le but de cette étude était d'examiner le devenir et les effets des antibiotiques dans l'écoulement marais artificiels verticaux plantés et non plantés. Douze mésocosmes ont été inoculées avec des boues activées à partir de l'usine de traitement d'eau de Cataraqui Bay. Six ont été plantés avec l'alpiste roseau (Phalaris arundinacea) et les six autres ont été laissés en friche. Les mésocosmes de zones humides ont été évaluées en utilisant une gamme de paramètres, y compris le traitement de l'eau (taux de DCO), l’hydrologie (porosité, l'évapotranspiration), laqualité de l'eau (température, pH, conductivité spécifique, l'oxygène dissous, potentiel redox, les solides dissous totaux), l’écologie (hauteur de la plante et le nombre de tiges), et la fonction des communautés microbiennes (niveau de la communauté profilage physiologique. Profils physiologiques au niveau communautaire ont été recueillis pour la communauté des zones humides microbiennes à l'aide Biolog EcoplatesTM. La phase de développement a été initialement caractérisée pour tous les mésocosmes sur une période de quatre-vingt-dix jours pour établir la stabilité écologique. Les communautés microbiennes ont ensuite été soumis à une exposition ex-situ, dose-réponse (0-1000 μg/L) pour le triméthoprime, le triclosan et le sulfaméthoxazole d'acquérir une compréhension de l'écotoxicité de ces antimicrobiens. Après les expositions ex situ, des expositions in situ ont été réalisées avec le triclosan et le sulfaméthoxazole à faible (100 μg/L) et haute (500 μg/L) concentrations. La faible concentration a été choisi sur la base des analyses documentaires des niveaux trouvés dans les masses d'eau et la forte concentration a été sélectionné pour représenter un scénario choc de chargement. Paramètres hydrologiques, écologiques et microbiennes ont été surveillé avant, immédiatement après et pendant une période de récupération de quatre semaines suites à l'exposition. Au cours de la période de développement à la fois les mésocosmes plantés et non plantés ont évolué de façon similaire et la stabilité écologique a été créé. Cependant, un profil de la communauté microbienne distincte a été observé dans les mésocosmes plantés. Dans les expériences dose-réponse ex-situ l'effet de triméthoprime a été négligeable sur les communautés microbiennes plantées mais avec une certaine diminution de la fonction microbienne pour les communautés microbiennes non plantés. Exposition à tricolosana conduit à une baisse modérée de la fonction microbienne pour les communautés plantés et non plantés. Exposition à sulfaméthoxazole a conduit à une baisse sévère de la fonction microbienne dans les communautés microbiennes plantés et non plantés, de telle sorte que l'activité négligeable a été observée à 1000 μg/L. Après les expositions in situ faibles et élevées de triclosan et le sulfaméthoxazole il y avait une élimination significative des composés (> 80%) de la colonne d'eau de mésocosme. Les effets des deux expositions faibles et élevés de triclosan et sulfaméthoxazole étaient minimes dans les mésocosmes exposés. Il n'y avait pas de grands changements observés par rapport à la capacité de traitement de l'eau ou par rapport aux paramètres hydrologique ou écologiques. Suite à l'exposition triclosan faible, les communautés microbiennes plantées ont montré une réduction de l'activité microbienne dans la semaine suivant l'exposition, tandis que les communautés microbiennes non plantés ne sont pas affectées. Aucun autre effet des communautés microbiennes ont été observées pour tous les scénarios d'exposition. Après les expositions sulfaméthoxazole, la capacité de traitement de l'eau (taux de DCO) des systèmes de mésocosmes exposés a été réduit dans certains cas, mais pas toujours. Aucun effet néfaste sur la capacité de traitement de l'eau a été observée pour les expositions de triclosan. Au cours de ces expériences, les mésocosmes plantés et non plantés continué à élaborer des profils des communautés microbiennes distinctes. Ces résultats suggèrent que, bien que le triclosan et le sulfaméthoxazole sont potentiellement dangereux pour des zones humides communautés microbiennes, en fonction des résultats ex-situ, ils ont un effet limité dans les mésocosmes des zones humides (in situ). Sur la base de ces observations, les experiences ont montré que lécoulement marais artificiels verticaux est robuste et capable de gérer les charges de choc de ces composés pharmaceutiques courants. D'autres recherches devraient examiner à plus long terme et de multiples expositions antimicrobiens composés afin de mieux comprendre le devenir et les effets des produits pharmaceutiques dans les zones humides artificielles.