Caracterización y evaluación de la biodegradación de microplásticos provenientes de fangos de humedal artificial mediante ensayos en microcosmos con distintas condiciones bióticas

[ES] La acumulación de microplásticos (MPs) en los ecosistemas acuáticos constituye una amenaza emergente debido a su persistencia, su potencial toxicidad y su escasa degradabilidad (Andrady, 2011). Los humedales artificiales empleados en la depuración de aguas residuales pueden convertirse en reser...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Miranda Urrutia, Juan Carlos
Tipo de recurso: tesis de maestría
Fecha de publicación:2025
País:España
Institución:Universitat Politècnica de València (UPV)
Repositorio:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia
Idioma:español
OAI Identifier:oai:riunet.upv.es:10251/228680
Acceso en línea:https://riunet.upv.es/handle/10251/228680
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Microplásticos
Biodegradación
Humedal artificial
Microcosmos
Lombrices
Microplastics
Constructed wetland
Biodegradation
Microcosm
Earthworms
Máster Universitario en Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente-Màster Universitari en Enginyeria Hidràulica i Medi Ambient
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Characterization and Evaluation of the Biodegradation of Microplastics from Constructed Wetland Sludge through Microcosm Assays under Different Biotic Conditions
Caracterització i avaluació de la biodegradació de microplàstics provinents de fangs d’aiguamoll artificial mitjançant assajos en microcosmos amb diferents condicions biòtiques
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Martín Monerris, Miguel
Calzadilla Cabrera, Darío
Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente
Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente
Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
Repositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet
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Máster Universitario en Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente-Màster Universitari en Enginyeria Hidràulica i Medi Ambient
description [ES] La acumulación de microplásticos (MPs) en los ecosistemas acuáticos constituye una amenaza emergente debido a su persistencia, su potencial toxicidad y su escasa degradabilidad (Andrady, 2011). Los humedales artificiales empleados en la depuración de aguas residuales pueden convertirse en reservorios de estos contaminantes y fijarlos en los fangos superficiales (Sun et al., 2022). Diversos estudios han identificado la capacidad de descomponer plásticos por parte de los microorganismos y los mecanismos involucrados en este proceso (Mateos-Cárdenas et al., 2020). Este Trabajo Fin de Máster evalúa la capacidad de biodegradación de los microplásticos (MPs) presentes en los fangos del humedal artificial de la EDAR de Carrícola mediante ensayos en microcosmos sometidos a distintas condiciones bióticas. Se montaron diez microcosmos en vasos de precipitación de 2 000 mL distribuidos en tres tratamientos experimentales: cuatro con microplásticos añadidos (M1 M4), cuatro con microplásticos y lombrices (M5 M8) y dos controles, uno sin microplásticos ni lombrices (MB1) y otro sin microplásticos, pero con lombrices (MB2). El fango se homogeneizó y se depositaron 350 g de sedimento húmedo en cada vaso. En los microcosmos con fauna edáfica se introdujeron tres lombrices adultas por cada 100 g de sedimento, previamente aclimatadas siguiendo el protocolo de Ragoobur et al. (2022). Todos los recipientes se cubrieron con láminas de aluminio para minimizar la incidencia de luz y mantener un sistema controlado. Se seleccionó la lombriz Dendrobaena sp debido a que las lombrices durante la alimentación pueden ingerir y transportar fragmentos de polietileno (PE) y otros plásticos biodegradables al interior de sus madrigueras, favoreciendo su dispersión y posible transformación (Zhang et al., 2018). Además, el consorcio microbiano de su intestino es hasta 4 000 veces más diverso que el del suelo circundante, lo que potencialmente acelera la degradación de los polímeros presentes (Drake y Horn, 2007). Para la extracción de MPs se seguirá el protocolo de Calzadilla-Cabrera et al. (2023). Cada muestra se tratará con peróxido de hidrógeno al 30 % a 60 °C para digerir la materia orgánica, y posteriormente se realizará una separación densimétrica en dos etapas: primero con cloruro de calcio (CaCl2) (densidad 1,34 g cm³) y después con yoduro de potasio (KI) (densidad 1,72 g cm³). A continuación, las fracciones se centrifugarán a 3 000 rpm durante cinco minutos y se filtrarán. Los filtros se conservarán en pocillos de aluminio sellados hasta el recuento final, clasificando los MPs en fibras, partículas y films. Se aplicarán análisis fisicoquímicos tales como la determinación de sólidos volátiles y no volátiles, así como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) a 5 y 30 días. Estos parámetros permitirán caracterizar el estado del material orgánico e inorgánico presente en los microcosmos, así como evaluar la actividad biológica asociada a los procesos de degradación. En particular, la medición de la DBO a diferentes tiempos proporcionará información sobre la degradabilidad de la materia orgánica a corto y largo plazo, lo cual es relevante para interpretar los cambios en el entorno biótico que podrían influir en la transformación de los microplásticos. Complementariamente, se emplearán técnicas de caracterización visual mediante microscopía estereoscópica, utilizando fotografías comparativas de los microplásticos extraídos en cada etapa de los ensayos. Estas imágenes permitirán observar posibles alteraciones morfológicas, como agrietamientos y cambios en la textura superficial, que puedan sugerir procesos de degradación física, química o biológica. El seguimiento temporal de estas características facilitará el análisis de la evolución estructural de los polímeros bajo diferentes condiciones bióticas, permitiendo establecer correlaciones entre la presencia o ausencia de organismos y las transformaciones detectadas en los residuos plásticos.
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Los humedales artificiales empleados en la depuración de aguas residuales pueden convertirse en reservorios de estos contaminantes y fijarlos en los fangos superficiales (Sun et al., 2022). Diversos estudios han identificado la capacidad de descomponer plásticos por parte de los microorganismos y los mecanismos involucrados en este proceso (Mateos-Cárdenas et al., 2020). Este Trabajo Fin de Máster evalúa la capacidad de biodegradación de los microplásticos (MPs) presentes en los fangos del humedal artificial de la EDAR de Carrícola mediante ensayos en microcosmos sometidos a distintas condiciones bióticas. Se montaron diez microcosmos en vasos de precipitación de 2 000 mL distribuidos en tres tratamientos experimentales: cuatro con microplásticos añadidos (M1 M4), cuatro con microplásticos y lombrices (M5 M8) y dos controles, uno sin microplásticos ni lombrices (MB1) y otro sin microplásticos, pero con lombrices (MB2). El fango se homogeneizó y se depositaron 350 g de sedimento húmedo en cada vaso. En los microcosmos con fauna edáfica se introdujeron tres lombrices adultas por cada 100 g de sedimento, previamente aclimatadas siguiendo el protocolo de Ragoobur et al. (2022). Todos los recipientes se cubrieron con láminas de aluminio para minimizar la incidencia de luz y mantener un sistema controlado. Se seleccionó la lombriz Dendrobaena sp debido a que las lombrices durante la alimentación pueden ingerir y transportar fragmentos de polietileno (PE) y otros plásticos biodegradables al interior de sus madrigueras, favoreciendo su dispersión y posible transformación (Zhang et al., 2018). Además, el consorcio microbiano de su intestino es hasta 4 000 veces más diverso que el del suelo circundante, lo que potencialmente acelera la degradación de los polímeros presentes (Drake y Horn, 2007). Para la extracción de MPs se seguirá el protocolo de Calzadilla-Cabrera et al. (2023). Cada muestra se tratará con peróxido de hidrógeno al 30 % a 60 °C para digerir la materia orgánica, y posteriormente se realizará una separación densimétrica en dos etapas: primero con cloruro de calcio (CaCl2) (densidad 1,34 g cm³) y después con yoduro de potasio (KI) (densidad 1,72 g cm³). A continuación, las fracciones se centrifugarán a 3 000 rpm durante cinco minutos y se filtrarán. Los filtros se conservarán en pocillos de aluminio sellados hasta el recuento final, clasificando los MPs en fibras, partículas y films. Se aplicarán análisis fisicoquímicos tales como la determinación de sólidos volátiles y no volátiles, así como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) a 5 y 30 días. Estos parámetros permitirán caracterizar el estado del material orgánico e inorgánico presente en los microcosmos, así como evaluar la actividad biológica asociada a los procesos de degradación. En particular, la medición de la DBO a diferentes tiempos proporcionará información sobre la degradabilidad de la materia orgánica a corto y largo plazo, lo cual es relevante para interpretar los cambios en el entorno biótico que podrían influir en la transformación de los microplásticos. Complementariamente, se emplearán técnicas de caracterización visual mediante microscopía estereoscópica, utilizando fotografías comparativas de los microplásticos extraídos en cada etapa de los ensayos. Estas imágenes permitirán observar posibles alteraciones morfológicas, como agrietamientos y cambios en la textura superficial, que puedan sugerir procesos de degradación física, química o biológica. El seguimiento temporal de estas características facilitará el análisis de la evolución estructural de los polímeros bajo diferentes condiciones bióticas, permitiendo establecer correlaciones entre la presencia o ausencia de organismos y las transformaciones detectadas en los residuos plásticos.[EN] The accumulation of microplastics (MPs) in aquatic ecosystems constitutes an emerging threat due to their persistence, potential toxicity, and limited degradability (Andrady, 2011). Constructed wetlands used for wastewater treatment may act as reservoirs for these pollutants, trapping them in surface sludge (Sun et al., 2022). Various studies have identified the ability of microorganisms to degrade plastics, as well as the mechanisms involved in this process (Mateos-Cárdenas et al., 2020). This Master's thesis evaluates the biodegradation capability of microplastics (MPs) found in the sludge of the constructed wetland at the Carrícola WWTP through microcosm experiments subjected to different biotic conditions. Ten microcosms were established in 2,000 mL beakers, distributed into three experimental treatments: four with added microplastics (M1 M4), four with microplastics and earthworms (M5 M8), and two controls one without microplastics or earthworms (MB1), and one without microplastics but with earthworms (MB2). The sludge was homogenized, and 350 g of moist sediment was placed in each container. In microcosms with soil fauna, three adult earthworms per 100 g of sediment were introduced, previously acclimated following the protocol by Ragoobur et al. (2022). All containers were covered with aluminum foil to minimize light exposure and maintain controlled conditions. The earthworm species Dendrobaena sp. was selected because earthworms can ingest and transport fragments of polyethylene (PE) and other biodegradable plastics into their burrows during feeding, promoting dispersal and potential transformation (Zhang et al., 2018). Additionally, their intestinal microbial consortium is up to 4,000 times more diverse than the surrounding soil, potentially accelerating polymer degradation (Drake and Horn, 2007). For MP extraction, the protocol by Calzadilla-Cabrera et al. (2023) will be followed. Each sample will be treated with 30% hydrogen peroxide at 60°C to digest organic matter, followed by a two-stage density separation: initially using calcium chloride (CaCl2) (density 1.34 g cm³) and subsequently potassium iodide (KI) (density 1.72 g cm³). The fractions will then be centrifuged at 3,000 rpm for five minutes and filtered. Filters will be stored in sealed aluminum wells until final counting, classifying MPs into fibers, particles, and films. Physicochemical analyses, such as volatile and non-volatile solids determination, and biochemical oxygen demand (BOD) at 5 and 30 days, will be conducted. These parameters will characterize the organic and inorganic materials present in the microcosms and assess biological activity associated with degradation processes. Particularly, measuring BOD at different intervals will offer insights into the short- and long-term degradability of organic matter, relevant for interpreting changes in the biotic environment that could influence MP transformation. Additionally, visual characterization techniques using stereoscopic microscopy and comparative photography of MPs extracted at each experimental stage will be employed. These images will detect morphological changes, such as cracks and alterations in surface texture, indicating physical, chemical, or biological degradation processes. Temporal tracking of these characteristics will enable analysis of structural polymer evolution under various biotic conditions, establishing correlations between organism presence and observed transformations in plastic residues. The outcomes of this study will enhance understanding of MP behavior under conditions resembling constructed wetlands. It will also identify significant differences in contaminant transformation processes under biological influence, particularly evaluating the effectiveness of earthworms as ecological tools or potential bioindicators of toxicity. Ultimately, these findings can provide valuable criteria for guiding future decisions related to the treatment or final disposition.Universitat Politècnica de ValènciaHernández Crespo, CarmenMartín Monerris, MiguelCalzadilla Cabrera, DaríoDepartamento de Ingeniería Hidráulica y Medio AmbienteInstituto Universitario de Ingeniería del Agua y del Medio AmbienteEscuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y PuertosRepositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet20252025-10-2720252025-09-23master thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_bdccinfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://riunet.upv.es/handle/10251/228680reponame:RiuNet. 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