Applications de la bioréduction du sélénite et/ou de la tellurite par Phanerochaete chrysosporium Erika Espinosa Ortiz To cite this version: Erika Espinosa Ortiz. Applications de la bioréduction du sélénite et/ou de la tellurite par Phane- rochaete chrysosporium. Ecosystèmes. Université Paris-Est, 2015. Français. ￿NNT: 2015PESC1193￿. ￿tel-01709793￿ HAL Id: tel-01709793 https://theses.hal.science/tel-01709793 Submitted on 15 Feb 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Bioreduction of selenite and tellurite by  Phanerochaete chrysosporium                                       Erika Jimena Espinosa‐Ortiz Thesis committee      Promotor  Prof. Dr. Ir. Piet N.L Lens  Professor of Biotechnology  UNESCO‐IHE  Delft, The Netherlands    Co‐Promotors  Dr. Hab. Eric D. van Hullebusch  Hab. Associate Professor in Biogeochemistry  University of Paris‐Est  Marne‐la‐Vallée, France    Dr. Hab. Giovanni Esposito  Hab. Associate Professor in Environmental Engineering  University of Cassino and Southern Lazio  Cassino, Italy    Mentor  Dr. Eldon R. Rene  Senior Lecturer in Resource Recovery Technology  UNESCO‐IHE  Delft, The Netherlands    Other Members  Prof. Dr. François Farges  Professor of Mineralogy  Museum Nationale d'Histoire Naturelle  Paris, France    Prof. Dr. Erkan Sahinkaya  Professor of Bioengineering  Medeniyet Üniversitesi  Goztepe, Istanbul, Turkey    Prof. Dr. Jonathan Lloyd  Professor of Geomicrobiology  University of Manchester  Manchester, United Kingdom    This  research  was  conducted  under  the  auspices  of  the  Erasmus  Mundus  Joint  Doctorate  Environmental  Technologies  for  Contaminated  Solids,  Soils,  and  Sediments  (ETeCoS3)  and  the  Graduate School for Socio‐Economic and Natural Sciences of the Environment (SENSE). Joint PhD degree in Environmental Technology    Docteur de l'Université Paris‐Est  Spécialité: Science et Technique de l'Environnement    Dottore di Ricerca in Tecnologie Ambientali    Degree of Doctor in Environmental Technology    Thése ‐ Tesi di Dottorato ‐ PhD thesis    Erika Jimena Espinosa‐Ortiz    Bioreduction of selenite and tellurite by Phanerochaete chrysosporium     Defended on December 10th, 2015         In front of the PhD committee    Prof. Dr. Ir. Piet N.L. Lens   Promotor    Dr. Hab. Eric van Hullebusch  Co‐Promotor    Dr. Hab. Giovanni Esposito      Co‐Promotor    Dr. Eldon R. Rene      Mentor    Prof. Dr. François Farges     Examiner    Prof. Dr. Erkan Sahinkaya     Reviewer    Prof. Dr. Jonathan Lloyd                        Reviewer                                                                                                Erasmus Joint Doctorate Programme in Environmental Technology for Contaminated Solids, Soils and Sediments (ETeCoS3) CRC Press/Balkema is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business   © 2015, Erika Jimena Espinosa‐Ortiz     All  rights  reserved.  No  part  of  this  publication  or  the  information  contained  herein  may  be  reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic,  mechanical, by photocopying, recording or otherwise, without written prior permission from the  publishers.     Although all care is taken to ensure the integrity and quality of this publication and information  herein, no responsibility is assumed by the publishers or the author for any damage to property or  persons as a result of the operation or use of this publication and or the information contained herein.     Published by:   CRC Press/Balkema   PO Box 11320, 2301 EH Leiden, The Netherlands   E‐mail: [email protected]   www.crcpress.com – www.taylorandfrancis.com     ISBN ...‐.‐...‐.....‐. (Taylor & Francis Group) It always seems impossible,   until it is done. Contents    Acknowledgments ......................................................................................................................... I  Summary.......................... ........................................................................................................... III  Résumé...................... ..................................................................................................................IV  Sommario .....................................................................................................................................V  Samenvatting...............................................................................................................................VI  CHAPTER 1 General introduction ................................................................................................... 1  1.1  Background ............................................................................................................................ 2  1.2  Problem statement ............................................................................................................... 3  1.3  Research objectives ............................................................................................................... 3  1.4  Structure of the thesis ........................................................................................................... 4  1.5  References ............................................................................................................................. 5  CHAPTER 2 Literature review ........................................................................................................ 7  2.1  Introduction ........................................................................................................................... 9  2.2  Fungal pellets ........................................................................................................................ 9  2.2.1  Fungal pellets: formation and growth .............................................................................. 9  2.2.2  Factors influencing the characteristics and formation of pellets .................................. 11  2.2.3  Fungal pellets in bioreactors .......................................................................................... 12  2.3  Fungal pelleted bioreactors for wastewater treatment ..................................................... 14  2.3.1  Potential applications and challenges ............................................................................ 14  2.3.2  Reactor configurations ................................................................................................... 15  2.3.3  Reactor design for fungal pelleted reactors ................................................................... 20  2.3.4  Sterile versus non‐sterile conditions .............................................................................. 22  2.3.5  Biomass recycle in fungal pelleted reactors ................................................................... 23  2.4  Removal of organic and inorganic pollutants ...................................................................... 25  2.4.1  Removal of organic pollutants ....................................................................................... 25 2.4.2  Removal of inorganic pollutants .................................................................................... 34  2.5  Scope for further research .................................................................................................. 35  2.6  Conclusions .......................................................................................................................... 36  2.7  References ........................................................................................................................... 36  CHAPTER 3 Effects of selenium oxyanions on the fungus Phanerochaete chrysosporium ............. 45  3.1  Introduction ......................................................................................................................... 47  3.2  Materials and methods ....................................................................................................... 48  3.2.1  Fungal culture and medium composition ...................................................................... 48  3.2.2  Batch experiments ......................................................................................................... 49  3.2.3  Transmission electron microscopy (TEM) and electron‐energy loss spectroscopy (EELS)  analysis ........................................................................................................................... 49  3.2.4  Analytical methods ......................................................................................................... 50  3.3  Results ................................................................................................................................. 50  3.3.1  Fungal interaction with selenium oxyanions ................................................................. 50  3.3.2  Effect of glucose concentration ..................................................................................... 54  3.3.3  Effect of pH ..................................................................................................................... 55  3.3.4  Effects of selenium concentration ................................................................................. 56  3.4  Discussion ............................................................................................................................ 57  3.4.1  Inhibition of fungal growth induced by selenium oxyanions ......................................... 57  3.4.2  Morphological effects induced by selenium oxyanions ................................................. 58  3.4.3  Removal of selenium oxyanions by P. chrysosporium ................................................... 58  3.4.4  Production of Se0 by P. chrysosporium .......................................................................... 60  3.4.5  Potential applications ..................................................................................................... 60  3.5  References ........................................................................................................................... 61  CHAPTER 4 Removal of selenite from wastewater in a Phanerochaete chrysosporium pellet based  fungal bioreactor .......................................................................................................... 66  4.1  Introduction ......................................................................................................................... 68  4.2  Materials and methods ....................................................................................................... 69 4.2.1  Strain, medium composition and pre‐cultivation of fungal cultures ............................. 69  4.2.2  Bioreactor configuration and operating conditions ....................................................... 69  4.2.3  Analytical methods ......................................................................................................... 73  4.2.4  Statistical analysis........................................................................................................... 74  4.3  Results ................................................................................................................................. 74  4.3.1  Bioreactor operation in batch mode .............................................................................. 74  4.3.2  Continuous bioreactor operation at constant selenium concentrations ....................... 74  4.3.3  Bioreactor response to spikes of selenium concentration ............................................ 75  4.3.4  Evolution and growth of the fungal biomass ................................................................. 77  4.4  Discussion ............................................................................................................................ 77  4.4.1  Removal of selenite in a fungal pelleted bioreactor ...................................................... 77  4.4.2  Response of the system to selenium spikes ................................................................... 79  4.4.3  Fungal morphology in the bioreactor ............................................................................ 80  4.4.4  Operational advantages of fungal pelleted reactors ..................................................... 80  4.4.5  Longevity of reactor operation ...................................................................................... 81  4.5  Conclusions .......................................................................................................................... 82  4.6  References ........................................................................................................................... 82  CHAPTER  5  Sorption  of  zinc  onto  elemental  selenium  nanoparticles  immobilized  in  Phanerochaete chrysosporium pellets .......................................................................... 86  5.1  Introduction ......................................................................................................................... 88  5.2  Experimental ....................................................................................................................... 89  5.2.1  Biosorbent preparation .................................................................................................. 89  5.2.2  Biosorbent characterization ........................................................................................... 89  5.2.3  Batch adsorption experiments ....................................................................................... 90  5.2.4  Analytical methods ......................................................................................................... 90  5.3  Results ................................................................................................................................. 91  5.3.1  Characterization of biosorbent material ........................................................................ 91  5.3.2  Effects of operational parameters on sorption capacity of nSe0‐pellets ....................... 93 5.3.3  Sorption kinetics ............................................................................................................. 95  5.3.4  Adsorption isotherms ..................................................................................................... 96  5.4  Discussion ............................................................................................................................ 98  5.4.1  Sorption mechanisms of Zn onto nSe0 pellets ............................................................... 98  5.4.2  Effects of operational parameters on sorption capacity of nSe0‐pellets ....................... 99  5.4.3  Potential applications ................................................................................................... 101  5.4.4  Conclusions .................................................................................................................. 101  5.5  References ......................................................................................................................... 102  CHAPTER  6  Effect  of  selenite  on  the  morpholoy  and  respiratory  activity  of  Phanerochaete  chrysosporium biofilms .............................................................................................. 104  6.1  Introduction ....................................................................................................................... 106  6.2  Materials and methods ..................................................................................................... 107  6.2.1  Fungal strain and culturing conditions ......................................................................... 107  6.2.2  Biofilm growth and exposure experiments .................................................................. 107  6.2.3  Microsensor measurements ........................................................................................ 109  6.2.4  Biofilm sectioning and imaging .................................................................................... 110  6.2.5  Analytical methods ....................................................................................................... 111  6.3  Results ............................................................................................................................... 111  6.3.1  Influence of short‐term SeO 2‐ exposure on P. chrysosporium biofilm activity ........... 111  3 6.3.2  Influence of long‐term SeO 2‐ exposure on P. chrysosporium biofilm activity............. 114  3 6.4  Discussion .......................................................................................................................... 117  6.4.1  Inhibition of developed P. chrysosporium biofilms by SeO 2‐ ...................................... 117  3 6.4.2  Influence of SeO 2‐ on the physical and morphological properties of P. chrysosporium  3 biofilms ......................................................................................................................... 118  6.5  Conclusions ........................................................................................................................ 120  6.6  References ......................................................................................................................... 120