Applications de la bioréduction du sélénite et/ou de la tellurite par Phanerochaete chrysosporium

177 Pages·2017·20.56 MB·English

by  Erika Espinosa Ortiz

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￿
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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)
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© 2015, Erika Jimena Espinosa‐Ortiz 

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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