Selenium and zinc enriched bioproducts generated from wastewater as micronutrient feed supplements and biofertilizers

Abstract

This thesis aimed to explore the potential of Se/Zn-enriched bioproducts produced from wastewater treatment processes by eco-technologies (phytoextraction, bioreduction and microalgae-based systems) as Se/Zn feed supplements and biofertilizers. In the first part, two aquatic plants (Lemna and Azolla) with substantial protein content were applied to evaluate the possibility of Se and Zn bioaccumulation/removal from wastewater while producing micronutrient-enriched dietary proteins (for feed/food supplements) and biofertilizers. High transformation to organic Se forms and accumulation in plants after taking up Se(IV), together with the high protein content and fast growth rate, makes Lemna (also named duckweed later on) and Azolla good candidates for the production of Se- and Zn-enriched biomass, which can be used as crop fertilizers or protein-rich food/feed supplements or ingredients. The second and third parts, respectively, evaluated the valorization potential of the produced micronutrient-enriched duckweed as well as sludge generated in wastewater treatment processes containing single Se or Se combined with Zn as micronutrient biofertilizers. Micronutrient-enriched sludge dominated by the presence of Se in zero oxidation state (Se(0)) was found to be the preferred slow-release Se biofertilizer and an effective Se source to produce Se-enriched beans for Se-deficient populations, as compared to micronutrient-enriched duckweed. On the contrary, the Zn content in the seeds of beans was not successfully improved through the application of micronutrient-enriched biofertilizers in comparison with the control. This could be attributed to the lower Zn amount applied into soils as Se/Zn-enriched biomaterials. The following experiment explored the potential of Se removal in high rate algae ponds (HRAPs) treating domestic wastewater, while producing high-value Se-enriched biomass. Results indicated that the wastewater treatment performance of the HRAPs was effective. The produced Se-enriched microalgae in HRAPs fed with domestic wastewater contained a high content of crude protein (48% of volatile suspended solids), the selenoamino acid selenomethionine (SeMet) (91% of total Se), and the essential amino acid. The production of Se-enriched microalgae in HRAPs may offer a promising alternative for upgrading low-value recovered resources into high-value feed supplements. The last experiment aimed to evaluate the Se-enriched microalgae generated in the previous experiment as a potential biostimulant to enhance plant growth and as a Se biofertilizer to improve the Se content of plants. This study demonstrated that the application of raw Se-enriched microalgae biomass to soil (1-10%, soil application) and its extracts to leaves (1%, foliar spray) enhanced plant growth, which confirmed that Se-enriched microalgae acts as a biostimulant. Besides, a higher Se content in the plant was achieved after the application of Se-enriched microalgae or extracts thereof. This indicated that Se-enriched microalgae can be valorized as a biostimulant and biofertilizer to improve both the seed yields and Se content of beans, leading to a higher market value of the beans. This thesis contributes to offering an environmentally friendly and sustainable way for micronutrient biofortification/ supplementation in Se/Zn-deficient areas, while recovering nutrients from wastewater.

El objetivo de esta tesis fue explorar el potencial de los bioproductos enriquecidos con Se/Zn, producidos a partir del tratamiento de aguasresiduales mediante eco-tecnologías (fitoextracción, biorreducción y sistemas basados en microalgas) como complementos alimenticios y biofertilizantes enriquecidos en Se/Zn. En el primer parte, utilizaron dos plantas acuáticas (Lemna y Azolla) con un contenido sustancial de proteínas para evaluar la bioacumulación/eliminación de Se y Zn del aguaresidual, a la vez que se producían proteínas enriquecidas con micronutrientes (para piensos/complementos alimenticios). La alta transformación a formas orgánicas de Se y la acumulación en las plantas después de absorber Se(IV), junto con el alto contenido de proteínas y la rápida tasa de crecimiento, hacen que Lemna (también llamada lenteja de agua en adelante) y Azolla sean buenas candidatas para la producción de biomasa enriquecida con Se y Zn, que se puede utilizar como biofertilizante para cultivos o como suplemento alimenticio/pienso rico en proteínas. La segundo y tercer partes evaluaó el potencial de valorización de la lenteja de agua, así como de los lodos de depuradora, con Se simple o Se combinado con Zn, como biofertilizantes de micronutrientes. El lodo enriquecido con micronutrientes, con Se en estado de oxidación cero (Se (0)), resultó ser el biofertilizante de Se de liberación lenta más adecuado, siendo una fuente de Se eficaz para producir habas enriquecidas en Se para poblaciones deficientes en Se. Por el contrario, el contenido de Zn en las semillas de judía verde no se mejoró mediante la aplicación de biofertilizantes enriquecidos con micronutrientes en comparación con el control. Esto podría atribuirse a la menor cantidad de Zn aplicada al suelo como biofertilizante enriquecido en Se/Zn. El siguiente experimento investigó el potencial de eliminación de Se en lagunas de alta carga (HRAP por sus siglas en inglés) para el tratamiento de aguas residuales domésticas, y la producción de biomasa microalgal enriquecida con Se. Los resultados indicaron un tratamiento eficaz de las aguas residuales en las HRAP. Las microalgas enriquecidas con Se producidas en las HRAP alimentadas con agua residual doméstica contenían un alto contenido de proteína cruda (48% de sólidos volátiles en suspensión) y el selenoaminoácido SeMet (selenometionina) (91% del Se total), y aminoácidos esenciales. La producción de microalgas enriquecidas en Se en HRAP se presenta como una alternativa prometedora para recuperar recursos de bajo valor y convertirlos en suplementos alimenticios de alto valor. El ultimo experimento tuvo por objetivo evaluar las microalgas enriquecidas en Se generadas en el experimento anterior como bioestimulante para mejorar el crecimiento de las plantas y como biofertilizante de Se para mejorar el contenido de Se de las plantas. Este estudio mostró que la aplicación de biomasa de microalgas enriquecidas con Se al suelo (1-10%) y sus extractos a las hojas (1%, aspersión foliar) mejoró el crecimiento de las plantas, lo que confirmó que las microalgas enriquecidas con Se actúan como un bioestimulante. Además, se logró incrementar el contenido de Se en la planta tras la aplicación de microalgas enriquecidas con Se y de extractos de las mismas. Esto indica que las microalgas enriquecidas con Se, cultivadas mediante el tratamiento de aguas residuales, se pueden valorizar como bioestimulante y biofertilizante para mejorar tanto el rendimiento de semillas como el contenido de Se de las habas, incrementando el valor de mercado de las mismas. Esta tesis contribuye al desarrollo sostenible y respetuoso con el medio ambiente de la biofortificación/suplementación de micronutrientes en áreas deficientes en Se/Zn, junto con la recuperación de nutrientes de las aguasresiduales

Selenium (Se) is een essentiëel micronutriënt voor mens en dier met een nauw bereik tussen deficiëntie en toxiciteit. De inname van Se via de voeding van mens en dier is in sommige regio's niet voldoende. Anderzijds komt Se-toxiciteit ook wereldwijd veel voor als gevolg van water- of bodemverontreiniging, aangezien Se veel wordt toegepast in of vrijkomt bij industriële en agrarische activiteiten. Het sporenelement zink (Zn) komt ook vaak in te lage concentraties voor in landbouwbodems, maar is bij verhoogde concentraties giftig. Verbetering van de dieetopname van Se en Zn door verrijking van voedsel- en voedergewassen, biofortificatie, wordt momenteel onderzocht als een mogelijke oplossing voor Se- en Zn-deficiëntie. Suppletie van voeder en voedingsmiddelen met Se en Zn is een andere oplossing. Bij biofortificatie kan de toepassing van conventionele chemische Se/Zn-meststoffen om het Se/Zn-gehalte in gewassen te verhogen, leiden tot secundaire bodem- en waterverontreiniging vanwege de lage benuttingsgraad van Se/Zn en de snelle uitspoeling. Se/Zn-verrijkte meststoffen met vertraagde afgifte kunnen daarom nuttig zijn. Bovendien wordt het gebruik van Se/Zn afkomstig uit de primaire mijnbouw voor de productie van met Se/Zn verrijkte diervoeders en voedingssupplementen niet als economisch en milieuvriendelijk beschouwd, rekening houdend met het feit dat extern Se/Zn wordt gebruikt en de overtollige chemicaliën momenteel als afval worden geloosd. Het kan dus vanuit economisch en ecologisch oogpunt voordelig zijn om Se/Zn-verrijkte biomeststoffen met vertraagde afgifte of Se/Zn-verrijkte voedingssupplementen lokaal te produceren uit Se/Zn-houdende afvalwaters, terwijl het afvalwater gereinigd wordt. Dit kan bijdragen aan het wereldwijde streven naar terugwinning van hulpbronnen en circulaire economie. Daarom was dit proefschrift gericht op het onderzoeken van het potentieel van Se/Zn-verrijkte bioproducten, geproduceerd uit afvalwaterbehandelingsprocessen door middel van eco-technologieën (fyto-extractie, bioreductie en op microalgen gebaseerde methoden), als Se/Zn-voedingssupplementen en biofertilizers. Hoofdstuk 1 en Hoofdstuk 2 geven de motivatie, doelstellingen en achtergrondinformatie over het voorkomen van Se en Zn in de voeding van mensen en dier en hun deficiëntie en toxiciteit voor mens en dier. Huidige studies met betrekking tot de biofortificatie van micronutriënten en de productie van Se- en Zn- supplementen om het tekort aan micronutriënten aan te pakken, worden besproken. Dit wordt gevolgd door een discussie over de paradigmaverschuiving van afvalverwerking naar terugwinning van hulpbronnen, waarbij het potentieel van biogebaseerde technologieën voor het terugwinnen van micronutriënten uit afvalwater wordt belicht, terwijl met micronutriënten verrijkte voeder-/voedingssupplementen en biomeststoffen worden geproduceerd. Omdat Se het element zwavel in aminozuren kan vervangen en Zn ook kan worden gecomplexeerd door functionele groepen in eiwitten, hebben eiwitrijke planten een enorm potentieel voor de bioaccumulatie/biofortificatie van deze micronutriënten. Zo werden in Hoofdstuk 3 twee waterplanten, Lemna en Azolla, met een substantieel eiwitgehalte, gebruikt om de mogelijkheid van bioaccumulatie/verwijdering van Se en Zn uit afvalwater te evalueren tijdens de productie van met micronutriënten verrijkte voedingseiwitten (voor voeder-/voedingssupplementen) en biomeststoffen. Nutriënten-medium verrijkt met verschillende concentraties Se en Zn werd gebruikt om afvalwater na te bootsen. De resultaten van Hoofdstuk 3 toonden aan dat zowel Lemna als Azolla hoge niveaus van Se en Zn kunnen accumuleren, terwijl ze ongeveer 10 keer meer Se(IV) dan Se(VI) uit het medium opnemen. Bovendien maakt de hoge transformatie naar organische Se-vormen en hoge Se accumulatie in planten na het opnemen van Se(IV), samen met het hoge eiwitgehalte en de snelle groeisnelheid, Lemna (later eendenkroos genoemd) en Azolla goede kandidaten voor de productie van Se- en Zn-verrijkte biomassa, die kan worden gebruikt als gewasbemesting of als eiwitrijk voeder-/voedingssupplementen. Gezien een synergetisch effect tussen Se en Zn in Lemna, maar een antagonistisch effect in Azolla werd waargenomen in Hoofdstuk 3, werd Lemna verrijkt met Se/Zn geselecteerd voor de daaropvolgende experimenten in Hoofdstuk 4 en Hoofdstuk 5. Vervolgens hebben respectievelijk Hoofdstuk 4 en Hoofdstuk 5 het valorisatiepotentieel geëvalueerd van het geproduceerde eendenkroos en slib dat wordt gegenereerd in afvalwaterzuiveringsprocessen die enkelvoudig Se of Se gecombineerd met Zn bevatten als micronutriënten biomeststoffen. Dit werd uitgevoerd in potproeven met sperziebonen (Phaseolus vulgaris). Met micronutriënten verrijkt slib, gedomineerd door de aanwezigheid van Se in oxidatietoestand nul (Se (0)), bleek de preferentiële Se-biomeststof met langzame afgifte en een effectieve Se-bron te zijn om Se-verrijkte gewassen te produceren voor Se-deficiënte populaties. Dit werd Ruwe Se-verrijkte microalgenbiomassa en extracten daarvan werden toegepast bij de productie van sperziebonen (Phaseolus vulgaris) via bodem- en bladtoepassing. Deze studie toonde aan dat de toepassing van ruwe Se-verrijkte microalgenbiomassa op de bodem (1-10%, bodemtoepassing) en de extracten ervan op bladeren (1%, bladspray) de plantengroei verbeterde, wat bevestigde dat met Se verrijkte microalgen werken als een biostimulant. Bovendien werd een hoger Se-gehalte in de plant en bodem (voor bodemtoepassing) bereikt na het aanbrengen van met Se verrijkte microalgen of extracten daarvan. Dit gaf aan dat Se-verrijkte microalgen die tijdens de afvalwaterzuivering worden gekweekt, kunnen worden gevaloriseerd als biostimulant en biomeststof om de opbrengst van zaden en het Se-gehalte van bonen samen te verbeteren, wat leidt tot een hogere marktwaarde van de bonen. Hoofdstuk 8 concludeert en bediscussieert de belangrijkste bevindingen van dit proefschrift. Het benadrukt ook de beperkingen van het onderzoek. Dit proefschrift draagt bij aan de ontwikkeling van een milieuvriendelijke en duurzame manier voor biofortificatie en supplementatie van micronutriënten in Se/Zn-deficiënte gebieden, terwijl nutriënten worden teruggewonnen uit afvalwater.