L'inquinamento microplastico è emerso come contaminante ambientale pervasivo, infiltrando ecosistemi acquatici, suolo e anche atmosfera. Gli impianti di trattamento delle acque reflue (WTP) sono un percorso importante per le microplastiche che entrano nell'ambiente e un potenziale punto di intervento. Tra le varie tecnologie di trattamento, il trucco dei filtri, un sistema classico basato su biofilm, sono fortemente legati a comunità microbiche robuste e diverse per dedurre gli inquinanti organici.

Fonti e caratteristiche di microplastiche in acque reflue

I microplastici sono definiti come particelle di plastica più piccole di 5 mm nella loro dimensione più lunga. Essi entrano nelle acque reflue da una vasta gamma di fonti, comprese le fibre tessili sintetiche da bucato, microperline da prodotti di cura personale (ora vietate in molte giurisdizioni ma ancora presenti in sistemi legacy), frammenti da degradazione di imballaggi in plastica e particelle di usura di pneumatici da rodaggio stradale.

La Comunità Microbiale dei Filtri di Trickling

I filtri di triturazione sono costituiti da un letto fisso di media (roccia, plastica o scorie) su cui si distribuisce l'acqua di scarico. Un biofilm complesso si sviluppa sulla superficie mediatica, composto da batteri, arcaea, funghi, protozoi e talvolta piccolo metazoafilm. Il biofilm è stratificato, con strati di aerobica vicino alla superficie e zone anossiche o anaerobiche più profonde all'interno.

Meccanismi di impatto microplastico sulle comunità di biofilm

Interferenza fisica e architettura del biofilm

Le particelle microplastiche possono incorporare fisicamente nella matrice del biofilm, alterandone la porosità e riducendo la diffusione di ossigeno e nutrienti a strati più profondi. Le fibre, in particolare, possono impigliarsi con EPS, portando a intasamento e sloughing. La presenza di particelle dure e non degradabili può anche aumentare lo stress della torsa, causando un distacco precoce del biofilm, soprattutto durante le sovratensioni idraulici.

Tossicità chimica e effetti di leachate

Molte particelle microplastiche legano sostanze chimiche additive tossiche ai microrganismi. Phthalates e bisfenolo A, ad esempio, hanno dimostrato di inibire la crescita e l'attività dei batteri nitrificanti, particolarmente sensibili ai contaminanti ambientali. Inoltre, le microplastiche sorbiscono e concentrano altri inquinanti dalle acque reflue, potenzialmente offrendo alte dosi locali di metalli pesanti o pesticidi alle cellule di biofilm.

Alterazione della struttura e della funzione della Comunità Microbiale

L'esposizione a microplastiche spesso comporta un declino della diversità microbica e un cambiamento verso la biofilm-formatura o la plastica-degrading taxa. Per esempio, alcuni studi hanno osservato un aumento della relativa abbondanza di Pseudomonas e ]Bacillus ] specie, che sono note per produrre EPS e degrada

Conseguenze per l'efficienza del trattamento

Rimozione della materia organica diminuita

La perdita di attività eterotrofica dovuta alla disgregazione del biofilm influisce direttamente sulla rimozione della domanda di ossigeno biochimico (BOD) e della domanda di ossigeno chimico (COD).

Nitrificazione e rimozione dell'Ammoniaca

I batteri nitrificanti sono lenti e sensibili ai tossicodipendenti, rendendoli obiettivi principali per lo stress associato a microplastica. I tassi di nitrificazione ridotti sono stati osservati sia nei reattori a biofilm su scala di laboratorio che nei filtri a induzione su larga scala, con concentrazioni di ammoniaca nell’efluente che aumentano fino al 40% in alcuni casi, compromettendo la capacità dell’impianto di soddisfare i permessi di scarico per l’azoto, costringendo gli operatori ad aumentare la compensazione chimica.

Aumento della produzione di fanghi e dei costi operativi

L'accumulo fisico di microplastiche nel letto filtrante può contribuire a intasamento, aumentando la frequenza di retrolavaggio e il consumo energetico.La destabilizzazione del biofilm porta anche a eventi di sloughing più frequenti, con conseguente maggiore carico di solidi ai chiarificatori secondari. L'effetto combinato è aumentato i costi operativi per la manutenzione, l'energia e la gestione dei fanghi. Inoltre, la presenza di microplastiche in biosolid limita il loro utile riutilizzo in agricoltura, ponendo una sfida di smaltimento.

Vettore per agenti patogeni e resistenza agli antibiotici

I microplastici possono fungere da substrati per la formazione di biofilm da batteri patogeni e servire come piattaforma per il trasferimento di geni orizzontali, compresi i geni di resistenza agli antibiotici. Questo può elevare il rischio di organismi antibiotici trasportanti, una crescente salute pubblica riguardante la mitigazione del trattamento delle acque reflue.

Strategie di Mitigazione e Gestione

Controllo delle sorgenti e pre-trattamento

La strategia più efficace è quella di ridurre gli input microplastici alla fonte. I regolamenti che vietano le microperline nei prodotti di risciacquo, promuovono l'abbigliamento naturale delle fibre, e migliorano la gestione delle acque di tempesta per le particelle di usura dei pneumatici sono essenziali.

Ottimizzazione dell'operazione di filtraggio di tricking

L'aumento della velocità di carico idraulico può aiutare a eliminare le particelle accumulate, ma deve essere bilanciato contro la ritenzione di biofilm. Migliorare il pretrattamento per ridurre il carico di solidi può ridurre al minimo il vincolo delle particelle. Inoltre, garantire livelli di ossigeno disciolti adeguati e l'equilibrio dei nutrienti può supportare la resilienza biofilm più sana.

Bioaugmentazione e Gestione Microbiale

La ricerca sta esplorando l'uso di ceppi microbici degradanti in plastica per il bioaugment che inganna i filtri, potenzialmente abbattendo i microplastici in sottoprodotti meno nocivi. Tuttavia, questo approccio è ancora nelle fasi iniziali e solleva domande sulla tossicità del sottoprodotto e gli impatti ecologici. Un altro viale è la selezione di comunità microbiche microplastiche tolleranti attraverso l'acclima controllato, anche se questo non può ripristinare la piena diversità funzionale.

Monitoraggio e sistemi di allarme precoce

Il monitoraggio regolare delle concentrazioni microplastiche influenti ed effluenti, combinato con indicatori di salute del biofilm (come il contenuto ATP, la respirazione o la profilazione metagemica), può aiutare gli operatori di impianti a rilevare i problemi in anticipo. I sensori in tempo reale per la torbidità o i conteggi delle particelle possono indirettamente segnalare l'accumulo di microplastiche.

Direttive e bisogni di ricerca

Nonostante la crescente consapevolezza, rimangono notevoli lacune di conoscenza. La maggior parte degli studi sono stati condotti in scala di laboratorio con alte concentrazioni di microplastiche che potrebbero non riflettere scenari reali. Studi di campo a lungo termine su diversi climi e composizioni di acque reflue sono necessari. Il ruolo delle nanoplastiche (particelle <1 μm) nelle scelte di filtro che ingannano le prestazioni è quasi del tutto inesplorato.

Conclusioni

L'inquinamento microplastico rappresenta una minaccia significativa e poco riconosciuta per i processi biologici che sorreggono il trattamento delle acque reflue nei filtri di induzione. Attraverso biofilm che interrompono fisicamente, forniscono sostanze chimiche tossiche e alterano la struttura della comunità microbica, i microplastici possono compromettere la rimozione di BOD e ammoniaca, aumentare i costi operativi e potenzialmente facilitare la diffusione della resistenza agli antibiotici.

Per ulteriori informazioni, vedere il ]La ricerca sulle microplastiche di EPA, una revisione completa su microplastici nel trattamento delle acque reflue, e un ] studio sulla risposta a microplastiche.