Allochthonous and Autochthonous Halothermotolerant Bioanodes From Hypersaline Sediment and Textile Wastewater: A Promising Microbial Electrochemical Process for Energy Recovery Coupled With Real Textile Wastewater Treatment

The textile and clothing industry is the first manufacture sector in Tunisia in terms of employment and number of enterprises. It generates large volumes of textile dyeing wastewater (TDWW) containing high concentrations of saline, alkaline, and recalcitrant pollutants that could fuel tenacious and resilient electrochemically active microorganisms in bioanodes of bioelectrochemical systems. In this study, a designed hybrid bacterial halothermotolerant bioanode incorporating indigenous and exogenous bacteria from both hypersaline sediment of Chott El Djerid (HSCE) and TDWW is proposed for simultaneous treatment of real TDWW and anodic current generation under high salinity. For the proposed halothermotolerant bioanodes, electrical current production, chemical oxygen demand (COD) removal efficiency, and bacterial community dynamics were monitored. All the experiments of halothermotolerant bioanode formation have been conducted on 6 cm2 carbon felt electrodes polarized at −0.1 V/SCE and inoculated with 80% of TDWW and 20% of HSCE for 17 days at 45°C. A reproducible current production of about 12.5 ± 0.2 A/m2 and a total of 91 ± 3% of COD removal efficiency were experimentally validated. Metagenomic analysis demonstrated significant differences in bacterial diversity mainly at species level between anodic biofilms incorporating allochthonous and autochthonous bacteria and anodic biofilm containing only autochthonous bacteria as a control. Therefore, we concluded that these results provide for the first time a new noteworthy alternative for achieving treatment and recover energy, in the form of a high electric current, from real saline TDWW

Valorisation des extrêmophiles dans le traitement des effluents salins et la production d'énergie par des systèmes bioélectrochimiques microbiens

The textile industry generates large amounts of wastewater containing up to 80 g/L of NaCl and high concentrations of synthetic dyes. Azo dyes, which are toxic and persistent chemicals, are widely used in textile manufacturing. When discharged into water bodies, these dyes pose a significant threat to aquatic ecosystems and can also have implications for human health. To address this issue, several conventional physico-chemical methods have been implemented. However, these methods are not widely adopted primarily due to their high cost, the secondary pollution they generate, and their high energy consumption. Other anaerobic biological treatments have also been explored, but they often involve long decomposition periods with incomplete degradation. Additionally, exposure of microorganism cells to highly concentrated salt solutions can lead to significant water loss through osmosis, resulting in dehydration and potential cell death.The main objective of this thesis is to combine two methods, biological and electrochemical, within a single unit called a bioelectrochemical system (BES) to treat saline textile wastewater loaded with refractory azo dyes while generating energy in the form of electricity. This BES is distinguished by the use of halothermophilic electroactive bacteria from extreme Tunisian environments, which form bioanodes capable of tolerating saline stress. Parameters affecting the performance of the BES have been optimized, including the inoculum source, the presence of a co-substrate and its concentration, the electrode material and surface, and the applied potential to the working electrode. These optimizations were initially carried out using synthetic wastewater before being validated with real industrial wastewater. The obtained bioanodes were subject to comparative analysis using electrochemical, microscopic, analytical, and molecular tools. Additionally, reaction media were also examined using analytical and molecular tools.With synthetic wastewater, a maximum current density of 5.2 A/m2, a decolorization rate of 100 %, and a COD removal rate of 96 % were achieved. Moreover, with real wastewater, a maximum current density of 5.2 A/m2 was observed simultaneously with a decolorization rate of 93 % and a COD removal rate of 70 %. Thus, for the first time, the bacterial species Orenia metallireducens was identified in different matrices of the BES fueled with synthetic wastewater. This discovery suggests promising prospects for the degradation of azo dyes.L’industrie textile génère de grandes quantités d'eaux usées contenant jusqu'à 80 g/L de NaCl et de fortes concentrations de colorants synthétiques. Les colorants azoïques, qui sont des produits chimiques toxiques et persistants, sont les plus largement utilisés dans la fabrication des textiles. Lorsqu'ils sont déversés dans les plans d'eau, ces colorants peuvent poser une menace significative pour les écosystèmes aquatiques, pouvant également avoir des répercussions sur la santé humaine. Pour remédier à cette problématique, plusieurs méthodes physico-chimiques conventionnelles ont été mises en œuvre. Ces méthodes ne sont pas largement adoptées principalement en raison de leur coût élevé, de la pollution secondaire qu’ils génèrent et de leur forte consommation d'énergie. D'autres traitements biologiques anaérobies ont été également explorées. Ces méthodes prennent de longues périodes de décomposition avec une dégradation souvent incomplète. De plus, si les cellules des microorganismes sont exposées à une solution très concentrée en sel, le phénomène d’osmose peut entraîner une perte d'eau intracellulaire significative, conduisant à la déshydratation et éventuellement à la mort cellulaire.L’objectif principal de cette thèse est de coupler deux méthodes biologique et électrochimique au sein d'une seule unité appelée système bioélectrochimique (SBE) en vue de traiter des eaux usées textiles salines chargées en colorants azoïques récalcitrants, tout en générant de l'énergie sous forme d'électricité. Ce SBE se distingue par l'utilisation de bactéries électroactives halothermophiles provenant des environnements extrêmes tunisiens, lesquelles forment des bioanodes capables de tolérer le stress salin. Les paramètres impactant les performances du SBE ont été optimisés, notamment la source d'inoculum, la présence d’un co-substrat et sa concentration, le matériau de l'électrode ainsi que sa surface et le potentiel appliqué à l'électrode de travail. Ces optimisations ont été réalisées initialement à partir d’eaux usées synthétiques avant d'être validées avec des eaux usées industrielles réelles. Les bioanodes obtenues ont fait l'objet d'une analyse comparative à l'aide d'outils électrochimiques, microscopiques, analytiques et moléculaires. En complément, les milieux réactionnels ont également été examinés à l'aide d'outils analytiques et moléculaires.Avec des eaux usées synthétiques, une densité de courant maximale de 5,2 A/m2, un taux de décoloration de 100 % et un taux d’élimination de la DCO de 96 % ont été obtenus. Par ailleurs, avec les eaux usées réelles, la même densité de courant maximal 5,2 A/m2 a été observée simultanément avec un taux de décoloration de 93 % et un taux d’abattement de la DCO de 70 %. Ainsi, pour la première fois, l’espèce bactérienne Orenia metallireducens a été identifiée dans les différentes matrices du SBE alimenté avec des eaux usées synthétiques. Cette découverte suggère des perspectives prometteuses pour la dégradation des colorants azoïques

Valorisation of extremophiles in the treatment of salt effluents and energy production by microbial bioelectrochemical systems

L’industrie textile génère de grandes quantités d'eaux usées contenant jusqu'à 80 g/L de NaCl et de fortes concentrations de colorants synthétiques. Les colorants azoïques, qui sont des produits chimiques toxiques et persistants, sont les plus largement utilisés dans la fabrication des textiles. Lorsqu'ils sont déversés dans les plans d'eau, ces colorants peuvent poser une menace significative pour les écosystèmes aquatiques, pouvant également avoir des répercussions sur la santé humaine. Pour remédier à cette problématique, plusieurs méthodes physico-chimiques conventionnelles ont été mises en œuvre. Ces méthodes ne sont pas largement adoptées principalement en raison de leur coût élevé, de la pollution secondaire qu’ils génèrent et de leur forte consommation d'énergie. D'autres traitements biologiques anaérobies ont été également explorées. Ces méthodes prennent de longues périodes de décomposition avec une dégradation souvent incomplète. De plus, si les cellules des microorganismes sont exposées à une solution très concentrée en sel, le phénomène d’osmose peut entraîner une perte d'eau intracellulaire significative, conduisant à la déshydratation et éventuellement à la mort cellulaire.L’objectif principal de cette thèse est de coupler deux méthodes biologique et électrochimique au sein d'une seule unité appelée système bioélectrochimique (SBE) en vue de traiter des eaux usées textiles salines chargées en colorants azoïques récalcitrants, tout en générant de l'énergie sous forme d'électricité. Ce SBE se distingue par l'utilisation de bactéries électroactives halothermophiles provenant des environnements extrêmes tunisiens, lesquelles forment des bioanodes capables de tolérer le stress salin. Les paramètres impactant les performances du SBE ont été optimisés, notamment la source d'inoculum, la présence d’un co-substrat et sa concentration, le matériau de l'électrode ainsi que sa surface et le potentiel appliqué à l'électrode de travail. Ces optimisations ont été réalisées initialement à partir d’eaux usées synthétiques avant d'être validées avec des eaux usées industrielles réelles. Les bioanodes obtenues ont fait l'objet d'une analyse comparative à l'aide d'outils électrochimiques, microscopiques, analytiques et moléculaires. En complément, les milieux réactionnels ont également été examinés à l'aide d'outils analytiques et moléculaires.Avec des eaux usées synthétiques, une densité de courant maximale de 5,2 A/m2, un taux de décoloration de 100 % et un taux d’élimination de la DCO de 96 % ont été obtenus. Par ailleurs, avec les eaux usées réelles, la même densité de courant maximal 5,2 A/m2 a été observée simultanément avec un taux de décoloration de 93 % et un taux d’abattement de la DCO de 70 %. Ainsi, pour la première fois, l’espèce bactérienne Orenia metallireducens a été identifiée dans les différentes matrices du SBE alimenté avec des eaux usées synthétiques. Cette découverte suggère des perspectives prometteuses pour la dégradation des colorants azoïques.The textile industry generates large amounts of wastewater containing up to 80 g/L of NaCl and high concentrations of synthetic dyes. Azo dyes, which are toxic and persistent chemicals, are widely used in textile manufacturing. When discharged into water bodies, these dyes pose a significant threat to aquatic ecosystems and can also have implications for human health. To address this issue, several conventional physico-chemical methods have been implemented. However, these methods are not widely adopted primarily due to their high cost, the secondary pollution they generate, and their high energy consumption. Other anaerobic biological treatments have also been explored, but they often involve long decomposition periods with incomplete degradation. Additionally, exposure of microorganism cells to highly concentrated salt solutions can lead to significant water loss through osmosis, resulting in dehydration and potential cell death.The main objective of this thesis is to combine two methods, biological and electrochemical, within a single unit called a bioelectrochemical system (BES) to treat saline textile wastewater loaded with refractory azo dyes while generating energy in the form of electricity. This BES is distinguished by the use of halothermophilic electroactive bacteria from extreme Tunisian environments, which form bioanodes capable of tolerating saline stress. Parameters affecting the performance of the BES have been optimized, including the inoculum source, the presence of a co-substrate and its concentration, the electrode material and surface, and the applied potential to the working electrode. These optimizations were initially carried out using synthetic wastewater before being validated with real industrial wastewater. The obtained bioanodes were subject to comparative analysis using electrochemical, microscopic, analytical, and molecular tools. Additionally, reaction media were also examined using analytical and molecular tools.With synthetic wastewater, a maximum current density of 5.2 A/m2, a decolorization rate of 100 %, and a COD removal rate of 96 % were achieved. Moreover, with real wastewater, a maximum current density of 5.2 A/m2 was observed simultaneously with a decolorization rate of 93 % and a COD removal rate of 70 %. Thus, for the first time, the bacterial species Orenia metallireducens was identified in different matrices of the BES fueled with synthetic wastewater. This discovery suggests promising prospects for the degradation of azo dyes

Saline Sediments as a Suitable Source for Halophilic Inoculums to Degrade Azo Dyes in Synthetic and Real Textile Wastewaters by Microbial Electrochemical Systems

The treatment of textile wastewater (TWW) loaded with recalcitrant azo dyes in bioelectrochemical systems (BES) rather than in physicochemical processes is a low-cost and environmentally friendly process. The main objective of this study is to investigate the potential of different saline sediments collected from extreme Tunisian environments for the formation of bioanodes capable ofsimultaneous azo dyes degradation and electric current generation in synthetic (STWW) and real textile wastewaters (RTWW) characterized by a varied composition of azo dyes and a high salinity. The obtained bioanodes and anolytes were studied comparatively by electrochemical, microscopic, analytical, and molecular tools.Based on the UV–visible spectra analysis, the breakdown of the azo bond was confirmed. With RTWW, the BES achieved a chemical oxygen demand (COD) abatement rate of 85%with a current density of 2.5 A/m2. Microbial community analysis indicated that a diverse community of bacteria was active for effluent treatment coupled with energy production. At the phylum level, the electrodes were primarily colonized by proteobacteria and firmicutes, which are the two phyla most involved in bioremediation. The analysis of the microbial community also showed the abundance of Marinobacter hydrocarbonoclasticus and Marinobacter sp. species characterized by their high metabolic capacity, tolerance to extremophilic conditions, and role in hydrocarbon degradation