Escuela de Doctorado

 
Tesis Doctorales de la Universidad Pablo de Olavide a partir de 2025/26
Bio-based technologies for metal recovery and water reuse from organic waste
Autor/aSOTO, AILEN MARIA FLORENCIA
Director/aGONZÁLEZ FERMOSO, FERNANDO
Codirector/aVAN HULLEBUSCH, ERIC
Fecha de depósito20-02-2026
Periodo de exposición pública21 de febrero a 6 de marzo de 2026
Fecha de defensa08-05-2026 - Sala de tesis del edificio 45 a las 09:30 horas
ModalidadPresencial
ProgramaPrograma de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología Química (RD 99/2011)
Mención internacionalNo
ResumenEl agotamiento de recursos minerales, la escasez de agua y la creciente generación de residuos son desafíos globales que demandan el desarrollo de tecnologías capaces de recuperar recursos valiosos de residuos orgánicos. Esta tesis investigó un esquema integrado de tecnologías de base biológica para la eliminación de metales y la recuperación de agua de residuos orgánicos tratados y derivados de la digestión anaerobia, apoyando los principios de la economía circular. Se evaluaron y optimizaron en laboratorio la biolixiviación anaerobia por fermentación, la precipitación de carbonatos inducida por microorganismos y humedales construidos de flujo vertical subsuperficial.

En este trabajo, la solubilización de metales de estiércol porcino mediante fermentación anaerobia se estudió por primera vez demostrando su potencial. Reactores semicontinuos operados a tiempos de retención hidráulica de 5–15 días y tasas de carga orgánica de 3-8 g SV L⁻¹ d⁻¹ mostraron que la degradación de la materia orgánica fue el principal mecanismo de movilización, alcanzando solubilidades iguales o superiores a la lixiviación química a pH equivalente. Sin embargo, la metanogénesis persistió en todas las condiciones, evidenciando la necesidad de adaptar el inóculo o inhibir selectivamente a los metanógenos. El modelado geoquímico reveló que bajas concentraciones de sulfuro (≤ 7 mg L⁻¹) favorecieron la precipitación de metales, por lo que su control es crítico para mejorar el rendimiento.

La viabilidad de la precipitación de carbonatos inducida por la bacteria Sporosarcina pasteurii para eliminar Cu y Zn de medios ricos en ácidos grasos volátiles se demostró por primera vez en esta tesis utilizando soluciones sintéticas representativas de biolixiviados de fermentación anaerobia. S. pasteurii permitió eliminar (22–100%) de Cu y Zn en el rango de pH 5–7, sin embargo, los ácidos grasos volátiles redujeron significativamente las eficiencias de eliminación de metales y las tasas de hidrólisis de urea. La formación de complejos solubles Cu–NH₃ y Zn–NH₃ derivada de la hidrólisis de urea limitó aún más la precipitación de metales. Los mecanismos dominantes de eliminación de Cu y Zn fueron la precipitación de carbonatos impulsada por la hidrólisis de urea y la biosorción sobre paredes celulares bacterianas cargadas negativamente.

Los humedales construidos de flujo vertical subsuperficial mejoraron la calidad del digestato líquido para riego de cultivos. Un tiempo de retención hidráulica de 2 días proporcionó un equilibrio óptimo entre la eliminación de contaminantes y la preservación de nutrientes, logrando eficiencias de eliminación del 81% de materia orgánica, 94% de NH₄⁺, 60% de NO₃⁻, 99% de PO₄³⁻, >86% de metales y 65–92% de indicadores fecales. El riego a corto plazo de Lactuca sativa con efluente de humedales construidos incrementó la germinación y la producción de biomasa respecto al digestato sin tratar o a la solución nutritiva sintética. Las propiedades fisicoquímicas del sustrato, la α-diversidad microbiana y los principales grupos taxonómicos dominantes en los sustratos no se vieron afectadas por el agua de riego.

Esta tesis demuestra la viabilidad de combinar la biolixiviación por fermentación anaerobia, la precipitación inducida por microorganismos y los humedales construidos como un sistema integrado y sostenible para la recuperación de metales y la reutilización de digestatos. Futuros trabajos deberían centrarse en demostraciones a escala piloto que integren estas tecnologías y evalúen su viabilidad tecno-económica y sus impactos ambientales a largo plazo. Este enfoque contribuye al desarrollo de estrategias circulares de base biológica capaces de transformar residuos orgánicos ricos en metales en recursos para una agricultutura sostenible.