[en] Tannins are polyphenolic compounds produced by plants that are used in the vegetable tanning of leather at an industrial scale. Tannins differ from most other natural phenols since they precipitate proteins and are used in the tanning process to bind to the collagen proteins of the animal skin to make leather more durable and not putrescible. Tannins represent one of the low-biodegradability substances in tannery wastewaters with a highly recalcitrant soluble chemical oxygen demand; moreover, at high concentrations they can inhibit biological treatment. This soluble recalcitrant fraction of tannery effluents is usually removed by means of chemical processes. Therefore, a biological treatment that could remove effectively this fraction would have both environmental and economic advantages. Despite the antimicrobial properties of tannins, there are organisms that are able to grow on them; in fact their biodegradation in the environment is mainly associated with fungi rather than bacteria. Fungi could thus be exploited for the bioremediation of wastewater streams of the tanning industry. However, in environmental biotechnology applications, fungi tend to be outcompeted by bacteria. The application of a fungal-based bioreactor, that has a similar performance under sterile and non-sterile conditions in long-term operations, is still a challenging task. The present thesis was aimed at developing and testing technologies to remove tannins with an engineered ecosystem based on fungi and bacteria for application in typical tannery wastewater treatment trains (non-sterile conditions). Aspergillus tubingensis MUT 990 was selected as a suitable fungal strain. Literature research and previous experiences were used to design and build lab-scale (4 litres volume) and pilot-scale (1.5 m3 volume) reactors. The selected fungal strain was immobilised in polyurethane foam cubes carriers and inoculated in a novel rotating, submerged, packed bed reactor. The first test in bioreactors was carried out to evaluate the effect of rotation and the co-substrate addition on tannin removal. The second test in bioreactors was carried out in two submerged packed bed reactors run in parallel, the first one was fed with a condensed tannin (Quebracho tannin), and the second with hydrolysable tannin (Tara tannin), both were inoculated with Aspergillus tubingensis in attached form. The hydraulic retention time and the concentration of tannins in the medium were varied to maximise the removal capacity and to analyse the substrate inhibition. A stable biofilm was maintained in the first reactor during the 180 days of operation. On the other hand, in the second reactor there was a biomass detachment during the start-up and then grown as a suspended culture throughout the operational period (226 days). Soluble chemical oxygen demand removal up to 53% and 90% were achieved in the first and second bioreactor, respectively, without the addition of co-substrates. The microbial communities of the reactors, made up of fungi and bacteria, were characterised with a metagenomic analysis. In addition, an innovative technique, the heterogeneous respirometry, was applied to assess the biological activity of immobilised cells (biofilm). The data obtained were used to develop a mathematical model and to perform a kinetic and stoichiometric characterisation of the biomass. Since fungal biomass is poorly characterised with modelling and respirometry, dedicated experiments were set-up along with a respirometric procedure. The lab-scale results were used to design a pilot-scale reactor. Finally, after a start-up phase the pilot-scale reactor was fed with real tannin-rich wastewater collected from tanneries. At the end of the experimentation the biofilm was stable and an encouraging performance had been achieved. We believe the results obtained represent the first step for a future real-scale application to reach an efficient biological removal of tannins from tannery wastewater.

[es] Los taninos son compuestos polifenólicos producidos por plantas que se utilizan en el curtido vegetal. Los taninos se diferencian de la mayoría de los fenoles naturales porque precipitan las proteínas y se usan en el proceso del curtido para unirse a las proteínas del colágeno de la piel del animal para hacer que el cuero sea más duradero. Representan una de las sustancias de baja biodegradabilidad en las aguas residuales de la curtiduría con una alta y recalcitrante demanda química de oxígeno soluble. Además en grandes concentraciones, dichos taninos pueden inhibir el tratamiento biológico. Este fragmento soluble y inflexible de los efluentes de las curtiduría generalmente se elimina mediante procesos químicos. Por tanto, un tratamiento biológico que pudiera eliminarlos eficazmente, tendría ventajas tanto ambientales como económicas. Los hongos podrían ser utilizados para el tratamiento de aguas residuales de la industria del curtido. La aplicación de un bioreactor a base de hongos que tenga un rendimiento similar en condiciones estériles y no estériles en operaciones de largo plazo sigue siendo una tarea desafiante. La presente tesis se ha centrado en desarrollar y probar técnicas para eliminar los taninos con un ecosistema diseñado a base de hongos y bacterias para su aplicación en trenes típicos de tratamiento de aguas residuales en las curtidurías. El Aspergillus tubingensis MUT 990 fue seleccionado como la cepa fúngica adecuada. La investigación bibliográfica y las experiencia previa se utilizó para diseñar y construir reactores a escala de laboratorio (4 litros) y piloto (1.5 m3). La cepa fúngica se inmovilizó en portadores cúbicos y se inoculó en un nuevo reactor giratorio de lecho sumergido. La primera prueba en bioreactores se llevó a cabo para evaluar el efecto de la rotación y la adición del co-sustrato en la eliminación de los taninos. La segunda prueba se realizó de forma paralela en dos reactores de lecho sumergido fijo; el primero se alimentó con un tanino condensado (Quebracho) y el segundo con un tanino hidrolizable (Tara). Ambos se inocularon con el Aspergillus tubingensis. El tiempo de retención hidráulico y la concentración de taninos en el medio se fueron variando para maximizar la capacidad de eliminación y para analizar la inhibición del sustrato. Se mantuvo estable una biopelícula en el primer reactor durante 180 días de operación. Por otro lado, en el segundo reactor hubo un desprendimiento de biomasa durante la puesta en marcha y luego creció como un cultivo suspendido durante el período operativo (226 días). La eliminación de la demanda de oxígeno soluble fue hasta del 53% y del 90% y se logró en el primer y en el segundo bioreactor respectivamente sin la adición de co-sustratos. Las comunidades microbianas de los reactores formadas por hongos y bacterias se caracterizaron con un análisis de ADN. Además se aplicó la respirometría heterogénea, para evaluar la actividad biológica de la biopelícula. Los datos obtenidos se utilizaron para desarrollar un modelo matemático y realizar una caracterización cinética y estequiométrica de la biomasa. Se establecieron experimentos específicos junto con un procedimiento respirométrico para la biomasa fúngica. Los resultados a escala de laboratorio se utilizaron para diseñar un reactor a escala piloto. Finalmente, después de una fase de puesta en marcha, el reactor a escala piloto se alimentó con aguas residuales ricas en taninos recolectadas en las curtiembres. Al final del experimento, la biopelícula era estable y se había logrado un desempeño alentador. Creemos que los resultados obtenidos representan el primer paso para una futura aplicación a escala real y lograr eficientemente la eliminación biológica de los taninos en las aguas residuales de las curtidurías.