title: Απομάκρυνση μικροοργανισμών και γονιδίων ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά κατά την επεξεργασία αστικών αποβλήτων σε πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιοτόπων
title: Removal of microorganisms and antibiotic resistance genes during treatment of municipal wastewater treatment by means of pilot scale constructed wetlands
Creators: name: Σταυρουλακης Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκαν τρεις πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων όσον αφορά στη βιολογική επεξεργασία αστικών λυμάτων και την απομάκρυνση του μικροβιακού φορτίου και των γονιδίων ανθεκτικότητας. Οι μονάδες αυτές βρίσκονται στο Πολυτεχνείο Κρήτης και τα αστικά λύματα που τις τροφοδοτούν  προέρχονται από την έξοδο της πρωτοβάθμιας επεξεργασίας του Βιολογικού Καθαρισμού Χανίων. 
Οι τρεις τεχνητοί υγροβιότοποι έχουν τις ονομασίες Control (CW-C) με πληρωτικό υλικό HDPE, Plastic (CW-P) με πληρωτικό υλικό HDPE και βλάστηση καλαμιών Phragmites australis και Gravel (CW-G) με πληρωτικό υλικό ασβεστολιθικό χαλίκι και βλάστηση καλαμιών Phragmites australis. Οι δειγματοληψίες έγιναν την περίοδο Νοέμβριος 2021 – Μάιος 2022, όπου κάθε μήνα λαμβάνονταν ποσότητες λυμάτων από τις εκροές των μονάδων.
Αρχικά μελετήθηκε η απόδοση των τεχνητών υγροβιότοπων, ως προς την απομάκρυνση των βακτηριακών δεικτών Escherichia coli, Enterococcus sp. και Staphylococcus aureus. Πραγματοποιήθηκε λήψη δειγμάτων από την εισροή και εκροή των υγροβιοτόπων και ακολούθησε η ανίχνευση και ποσοτικοποίηση των εν λόγω βακτηριακών δεικτών. Κατά μέσο όρο, οι απομακρύνσεις των βακτηρίων στους τεχνητούς υγροβιότοπους CW-C, CW-P, CW-G για E. coli ήταν 90.52%, 99.47% και 70.12%, αντίστοιχα. Η απομάκρυνση του Enterococcus sp. ήταν 95.80%, 99.37%, 90.14%, αντίστοιχα, ενώ όσον αφορά στον  Staphylococcus aureus δεν παρατηρήθηκε απομάκρυνση σε καμία μονάδα. Τα εντεροβακτήρια απομακρύνθηκαν πολύ ικανοποιητικά σε αντίθεση με τους σταφυλοκόκκους. Ο συνδυασμός πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας και βλάστησης καλαμιών του τεχνητού υγροβιότοπου CW-P τον καθιστά ως τον πιο αποδοτικό, καθώς εκεί παρατηρήθηκαν πολύ υψηλές τιμές απομάκρυνσης.
Κατόπιν, έγινε και μελέτη στη διαφοροποίηση του προφίλ ανθεκτικότητας των βακτηρίων μετά την επεξεργασία, στα αντιβιοτικά Amoxicillin, Ciprofloxacin και Sulfamethoxazole. Με την βοήθεια της μεθόδου MIC, προσδιορίστηκαν οι ελάχιστες ανασταλτικές συγκεντρώσεις πριν και μετά την επεξεργασία. Σε γενικές γραμμές, η ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωσή τους στα αντιβιοτικά αυξήθηκε και ιδιαίτερα του βακτηρίου E. coli στο αντιβιοτικό Amoxicillin και των εντεροκόκκων στο αντιβιοτικό Ciprofloxacin. Αντίθετα, οι  σταφυλόκοκκοι κατάφεραν να διατηρήσουν την ανθεκτικότητά τους σχεδόν σταθερή και στα τρία αντιβιοτικά. 
Επίσης, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση και ποσοτικοποίηση γονιδίων ανθεκτικότητας και συγκεκριμένα των qnrA, ampC και sul II στα λύματα εισροής και εκροής. Το γονίδιο qnrA δεν ανιχνεύθηκε σχεδόν καθόλου στις εκροές των τεχνητών υγροβιότοπων, το γονίδιο ampC αυξομειώθηκε και το γονίδιο sul II βρέθηκε παντού αυξημένο.
Τέλος, μελετήθηκε η απόδοση των υγροβιοτόπων ως προς την απομάκρυνση αδενοϊών κατά την επεξεργασία των λυμάτων. Οι αδενοϊοί μειώθηκαν πολύ ικανοποιητικά μετά την επεξεργασία, με την απομάκρυνση τους να φτάνει έως και 99% σε ορισμένες περιπτώσεις. Οι αποτελεσματικότερες μονάδες ήταν η CW-C και η CW-P. 
Συμπερασματικά, οι τεχνητοί υγροβιότοποι, όντας μια φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία και με ελάχιστο κόστος λειτουργίας και συντήρησης έναντι των συμβατικών μονάδων επεξεργασίας, κρίθηκαν πολύ αποτελεσματικοί για την βιολογική επεξεργασία αστικών λυμάτων. Βέβαια, υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης ακόμα, καθώς δεν απέδωσαν σε όλα τα σημεία στα οποία μελετήθηκαν με ευνοϊκό τρόπο. 
description: The present Diploma Thesis deals with the investigation of performance efficiency of three pilot scale constructed wetlands, regarding their ability to treat urban wastewater and to remove pathogenic microorganisms and antibiotic resistance genes. These units are located at the Technical University of Crete and the influent urban wastewater is derived from the output of the primary treatment of the Waste Water Treatment Plant of Chania.
The three constructed wetlands are named Control (CW-C) with HDPE filler, Plastic (CW-P) with HDPE filler and Phragmites australis reed vegetation and Gravel (CW-G) with limestone gravel filler and Phragmites australis reed vegetation. Sampling took place within  the period November 2021 – May 2022, during which, wastewater samples were taken monthly from the inlet and outlet of the units.
Initially, the performance of the constructed wetlands was studied, in terms of the removal of the bacterial indicators Escherichia coli, Enterococcus sp. and Staphylococcus aureus. Generally, the bacterial removals in constructed wetlands CW-C, CW-P, CW-G for Escherichia coli were 90.52%, 99.47% and 70.12%, respectively and for Enterococcus sp. were 95.80%, 99.37% and 90.14% respectively. On the contrary,  no substantial removal was recorded for Staphylococcus aureus in any unit. Enterobacteriaceae were removed very satisfactorily in contrast to staphylococci. The combination of high-density polyethylene and reed vegetation of the CW-P constructed wetland makes it the most efficient wetland, as very high removal values of microbial load were observed.
Furthermore, within the framework of this thesis, antibiotic resistance profile of the isolated bacteria was studied. Resistance profile was recorded prior to and post treatment within the CWs. The antibiotics tested were Amoxicillin, Ciprofloxacin and Sulfamethoxazole and the applied method was MIC (minimum inhibitory concentration).  Generally, the MIC of the tested antibiotics increased after treatment, especially, regarding  the bacterium Escherichia coli and the antibiotic Amoxicillin and enterococci and the antibiotic Ciprofloxacin. On the contrary, staphylococci managed to keep their resistance almost stable after treatment, concerning their response to all the three antibiotics.
Also, the removal rates of target antibiotic resistance genes (ARGs) were investigated, namely, qnrA, ampC and sul II.  The qnrA gene was almost undetectable in the effluents of all CWs, the presence of ampC gene in the effluents varied significantly and sul II gene was detected in high concentrations in all effluent samples.
Finally, CWs were studied in terms of their efficiency to remove adenoviruses from wastewater after treatment, Adenoviruses were reduced after treatment, with the removal rate reaching a value up to 99% in some cases. The most effective units were CW-C and CW-P.
In conclusion, constructed wetlands are considered as an environmentally friendly technology for the efficient treatment of wastewater, concerning the inactivation of microorganisms and the removal of ARGs and adenoviruses. However, further investigation is required and more studies should be performed, regarding the role of CWs on the effective wastewater treatment and the protection of public health.