Ekotoxikologické hodnocení pokročilých technologií čištění vod založených na sloučeninách železa

Mgr. Pavla Kovaláková, Ph.D.

Doctoral thesis

Ecotoxicological evaluation of advanced techniques for water purification based on iron compounds

Abstract:

Kontaminace povrchové a pitné vody nebezpečnými látkami přírodního i antropogenního původu je celosvětovým problémem. Výskyt takzvaných mikropolutantů v odpadních vodách se stal výzvou pro management vodního hospodářství, neboť řadu z těchto látek nejsou schopny stávající standardní technologie v čistírnách odpadních vod účinně odstraňovat, a ty se tak stávají rizikem pro veřejné zdraví i životní prostředí. Tato dizertační práce má za úkol studovat a hodnotit ekotoxicitu pokročilých metod čištění vod využívajících sloučenin železa. Ty jsou zde rozděleny na dvě základní skupiny: nanočástice a feráty. Dvě studie se zabývají ekotoxikologickým hodnocením nanomateriálů připravených ekologicky šetrnou metodou, konkrétně redukcí železa polyfenolickými látkami extrahovanými ze zeleného čaje. Dále byla testována účinnost nanočástic při odstraňování polutantů na malachitové zeleni, jakožto modelového kontaminantu organického původu. Třetí studie sleduje ekotoxicitu ferátů – oxidů železa ve vysokých oxidačních stupních (IV, V, a VI). I přes vysokou toxicitu v prvních minutách reakce lze feráty po ekotoxikologické stránce doporučit jako vhodné chemikálie k úpravě a čištění různých typů vod. Další kapitola pojednává o přítomnosti mikropolutantů ve vodách se zaměřením na antibiotika. Je zde shrnut výskyt vybraných antibiotik v odpadních, povrchových a podzemních vodách celého světa a informace týkající se jejich toxicity vůči různým druhům organismů. Dále byla hodnocena účinnost degradace antibiotik pomocí ferátu(VI), která je dále srovnávána s reziduálními koncentracemi získanými chemickou analýzou. Dizertační práce rozšiřuje vědění v oblasti ekotoxikologie moderních materiálů na bázi železa a shrnuje informace týkající se současného poznání v problematice toxicity a výskytu antibiotik ve vodách, coby zástupců pseudoperzistentních mikropolutantů. Nanočástice železa a vysokovalentní oxidy železa (feráty) se prokázaly jako vhodné a ekologicky šetrné alternativy k moderním metodám úpravy a čištění různých typů vod.

Abstract:

Contamination of surface and drinking water by a wide range of hazardous compounds, both of natural and anthropogenic origin, is a worldwide problem. The presence of emerging micropollutants in wastewater is a challenge to the global water industry, which is likely to be a significant issue of environmental and public health concerns in the near future. With current standard activation technologies, wastewater treatment plants are unable to remove most of the micropollutants efficiently, and they thus become a risk for both human health and the aquatic environment. This dissertation aims to study and evaluate the ecotoxicity of advanced water treatment methods based on iron compounds. Iron compounds were divided into two main groups: nanoparticles and ferrates. Two studies covers the ecotoxicological assessment of nanomaterials prepared by an eco-friendly method, namely by reducing iron with dominantly polyphenolic substances from green tea. In addition, the efficacy of nanoparticles in model contaminant - malachite green - removal has been investigated. Third study assesses the ecotoxicity of ferrates - iron oxides in high oxidation states (IV, V, and VI). Despite the high toxicity in the first few minutes of the reaction, from the ecotoxicological point of view, ferrates can be recommended as suitable chemicals for the treatment of different types of water. The next chapter deals with the presence of micropollutants in waters with a focus on antibiotics. The occurrence of selected antibiotics in waste, surface, and groundwater throughout the world, as well as information about their toxicity to various species of organisms has been reviewed. Furthermore, the antibiotic degradation efficacy of ferrate(VI) has been evaluated and further compared with the residual antibiotic concentrations obtained from the chemical analysis. The dissertation summarizes the current information regarding antibiotic toxicity and occurrence in water and expands the knowledge in the field of ecotoxicology of novel iron-based materials. These have proved to be suitable environmentally friendly alternatives to other advanced water treatment methods.

Keywords

iron nanomaterials, ferrates, antibiotics, ecotoxicity, nanočástice železa, feráty, antibiotika, ekotoxicita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 6. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 30. 6. 2020
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Reader: doc. Ing. Radovan Kopp, Ph.D., prof. MVDr. Jiří Pikula, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology