Magnetic field stimulation of biological processes for the treatment of gaseous effluents

Abstract

"Esta investigación doctoral exploró el potencial de la estimulación del campo magnético estático de baja intensidad (SMF, por sus siglas en inglés) como una estrategia innovadora para mejorar los procesos biológicos involucrados en el tratamiento de efluentes gaseosos. El objetivo principal fue estudiar los efectos del SMF de baja intensidad (20-120 mT) en sistemas microbianos y microalgales para la degradación de compuestos orgánicos volátiles (COVs) y la fijación de dióxido de carbono(CO2). En la primera etapa experimental, consorcios mixtos fueron expuestos a SMF (2070 mT) durante la biodegradación de tolueno, hexano y metanol en reactores de lote alimentado. Los resultados mostraron que la exposición magnética incrementó significativamente las tasas de eliminación de los COV menos hidrofóbicos (tolueno y metanol), con un efecto óptimo en intensidades intermedias (40 mT), mientras que la biodegradación de hexano no presentó mejoras. Al trasladar esta aproximación a un sistema de biofiltración para el tratamiento de vapores de tolueno (segunda etapa experimental), un SMF de 50 mT mejoró la eficiencia de eliminación tanto bajo operación continua como intermitente. Esta mejora se asoció con una mayor actividad microbiana, evidenciada por un incremento en la producción de CO2, sugiriendo que la exposición magnética podría favorecer procesos celulares relacionados con el transporte de electrones y la actividad enzimática. En la tercer etapa experimental, se evaluó el efecto del SMF sobre la fijación de CO2 en Chlorella vulgaris, Coelastrella sp. y Arthrospira platensis. Los cultivos en lote revelaron que la exposición magnética moduló el crecimiento, la síntesis de pigmentos y la composición bioquímica de manera dependiente de la cepa, la intensidad del campo magnético y el tiempo de exposición. En conjunto, los parámetros evaluados indican que el SMF puede influir en la homeostasis redox mediante la modulación de vías de señalización y del transporte electrónico asociado a especies de oxígeno reactivas (ROS, por sus siglas en inglés), contribuyendo así a una mayor fijación de CO2. Los hallazgos integrados en las diferentes etapas experimentales demuestran que los SMF de baja intensidad pueden mejorar tanto la biodegradación de COV como la biofijación de CO2, posicionándose como una herramienta energética y operativamente eficiente, especialmente mediante el uso de imanes en lugar de bobinas, para optimizar tecnologías de biofiltración y mitigación de emisiones."

"This doctoral research explored the potential of static magnetic field (SMF) stimulation as an innovative strategy to enhance biological processes involved in gaseous effluent treatment. The main objective was to study the effects of low-intensity SMF (20–120 mT) on microbial and microalgal systems for the degradation of volatile organic compounds (VOCs) and the biofixation of carbon dioxide (CO2). In the first experimental stage, mixed consortia were exposed to SMF (20-70 mT) during the biodegradation of toluene, hexane, and methanol in fed-batch reactors. The results showed that magnetic exposure increased elimination rates of less hydrophobic VOCs (toluene and methanol), with an optimal effect at intermediate intensities (40 mT), while hexane biodegradation did not improve. By transferring this approach to a biofiltration system for treatment of toluene vapors (second experimental stage), a SMF of 50 mT improved the removal efficiency under both continuous and intermittent operation. This improvement was associated with increased microbial activity, evidenced by an increase in CO2 production, suggesting that magnetic exposure could favor cellular processes related to electron transport and enzyme activity. In the third experimental stage, the effect of SMF on CO2 fixation in Chlorella vulgaris, Coelastrella sp., and Arthrospira platensis was evaluated. Batch cultures revealed that magnetic exposure modulated growth, pigment synthesis, and biochemical composition in a strain-dependent manner, magnetic field strength, and exposure time. Overall, the parameters evaluated indicate that SMF can influence redox homeostasis by modulating signaling pathways and electronic transport associated with reactive oxygen species (ROS), thus contributing to increased CO2 fixation. Findings integrated into the different experimental stages demonstrate that low-intensity SMFs can improve both VOC biodegradation and CO2 biofixation, positioning themselves as an energy- and operationally efficient tool, particularly by using magnets instead of coils, to optimize biofiltration and emission mitigation technologies."