Dr. Camille Wolf's PhD defense - August 9th, 2019
© 2019 EPFL
Professor Tamar Kohn, thesis director, and the whole LCE'team, congratulate Dr. Camille Wolf for her thesis on " Inactivation of enteric viruses by ozone : Kinetics and Mechanisms ".
Abstract
The growing world population, in conjunction with climate change, cases the global water demand to increase. It is, therefore, crucial to protect existing water resources from chemical pollution and contamination by pathogens. An increasingly popular strategy to meet increased water demand is potable water reuse, which uses wastewater effluent as the water source and treats it to such an extent that it is safe to drink. However, this practise may encompass risks for human health if the treatment train does not ensure a sufficient removal of chemical and microbial contaminants. In the context of both water and wastewater treatment, ozonation has emerged as an efficient treatment method for the control of pathogens, the abatement of organic micropollutants, and the removal of taste and odor compounds. Despite its popularity, information on the inactivation of waterborne viruses by ozone is scarce.
The aim of this thesis was to investigate the kinetics and mechanisms of inactivation of waterborne viruses by ozone. In a first step, the inactivation kinetics of a suite of human viruses and commonly used surrogates (bacteriophages) were determined in well-controlled buffer systems. To this end, we developed a method to control O3 decay in batch reactors. This allowed us to measure virus inactivation as a function of low ozone exposures. The resulting inactivation rate constant (kO3-virus) differed between the virus species studied, but all kO3-virus fell within a narrow range of 105-106 M-1s-1. These high inactivation rate constants indicate that ozone is efficient to inactivate waterborne virus. Increases in temperature and pH resulted in an increased kO3-virus, though the effect was relatively minor.
To determine if more complex, natural water matrices influence virus inactivation by ozone, we investigated the virucidal efficacy of ozone in two surface waters and a secondary wastewater effluent. While inactivation kinetics as a function of ozone exposure initially corresponded well to those observed in buffer solutions, the inactivation curve tailed off at higher ozone exposures. Furthermore, because it is not possible to measure virus inactivation during water treatment in real-time, we tested different if “easy-to-measure” proxies can be used to track virus inactivation. We determined that the applied specific ozone dose, the reduction in UV254, or the abatement of carbamazepine all correlated to virus inactivation, though some proxy-inactivation relationships were not universal but depended on the water type. The proxies were validated in a pilot-scale ozonation reactor treating Lake Zurich water, and were found to provide good estimates of virus inactivation.
Finally, an immunostaining assay was developed to observe how ozonation affects crucial steps in the life cycle of echovirus 11, a representative of the Enterovirus genus. Specifically, we investigated if ozone alters the ability of the virus to enter the host cells, and if it prevents the viral genome from replicating. Preliminary results indicate a loss of internalization after ozone treatment as well as genome replication.
In conclusion, this thesis provides new information on the efficacy and mechanisms of ozone as an inactivating treatment for waterborne viruses, and it delivers tools to monitor virus inactivation during water and wastewater treatment in real-time.
Keywords
Virus, bacteriophage, ozone, disinfection, kinetics, water treatment, drinking water, wastewater, MS2, Qb, T4, Φ174, echovirus 11, human adenovirus, coxsackievirus B5, micropollutant elimination, virus internalization
Résumé
L’augmentation de la population mondiale, ainsi que le changement climatique, accroît la demande en en eau à travers le monde, et avec elle la pression sur les ressources en eau douce. Il est donc crucial de protéger ces ressources de la pollution et des contaminant par des agents pathogènes. Une stratégie qui gagne en popularité pour répondre à cette demande croissante et la réutilisation des eaux usée comme sources d’eau potable. Bien entendu, il existe des risques sanitaires importants liés à une telle pratique si les traitements ne sont pas suffisament performant. Autant dans le tratement des eaux potables que des eaux usées, l’ozonation a émergée comme une solution efficace d’inactivativer les pathogènes, réduire les micropolluants et enlever les odeurs et les goûts désagréables. Malgré sa popularité, les informations sur sa capacité d’inactiver les virus entériques sont rares et insuffisantes.
L’objectif de cette these est de comprendre la cinétique et les mechanismes d’inactivation des virus entérique par l’ozone. Dans un premier temps, les cinétiques d’inactivation de plusieurs virus humains et bactériophage (substitut come modèle) ont été résolue dans une solution tampon bien définie. Pour accomplir ceci, une method a été developpée pour permettre d’appliquer des expositions d’ozone très faible, permettant ainsi de mesurer l’inactivation des virus en fonction de l’exposition à l’ozone. Les constantes d’inactivation (kO3-virus) des virus différaient, mais toutes restaient dans un intervalle étroit de 105-106 M-1s-1. Ces constant élevée prouve l’efficacité de l’ozone pour inactiver les virus. Une augmentation de la temperature ou du pH a pour consequence uen augmentation de cette constant, mais cette augmentation reste faible.
Afin de déterminer l’influence des constituents des matrices naturelles sur l’inactivation des virus par l ozone, nous avons choisis deux eaux de surface et un effluent secondaire d’eaux usée. Alors que la cinétique d’inactivation en fonction de l’exposition à l’ozone correspond initialement bien à celle observée dans les solutions tampons, la courbe d’inactivation présent un plateau avec des expositions à l’ozone plus élevées. De plus, comme il n’est pas possible de mesurer l’inactivation du virus pendant le traitement de l’eau en temps réel, nous avons testé différents types de proxy qui sont des paramètres « faciles à mesurer » pouvaient être utilisés pour suivre l’inactivation du virus. Nous avons déterminé que la dose spécifique d'ozone appliquée, la réduction de l'UV254 ou l'abattement de la carbamazépine étaient tous corrélés à l'inactivation du virus, bien que certaines correlation dépendent du type d'eau. Ces proxys ont été validés lors d’une expérience d’ozonation dans pilote traitant l’eau du lac Zurich et se sont révélés être une bonne estimation de l’inactivation du virus.
Enfin, un test d'immunocoloration a été mis au point pour observer comment l'ozone affecte les étapes cruciales du cycle de vie de l'échovirus 11, représentant du genre Enterovirus. Plus précisément, nous avons recherché si l'ozone altère la capacité du virus à pénétrer dans les cellules hôtes et s'il empêche le génome viral de se répliquer. Les résultats préliminaires indiquent une perte d'internalisation après le traitement à l'ozone ainsi que la réplication du génome.
En conclusion, cette thèse fournit de nouvelles informations sur l'efficacité et les mécanismes de l'ozone en tant que traitement inactivant des virus transmis par l'eau, et fournit des outils permettant de surveiller en temps réel l'inactivation des virus lors du traitement de l'eau et des eaux usées.