biodegradación de disolventes clorados · 2009-09-21 · producción natural de disolventes...
TRANSCRIPT
Biodegradación de Disolventes Clorados
Jim Field, Universidad de Arizona, Dpto Ingeniería Química y Medioambiental
http://superfund.pharmacy.arizona.edu/outreach.html
Producción Industrial de Disolventes Clorados
Tipos de Disolventes Clorados
Cl
CCl
ClCl
Cl
CCl
HClCl
ClCl
H
HH
1,1,1-TricloroetanoTetracloruro de Carbono
Cloroformo
disolvente de desengrasar motores
disolvente industrialdisolvente de tintoreria
Cl
ClCl
ClCl
HCl
Cl
TetracloroetenoTricloroetenodisolvente de desengrasar
motoresdisolvente de tintoreria
Producción Natural de Disolventes Clorados
Produccion natural de organohalogenados
Mas de 3800 compuestos organohalogenados naturales identificados
Oxidacion de acidos humicos del suelo
Tricloroacetico, cluroro de vinilo, clorometano y cloroformo
Hongos, plantas y algas de mar
Algas de Mar: fuente natural de tetrachloroeteno y tricloroeteno
Plantas y Hongos: fuente natural de clorometano
Escala de Producción Natural
Clorometano: 4,000,000 t/a
Cloroformo: 700,000 t/a
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Oxígenolitico: incorporacion de un molécula de oxígeno
Cl
HH
H O2
espontaneoH
ClH
H
Oacidosorganicos
HCl
Hidrolítico: sustitución nucleofílica con OH que origina de agua
R C Cl
H
H+ H2O R C OH
H
H
+ HCl
Tiolítico: sustitución nucleofílica con grupo sulfihídrico
R C Cl
H
H+ R C S
H
H
R2 + HClR2 SH
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Hidrogenólisis Reductiva: halógeno se reemplaza con H
R C Cl
H
H
2e-, 2H+
R C H
H
H+ HCl
Hidrólisis Reductiva: reacción de radical reducida con agua
R C Cl
Cl
Cl
2e-, 2H+
R C
Cl
2HCl +
H2O
H2O
CO + 2HCl
COOH + 2HCl
Eliminación Reductiva Dicloruro: formación de enlace doble debido a la eliminación de dos cloruros vecinales
R C
Cl
H
C H
H
Cl2e-, 2H+ H
HH
R+ 2HCl
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Eliminación Deshidrocloruro: formación de enlace doble debido a la eliminación de HCl de grupos vecinales
R C
Cl
H
C H
H
H H
HH
R+ HCl
Transferencia de Grupo Metilo:
H C ClH
H
+ R C HH
H+ HClR H
Los Cinco Fisiologías de Biodegradación de Disolvente Clorados
Aeróbico: Sustrato de CrecimientoDisolvente Clorado es Sustrato Primario (fuente de carbón y energía)
Aeróbico: CooxidaciónDisolvente Clorado es Oxidado Fortuitamente durante la Oxidación Biológica de otra Sustrato Primario
Anaeróbico: Sustrato de CrecimientoDisolvente Clorado es Sustrato Primario (fuente de carbón y energía) durante respiración anóxica y fermentación
Anaeróbico: CometabolismoDisolvente Clorado es Reducido Fortuitamente por Encimas Reductivas o Cofactores Reducidos durante el uso de otra Sustrato
Anaeróbico: HalorespiraciónDisolvente Clorado Sirve como Aceptor de Electrones que Apoya el Crecimiento sobre otra Donador de Electrones (causa deshalogenación reductiva)
Biodegradación de Clorometanos
Comentarios Generales sobre Clorometanos
Vida media en el atmósfera es en el rango de 80-700 años
Depleción de ozona
Los intermediarios del metabolismo de mamíferos son carcinogénica y tóxicos (fosgeno y cloroformaldehida)
Tendencias Generales de Biodegradación
Clorometano y Diclorometano son fácilmente biodegradables en condiciones aeróbicas y anaeróbicas
Tetracloruro de carbono y cloroformo
difícilmente biodegradables en condiciones aeróbicas
fácilmente sujeto a cometabolismo en condiciones anaeróbicas
Biodegradación Aerobia de Clorometanos
ClCH3 Cl- + CO2Clorometano
Crecimiento: Hyphomicrobium, Methylobacterium y otras
Hyphomicrobium MC1
Methylobacterium CM4
2.16 d-1
2.88 d-1
Tasa de crecimiento
Encima Responsable: transferasa de metilo dependientede corrinoides
Diclorometano
Crecimiento: Hyphomicrobium y Methylobacterium
Hyphomicrobium DM1
Methylobacterium DM11
2.64 d-1
3.65 d-1
Tasa de crecimiento
Encima Responsable: S-transferasa de glutationina
Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Ruta de biodegradación aeróbica de diclorometano
glutationina-S-transferasa
CCl Cl
H
Habiotico
CCl S-G
H
H
HS-G
CO
H
H formaldehida
celulas CO2
HS-G HCl
C S-G
H
H
HO
H2O HCl
(Leisinger et al. 1994)
Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Cloroformo
Crecimiento: no es posible
Cooxidación con varios microorganismos que expresanmonooxigenasas con otro sustrato primario
O2
monooxygenasade metano
fosgenocloroformo
Cl- 2 Cl-
C
Cl
Cl
Cl H C
Cl
Cl
Cl OH C OCl
Cl
CO2
Cooxidación de cloroformo con metano por Methylosinus trichosporium OB3b
Tetracloruro de carbono
Solo hay cometabolismo en condiciones reductivas
Biodegradación Anaerobia de ClorometanosClorometano
Crecimiento: Bacterias acetogénicas
4 CH3Cl + 2 CO2→ 3 CH3COOH
0.55 d-1Tasa de crecimiento Acetobacterium dehalogenans
Encima Responsable: transferasa de metilo dependientede corrinoides
Diclorometano
Crecimiento: Bacterias acetogénicas o desnitrificantes3CH2Cl2 + CO2→ 2 CHOOH + CH3COOH
0.32 d-1Tasa de crecimiento Dehalobacterium formicoaceticum
Encima Responsable: transferasa de metilo dependientede corrinoides
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono
Crecimiento: no es posible
Cometabolismo con suministro de donadores de electronesCultivos mixtos anaerobios y cepas puras (Shewanella spp)
Cl C Cl
Cl
Cl
Cl C
Cl
ClH
2e- Cl-
tetracloruro de carbono
cloroformo
2e- H+
HCl
H CCl
ClHdiclorometano
2e- H+
HCl
Cl CCl
diclorocarbeno
2H2O
2HCl
HCOOH CO
CO2
formato monooxidode carbono
Hidrogenólisis Reductiva
Hidrólisis Reductiva
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
Biotransformacion: estimulado por mediadores redox
0
20
40
60
80
100
120
0 4 8 12 16Time (days)
Car
bon
Tetr
achl
orid
e C
onc.
( µM
)
Tiempo (dias)
Tetr
aclo
ruro
de C
arbo
no (u
M) control sin lodo, sin mediadores
control con lodo, sin mediadores
10 uMvitam
inaB12
10 uMriboflavina
10 uM AQDS
(Guerrero y Field 2004)
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
0
20
40
60
80
100
Contr C
TAutc
l CT CT
CT+AQDS
CT+ribo
CT+HOB12
CT+B12
Treatment
Chl
orin
e B
alan
ce (%
CT-
Cl)
Cl-CFCT
Balance de cloruro despues de 5 dias
Tratamiento
Bal
ance
de
Clo
ruro
(% C
T-C
l)
Biodegradación Aerobia de Cloroetanos
1,2-dicloroetano
Crecimiento: Xanthobacter, Pseudomonas y otras
Xanthobacter autotrophicus GJ10
Pseudomonas sp. DCA1
2.64 d-1
3.36 d-1
Tasa de crecimiento
Encima Responsable:Xanthobacter = haloalcano deshalogenasa (hidrolítico)
Pseudomonas = monooxigenasa
1,1,1-tricloroetano
Crecimiento: no es posible
Cooxidación con varios microorganismos que expresanmonooxigenasas con otro sustrato primario
Rutas de biodegradación aeróbica de 1,2-dicloroetano
(Hage y Hartmans 1999)
C CClH
HCl
H
H
C CCl
H
HOH
H
H
H2OHCl
O2
H2OC CCl
H
HCl
OH
H
NADH
NAD+
haloalcanodeshalogenasa
momooxigenasa
X. autotrophicusA. aquaticus
HCl
espontanio PQQ
PQQH2
2-cloroetanoldehidrogenasa
C CClH
HH
O
1,2-dicloroetano
2-cloroetanol1,2-dicloroetanol
cloroacetaldehida
NADH
NAD+ + H2Ocloroacetaldehidadehidrogenasa
C CClH
HOH
O
acido cloroacetico
H2O
HCl
acido cloroaceticodeshalogenasa
C CHOH
HOH
O
CO2
Pseudomonas DCA1
acido glicolico
Biodegradación Anaerobia de Cloroetanos
Dicloroetano, Tricloroetano, Tetracloroetano y Hexacloroetano
Halorespiración en algunos casosDehalococcoides spp con 1,2-dicloroetano
Desulfitobacterium dichloroeliminans con 1,2-dicloroetano
Desulfitobacterium sp. Y51 con tetra- a hexacloroetanos
Dehalobacter sp. TCA1 con 1,1,1-tricloroetano
Cometabolismo con suministro de donadores de electronesCultivos mixtos anaerobios y cepas puras (p.e. Methanobacterium yDesulfobacterium spp)
Dos Tipos de Reacciones Predominantes :
Hidrogenólisis Reductiva (d-Cl)
Eliminación Reductiva Dicloruro (d-Cl2)
Ruta de Biotransformación de Tricloroetano en Lodos Anaerobios
C CClCl
H
HH
Cl
1,1,2-tricloroetano
d-Cl2d-Cl
C CH
HH
Clcloruro de viniloC CH
Cl
H
HH
Cl1,2-dicloroetano
d-Cl2d-Cl
C CH
HH
H
eteno
C CH
Cl
HH
H
H
cloroetano
d-ClC CHH
H
H
H
H
etano
(Chen et al. 1996; van Eekert et al. 1999)
Tasa de biotransformación de cloroetanos en relación de numero de grupos clorados
Loga
ritm
o de
la t
asa
de
form
ació
n de
pro
duct
os
Número de Grupos Clorados
lodo vivo
lodo matado
(van Eekert et al. 1999)
Biodegradación Aerobia de CloroetenosCloruro de vinilo
Crecimiento por algunas cepas
Mycobacterium JS60
Pseudomonas sp. DL1
0.220 d-1
0.046 d-1
Tasa de crecimiento
Encima Responsable: monooxigenasa
Cl monooxigenasa
cloruro de vinil epoxida decloruro de vinil
O
ClCO2 + Cl-
Cooxidación con varios microorganismos que expresanmonooxigenasas con otro sustrato primario
Monooxigenase de metano (Methylosinus trichosporium OB3b)
Biodegradación Aerobia de CloroetenosTricloroeteno y Tetracloroeteno
Crecimiento: no es posible
Cooxidación Tricloroeteno con varios microorganismosque expresan monooxigenasas con otro sustrato primarioMonooxigenase de metano (Methylosinus trichosporium OB3b)
Monooxigenasa de tolueno
Monooxigenasa de amonia (Nitrosomonas)
Cl
Cl
Cl
monooxigenasa
tricloroetanoepoxida detricloroetano
O
ClCl
Cl de metano Epoxida con vidamedia de 21 segundos
Tetracloroeteno: no es biodegradable en condicionesaerobicas
Ruta de biodegradación aeróbica de tricloroetneo
C CH
ClCl
Cl
monooxigenasade metano
C CCl
HCl
Cl
O
TCE-epoxidoC C
OO
H OH
acido glioxilico
O
C OHH
acido formico
+ COmonooxidode carbono
C CO
HCl
ClCl
cloral
C CH
H
Cl
ClCl OH
2,2,2-tricloroetanol
C CO
OHCl
ClCl C C
O
OHCl
HCl
HCl
acido tricloroacetico acido dicloroacetico
abiotico
2 HCl
Tricloroeteno
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Halorespiracion de Cloroetenos PCE TCE cDCECl
Cl
Cl
Cl
H
Cl
Cl
Cl
H
Cl
H
ClDescloración Parcial
Especia Donadores de Electrones Productos
Dehalobacter restrictus
Bacteria Gram Positiva de Baja G+C
hidrogeno TCE, cDCEDesulfitobacterium sp Y51 piruvato, formato y lactato cDCEClostridium bifermentans extracto de levadura, glucosa cDCE
δ-ProteobacteriaDesulfuromonas spp acetato, piruvato cDCE
ε-Proteobacteria
Sulfurospirillum spp piruvata, lactato, hidrogeno cDCE
Biodegradación Anaerobia de CloroetenosHalorespiracion de Cloroetenos PCE eteno
e-Cl
Cl
Cl
Cl
H
H
H
HDescloración Completa
Especia Donadores de Electrones Productos
Bacterias no-azufre verdesDehaloccoides ethenogens* hidrogeno VC, eteno
Dehaloccoides sp. VS hidrogeno eteno
PCE →
VC →Dehaloccoides sp. Bachman VC →hidrogeno eteno
* Esta cepa solamente puede desclorar completamente cuando hay PCE o TCE presente(cometabolismo de aceptor de electrones)
Encimas Responsables: Dehalogenasa ReductivasContiene cofactores corrinoides (vitamina B12)
Contiene clústeres hierro/azufre (Fe/S)
Biodegradación Anaerobia de CloroetenosCometabolismo de Cloroetenos
Microorganismos MetanogenicosMethanosarcina; Methanobacterium thermoautitrophicum
Bacterias AcetogenicosAcetobacterium woodii; Sporomusa ovata
Mecanismos: reacciones fortuitos con cofactores reducidos como F430 con Ni y corrinoides con Co
Tasas de Descloracion de Cloroetenos
µTipo Microorganismo Actividad Especifica
Halorespiracion
Microorganismos Metanogenicos850-37,500
0.04 – 6.3
0.23-5.76
(d-1)(mg g-1 peso seco d-1)
Bacterias Acetogenicos 7.1 – 19.5Cooxidacion Aerobica 3700-55,000
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ruta Anaerobica de Biotransformacion de Cloroetenos
C CCl
ClCl
ClC C
Cl
ClCl
H
C CH
ClCl
HC C
H
HH
HC C
H
HCl
H
etenotetracloroeteno tricloroeteno cis dicloroeteno cloruro de vinilo
PCE TCE cDCE VC E
H
HH
H
HH
etano
A
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ejemplo de Biotransformacion Anaerobica de Tetracloroeteno
PCE TCE
cDCE
VC
E
suma de etenos
(Hunkeler et al 1999)
Sumario de Biodegradación de Disolvente Clorados
# grupos clorados Aeróbico Anaeróbicocrecer cooxid. crecer comet. haloresp.
Clorometanos1 - 234
Cloroetanos1 - 23 - 45 - 6
Cloroetenos1 - 234
++--
++--
+--
++-
++-
++++-
+--
---
-/+--
++++
++++
-/+++
-??
+++
+++++
Bioremediacion de Disolventes Clorados
Bioreactores Anaerobicas
Ejemplos en este Taller
Atenuación Natural
Ejemplos en este Taller
Bioremediación In Situ Anaerobia i Anaerobia-Aerobia
Ejemplos en este Taller
Bioremediación In Situ Cooxidación Aerobia
Se Refiere a:McCarty et al. 1998. Full scale evaluation of in situ cometabolic degradation of trichloroethylene in groundwater through toluene injection. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 32 (1): 88-100
Bioremediación de Tetracloroeteno en Bioreactores Anaerobias
Lecho Estationariode BiopeliculaFijado
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
Bioreactor Tasa Volumétrica
Lecho Expandido de Biopelicula Fijado
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
PCE → VC, E
PCE → cDCE
79.0
Reaccion Donador de Electrones
(g m-3reactor d-1)
sucrosa
6.1etanol
32.5Lecho de Lodo de Flujo Ascendente formato, acetatoPCE → cDCE41.03-clorobenzoatoLecho Estationario de Biopelicula
FijadoPCE → cDCE
lactatoColumna de sedimentos y lodo PCE → E, A 14.7
(modificado en parte de Middeldorp et al, 1999)
Atenuación Natural de Cloroetenos
Matriz de Factibilidad de Atenuación Natural de Cloroetenos
Fuente de Carbón Orgánica Presencia de Dehalococcoides
Tipo I
Sustrato primario es carbón orgánico antropogénico
No hay fuente de carbón organico
Tipo II
Sustrato primario es carbón orgánico natural
Tipo III
presenteausente
PCE → cDCE PCE → E
PCE → cDCE PCE → E
PCE no esdegradable
PCE no esdegradable
Atenuación Natural de Cloroetenos
Ejemplos de Atenuación Natural de Cloroetenos
(ITRC, 1999)
Atenuación Natural de Cloroetenos
Perfil de Aceptores de Electrones en la Pluma de CloroetenosSujeto a Atenuación Natural. Caso Hipotético (ITRC, 1999)
Atenuación Natural de Cloroetenos
Perfil de Productos de la Descloración Reductiva en la Pluma de Cloroetenos Sujeto a Atenuación Natural. Caso Hipotético (ITRC, 1999)
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Cuando es Aplicable la Bioremediación In Situ?Para sitios que no tiene fuente de carbón orgánico Materia
OrgánicaAdición de Donador de Electrones
H2
SO42-CO2
PCE H2Seteno
Ejemplosmetanolbenzoato
extracto de levaduraaceite vegetal
Competición para electronesSuministro despacio de H2 favorece halorespiracion sobre metanogénesis y reducción de sulfato
CH4
Adición de Microorganismos (Bioaugmentación)Añadir cepas como Dehalococcoides que favorece la reducción completo hacia eteno
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Dondador de Electrones Nutrientes
Pozo de Inyección
Pozo de extracción
Pozo de monitoreo
Nivel de agua subterráneo
Zona Contaminada
Pozo de extracción
Flujo de agua subterráneo
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Como calcular la cantidad de donador de electrones se necesita?
Teoréticamente se necesita 2 e- para cada grupo clorado
Esto significa 16 g demanda química de oxígeno (DQO) para cada mole de Cl
64 g DQO/mol PCE (para PCE → E)
En la practica se necesita muchas veces mas donador de electrones que la teorética
Hay que compensar por el consumo de electrones por procesos microbiológicos que compiten con halorespiración
desnitrificaciónmetanogénesis
reducción de hierroreducción de sulfato
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Ejemplos de la Bioremediación In Situ de Disolventes Clorados
(Lee et al 1998)
Ejemplo de Bioaugmentación con Dehaloccoides
Pozo de Control Pozo Bioaugmentado
Base Aerea Dover (Ellis et al. 2000)
Bioremediación en Breda, Holanda
Bioremediación en Breda, Holanda
85% remoción de PCE en el sitio despues de 6 meses
Cloruro inorgánica inicial (1 mM) aumentó a 6 mM en la zona anaeróbica
En la zona a 50 metros flujo abajo, la biodegradación de dicloroeteno y cloruro de vinilo se estimuló por la cooxidación aeróbica con fenol
Todo el fenol infiltrado fue removido
En la zona aeróbica, todo el cDCE y VC removido
Después de un año de bioremediación los cloroetenos se disminuyó desde 1500 mol hasta 550 mol
La balance de masas indica que 50% de los cloroetenosfueron removidos en el agua subterráneo y la otra 50% en el bioreactor tratando el vapor de suelo extraído
(Gerritse et al. 1998)
Recapitulación de Breda 1625
Fin Del Curso